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Responsive market regulation in environmental economics: an agent-based stochastic equilibrium approach
No full textThe present work is concerned with stochastic modelling of markets for regulated resources. Here, we use the term regulated resource (or regulated commodity) in the sense of some tradable good, the total aggregate deployment of which is subject to control by some public or private, central entity. More precisely, we are interested in regulatory systems that can control the inflow of commodity units. Such control systems allow the regulator to force potential externalities, arising from using the resource, to be priced in on the market, without explicitly deciding on the respective premium or explicitly quantifying the economic damage avoided for each unit of the commodity.
Such (quantity-based) trading systems are traditionally viewed as alternatives to conventional price-based systems such as taxes. The question whether a quantity-based or price-based system is more advantageous has first been studied by [Weitzman, 1974], whose deliberations came down to comparing the relative slopes of the marginal abatement cost curve and marginal benefit curve (of avoiding emissions). However, Weitzman appreciated that an ideal instrument would implement a contingency message, indicating what policy would be implemented, based on the current state of the system. In the present work, we pick up on this idea and examine how the costs efficiency of controlling the use of a resource can be improved by such dynamic control systems. What’s more, we construct a quantitative framework by which we can represent an entire spectrum of policies between ‘pure’ price-based and ‘pure’ quantity-based instruments. Thusly we fill a significant gap in the pertinent literature.
Limitation or regulation of the inflow of commodity units to some economy can be in the collective interest of a group of economic entities, or in the interest of the society which is subjected to those entities’ externalities. While examples for the former are mainly found in the context of cartels, the latter is relevant whenever societal damages are the result of the con- sumption of a commodity – e.g. through overfishing or non-sustainable forestry. Another, particularly topical example are climate relevant commodities such as fossil fuels or emissions allowances.
The main inspiration for our modelling work are Emissions Trading Systems (ETSs), the currently largest of which is the European Union ETS (EU ETS). Therein, emissions allowances (EUAs – European Emission Allowances) are made available by the regulator through regular auctions and free allocations. Those allowances can then be traded freely among market participants at the price dictated only by supply and demand on this secondary market. After a given calendar year, agents whose facilities are subject to the regulation of the EU ETS have to present a number of EUAs equal to their total emissions of greenhouse gases, measured in (metric) tonnes of CO2-equivalent (CO2e), during the respective year. For each tonne not covered in this way, each agent who is short in allowances has to pay a penalty of (currently) 100 Euros. (It shall be mentioned that paying the penalty does not absolve the agent from having to present the respective allowances in the next year.)
In the wake of the economic crisis of 2007/08, we saw a strong and persistent erosion of EUA prices, which is mainly at- tributed to an oversupply resulting from an unanticipated drop in production. It was this price erosion, along with the ETS’s lack of provisions to adapt to such circumstances, that brought about doubt in the efficacy of the instrument altogether. More precisely, a number of experts in academia, politics and some stakeholders believed that the system was unable to ‘function in an orderly fashion’ [The European Commission, 2012] in the presence of such an enormous oversupply. In particular, the system lacked provisions to adapt the allocation scheme to changes in economic circumstances.
Based on public consultations, the European Commission released a report in November 2012 (see [The European Commission, 2012]), presenting a number of reform options for the EU ETS, which aimed at relieving the current oversupply and, poten- tially, making the system more responsive to changes in economic circumstances. One such measure is the introduction of the so-called Market Stability Reserve (MSR), which aims at making the supply of allowances dynamic and dependent on the state of the system, rather than static and rigid, as it was. Furthermore, this supply adjustment system is designed based on a transparent set of rules, rather than discretionary interventions. The MSR has been ratified in 2016 and is set to start operating in 2020.
In the present work, we construct a continuous-time stochastic equilibrium model of a market for an abstract regulated com- modity, with special interest in applications to climate-relevant resources such as emissions allowances. In doing so, we put special emphasis on a mathematically rigorous representation of stochasticity and risk-aversion on behalf of market partici- pants, as well as on a detailed (agent-based) derivation of the equilibrium dynamics in closed-form. In the process, we solve each agent’s optimisation problem, along with the associated Hamilton-Jacobi-Bellman Equation, for which we are able to find an explicit solution. Furthermore, we construct a generic regulatory mechanism of dynamic resource allocation, similar in spirit to the Market Stability Reserve. Our dynamic regulatory mechanism adjusts the resource allocation based on the current system state. The system state, however, is dependent on the allocation scheme, which implies the existence of a feed-back loop between the market and the regulation. We are, notably, able to solve this inter-dependency and derive the equilibrium under this regulation. This in turn allows us to quantify the costs associated to any given parameterisation of the mechanism, adjusting its responsiveness in order to maximise the cost-efficiency of the system. What’s more, by employing an adjustable responsiveness, we are able to represent an entire spectrum of policies between pure price instruments and pure quantity in- struments. Thereby, we fill a significant gap in the stream of literature pioneered by [Weitzman, 1974].
The present text is divided into four chapters. In Chapter 1 we describe our motivation along with the literature context of our work. In Chapter 2 we present some general concepts and observations on stochastic equilibria which will prove useful for our modelling approach. In Chapter 3 we derive our equilibrium in closed-form, before we construct our dynamic regulatory mechanism in Chapter 4. Therein, we furthermore compute total aggregate abatement costs as a function of the responsiveness of the system. This allows us to present means for the construction of a mechanism that maximises the policy’s cost-efficiency. We also provide an in-depth analysis of how the above-mentioned spectrum of policies can be represented by our mechanism’s parameterisation
Die Verwendung des Alten Testaments in den Kindheitsgeschichten des Lukas
No full textFragen des Vorlagetextes und der Zitation bestimmen den Inhalt des Kapitels „Arten der Schriftverwendung". Es geht hier u.a. um Hebräische und Griechische Bibeltexte und ihre Verwendung durch neutestamentliche Autoren. Weder die heiligen Schriften auf Hebräisch noch die Übersetzung ins Griechische (Septuaginta) lagen zur Zeit des Lukas in einer normierten und verbindlichen Form vor. Die Texte waren jahrhundertelang in Bewegung und wurden erst in späteren Jahrhunderten kanonisiert.
Die Identifikation eines Autors mit seinem Prätext läuft nicht nur über direkte Zitate, sondern auch über Anspielungen und die Verwendung biblischer Schemata ab. Dabei ist die Trennlinie zwischen bewussten Bezügen und der bloßen Verwendung von biblischem Vokabular nicht mehr genau zu ziehen. Von Bedeutung ist deshalb die genaue Definition von Zitaten, Anspielungen und Schemata.
Untersuchungen zu den Verwendungsmöglichkeiten des Alten Testa-ments im Neuen, z.B. in typologischer oder allegorischer Art, sowie Erläuterungen zum Begriff „Intertextualität" und „Midrasch" beenden dieses Kapitel.
In den Kindheitsgeschichten des Lukas spürt man deutlich, dass der Verfasser das „Alte Testament" nicht nur benutzt, sondern völlig aus dessen Glaubenswelt lebt und daraus die Texte des Neuen Testaments formuliert. Für ihn sind die jüdischen Wurzeln nicht aufgebbar, denn es geht ihm um die Kontinuität der Heilsgeschichte. Der christliche Glaube beruht nicht nur auf jüdischer Verheißung, sondern ist identisch mit dem wahren jüdischen Glauben. Das Christusereignis ersetzt nicht die bisherige jüdische Tradition, sondern ist deren Sinnspitze.
In diesem Zusammenhang werden u.a. die Fragen nach der Ent-stehungssituation der Kindheitsgeschichten, nämlich nach Autor, Ent-stehungszeitraum und Verfassungsort erörtert. Lediglich zweimal bezieht sich Lukas auf Zitate aus dem Alten Testament, nämlich in Lk 2,23 (Darstellung im Tempel) und Lk 2,24 (Reinigung Marias).
Die Anspielungen auf Texte des Alten Testaments sind zahlreicher, als solche aber nicht immer erkennbar und nur durch intensive intertextuelle Vergleiche feststellbar. Ihre Fülle macht es notwendig, sie auf die Prophetenbücher Daniel und Maleachi zu beschränken.
Lukas übernimmt aus dem Alten Testament eine Reihe von Schemata, u.a. das Verkündigungs- und das Berufungsschema (Lk 1,5–17 und Lk 1,26–33). Diese werden alttestamentlichen Vorbildern gegenübergestellt: Hagarerzählung: Gen 16,1–12; Gideonerzählung: Ri 6,11b–22.
Auch das lukanische Geburtsschema (Lk 1,57–80 und Lk 2,1–40) wird mit alttestamentlichen Geburts- und Rettungsgeschichten verglichen.
Ausgangspunkte für Bezüge zum Alten Testament können z.B. das Kerygma, die Verkündigung: Jesus ist der Christus, sowie der Glaube an die Erfüllung alttestamentlicher Schriften im Neuen Testament sein. Denn was Gott bisher in der Geschichte Israels bewirkt hat, ist im Geschick Jesu an seinem Höhepunkt angekommen. Auch die typologische Zuordnung bestimmter Personen und Gegebenheiten des Neuen Testaments zu solchen des Alten spielt eine große Rolle, denn dadurch werden alt-testamentliche Ereignisse, wie etwa die Geburt des Moses und seine Flucht nach Ägypten, zum Typos des Christusgeschehens.
Im Abschlusskapitel geht es um den Stellenwert der Textübernahmen sowie um heutige Leser und ihre Kontexte. Die Überwindung des Hyperpaulinismus durch Lukas und Überlegungen zur bleibenden Gültigkeit der Verheißungen des Gottes Israel beschließen die Arbeit
A single intraperitoneal injection of bovine fetuin-A attenuates bone resorption in a murine calvarial model of particle-induced osteolysis
No full textIn dieser tierexperimentellen Studie wurde die Auswirkung einer Fetuin-A-Substitution auf die Entstehung der Partikel-induzierten Osteolyse untersucht.
28 männliche C57BL/6 Mäuse wurden randomisiert in vier Gruppen eingeteilt. Den Gruppen 2 und 4 wurden im Bereich der Schädelkalotte 30μl kommerziell erhältlicher ultrahochmolekularer Polyethylen (UHMWPE)-Partikel implantiert, während die Gruppen 1 und 3 eine Scheinoperation erhielten. Die Gruppen 3 und 4 erhielten einmalig 20mg eines bovinen Fetuins, während die Gruppen 1 und 2 physiologische Kochsalzlösung appliziert bekamen. Es erfolgte eine Bestimmung von Knochenvolumina mittels Mikro-Computertomographie (MCT), sowie eine qualitative und quantitative histopathologische Analyse der Osteolyseregion.
Bei Fetuin-A Applikation zeigten partikelbehandelte Tiere im Zentrum der Sagittalsutur ein signifikant höheres Knochenvolumen als die kochsalzbehandelte Kontrollgruppe (p = 0,035). Die partikel-behandelten Gruppen zeigten im Vergleich zu scheinoperierten Kontrolltieren im MCT sowohl im Zentrum, als auch im gesamten Untersuchungsbereich ein geringeres Knochenvolumen (p < 0,01). Die histomorphometrischen Analysen ergaben auch bei fetuinbehandelten Tieren im Vergleich zu kochsalzbehandelten Tieren eine geringere Osteolysenfläche (p = 0,026) und eine größere zentrale Knochendicke (p = 0,011). In der histopathologischen Analyse zeigten partikel-behandelte Tiere Osteolysen im Bereich der Sagittalsutur und ein durch Makrophagen und Polyethylenpartikel dominiertes Granulationsgewebe. Kontrolltiere hingegen wiesen kaum Osteolysen auf.
Die Bedeutung des Fetuin-A in Bezug auf die aseptische Osteolyse ist bisher noch weitgehend unerforscht. In dieser Studie führte die Applikation von Fetuin-A unter osteolytischen Bedingungen im Zentrum der behandelten Region zu einem geringeren Knochensubstanzverlust. Somit könnte Fetuin-A zukünftig als potenziell osteoprotektive Substanz bei der partikel-induzierten Osteolyse eingesetzt werden. Hierbei wäre neben der untersuchten antiinflammatorisch-osteoprotektiven Wirkung der bekannte Einfluss auf die ektope Verkalkung zu untersuchen, um zusätzlich periartikuläre Ossifikationen zu behandeln
Development of a method for the immobilization of peroxidases on polyester-based textiles
No full textDie vorliegende Dissertation beschreibt Untersuchungen zur permanenten Ausrüstung von textilen Konstruktionen aus Polyester (genauer Polyethylenterephthalat) mit Biokata-lysatoren aus der Klasse der Oxidoreduktasen. Die dauerhafte Immobilisierung der kom-merziell verfügbaren Peroxidasen Baylase® und MaxiBright® gelang unter Erhalt der bio-katalytischen Aktivität mit Hilfe der Vernetzungsreagenzien Glutardialdehyd, Rowaflex® und CoatOSil®.
Dafür wurde eine Methode erarbeitet, die eine Ausrüstung des textilen Trägermaterials in mehreren verfahrenstechnischen Schritten beinhaltet. Im ersten Schritt werden die Polyesterfasern mit Polyvinylamin vorfunktionalisiert. Hierdurch werden Aminogruppen an der Polymeroberfläche etabliert, die z.B. mittels des aminogruppenspezifischen TNBS-Assays qualitativ nachgewiesen wurden. Im zweiten Schritt der Methode wurden die Peroxidasen über verschiedenen Ankergruppen durch chemische Bindungen an die Polymeroberfläche fixiert.
Der Erfolg der durchgeführten Experimente wurde über unterschiedliche qualitative sowie quantitative Analysemethoden wie der Gravimetrie, UV/Vis-Spektroskopie, optische Emissionsspektrometrie sowie Rasterelektronen-, Rastersonden-, Digital- und Fluoreszenzmikroskopie nachgewiesen. Dabei ergaben die Untersuchungen, dass in Gegenwart von Rowaflex® bis zu 80 mg Peroxidase/1 g Textil immobilisierbar sind. Die entsprechenden Aktivitätsmessungen ergaben eine rasche Desorption von lediglich adsorptiv gebundener Peroxidase schon nach der ersten Wiederverwertung. Im Gegensatz dazu zeigte die am modifiziertem Textil gebundene Peroxidase eine deutliche und gleichbleibend hohe bio-katalytische Aktivität von ca. 20 U/1 g Textil bezüglich der betrachteten Modellreaktion (Oxidation von ABTS) über mindestens 28 Reaktionszyklen. Der zusätzliche Einsatz eines Vernetzters verdoppelte die katalytischen Aktivität auf 40 U/1 g Textil unter Erhalt der Aktivität über mehrere Reaktionszyklen.
Mit der vorliegenden Arbeit wurde somit die Grundlage für die erfolgreiche Immobilisierung von Peroxidasen an textilen Trägern aus Polyethylenterephthalat gelegt. Dabei zeichnen sich textile Materialien gegenüber anderen Trägern vor allem durch ihren geringen Preis, ihre gute Durchströmbarkeit, ihre flexible Konstruktion, ihre mechanische Robustheit und insgesamt einfachen Handhabbarkeit aus. Gleichzeitig wurde die Verwendung derartig fasergebundener Peroxidasen bei der Bleiche von mit Lebensmittelfarbstoffen gefärbter Molke innerhalb der Käseerzeugung untersucht. Auch im wiederholten Einsatz war es möglich, mit Norbixin gefärbte Molke, wie sie etwa als Nebenprodukt bei der Herstellung von Cheddar-Käse anfällt, in Gegenwart von faserfixierten Peroxidasen mit Hilfe von Wasserstoffperoxid unter schonenden Bedingungen (pH = 4 bis 7, T = RT bis 30 °C) zu bleichen. Darüber gelang im Untersuchungszeitraum ein UpScale der Molkeblei-che von wenigen Millilitern bis hin zu aufeinanderfolgenden 10 L-Batches.
Die Verwendung der Vernetzer Rowaflex® und CoatOSil® wurde im Zusammenhang mit textilen Trägern und dem hier untersuchten Modellenzym Peroxidase bisher nicht beschrieben. Die vorliegende Arbeit erweitert somit den aktuellen Kenntnisstand im Bereich der Technischen Textilien mit katalytischen Eigenschaften und kann grundsätzlich auch auf andere Katalysatorsysteme übertragen und dort gegebenenfalls genutzt werden.The following dissertation is a study on the permanent finishing of synthetic polyethylene terephthalate textiles with biomolecules. Three kind of crosslinking reagents glutardialdehyde, Rowaflex® and CoatOSil® were used to immobilize oxidoreductases (Baylase® and Maxibright®) while maintaining their bio-catalytic activity.
A method, which includes several process steps in the finishing of the polyester carrier material has been developed. In the first step, the polyesters are prefunctionalized with polyvinylamine. In this way, amino groups are attached to the polymer surface, which were qualitatively determined by the TNBS-assay. In the second step the peroxidases were fixed to the polymer surface by chemical bonds using different kind of anchor groups.
The success of the experiments was demonstrated by various qualitative and quantitative analysis methods such as gravimetric measurements, UV/Vis spectroscopy, optical emission spectrometry as well as scanning electron-, scanning probe-, digital- and fluorescence microscopy. The investigations showed the maximum amount of immobilizable peroxidase of 80 mg/1 g of textile can be achieved by using Rowaflex® as crosslinker. The corresponding activity measurements showed a rapid desorption of adsorbed bound peroxi-dase after the first reuse. In contrast, the peroxidase covalently bound to the modified textile showed a clear and constant high biocatalytic activity of about 20 U/1 g of textile, under consideration to the model reaction (oxidation of ABTS) at least 28 reaction cycles. The catalytic activity even doubled to 40 U/1 g of textile by additional use of a crosslinker, without significant loss of activity over several reaction cycles.
This work shows a successful immobilization of peroxidases on a textile carrier of poly-ethylene terephthalate with three crosslinker-additives. Especially textile materials are advantageous compared to other carriers by their low price, good flowability, flexible con-struction, mechanical robustness and overall easy handling. At the same time, the use of such fiber-bound peroxidases was investigated during the bleaching of whey, which is dyed with foodstuffs within cheese production. It was possible to use the immobilized peroxidase in repeated use to bleach norbixin-colored whey under gentle conditions (pH = 4 – 7, T = RT – 30 °C). In the period of investigation, an upscale from a few millilitres to successive 10 L batches of whey bleaching was achieved.
The use of the crosslinker-additives Rowaflex® and CoatOSil® has not been described in connection with textile carriers and the model enzyme peroxidase yet. The present work expands the current state of knowledge in the area of technical textiles with catalytic properties and can in principle be transferred to other catalyst systems
Prototyping and empirical evaluation of discrete operations for the collaborative interaction of multiple users on touch sensitive wall size displays
No full textDie Arbeit beschäftigt sich mit der nutzerzentrierten Entwicklung und anschließender Evaluation von Systemen zur kollaborativen Lösungsfindung an großen interaktiven Wandbildschirmen am Beispiel des gemeinsamen Clusterns von Ideen. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt neben auf der Entwicklung eines geeigneten Interaktionsdesigns für diesen geteilten Arbeitsbereich sowie der Definition und Ableitung von geeigneten Evaluationskriterien für den entsprechenden Kontext des entworfenen Kollaborationsszenarios, auf der Methodik der Evaluation durch die Kombination aus Erhebungs- und Bewertungsinstrumenten. Hervorzuheben ist hierbei der zeitgleiche Einsatz aus Logging von Nutzerinteraktion und Videoaufzeichnung des geteilten Arbeitsbereichs, weil durch die spätere Kombination, der mit diesen Methoden in Experimenten erhobenen Daten, detaillierte Analysen und Visualisierungen des Gruppenarbeitsprozesses, sowie der zugrundeliegenden Interaktionskonzepte, nach verschiedensten wissenschaftlichen Fragestellungen ermöglicht werden.
Neben dem Beitrag zur Forschungsmethodik liefert die Arbeit auch einige konkrete Erkenntnisse zur kollaborativen Arbeit an interaktiven Wanddisplays. So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass Multi-Touch Sensorik kein notwendiges Kriterium für die Zusammenarbeit mehrerer Nutzer an einer interaktiven Wand ist, sondern auch Single-Touch-Sensorik ausreichend ist, wenn das Interaktionskonzept die diskrete Zerlegung von Interaktionen erlaubt. Ebenfalls wird gezeigt, dass genau diese diskrete Zerlegung von Interaktionen in einzelne Berührungsoperationen vorteilhaft für den kollaborativen Arbeitsprozess an einer interaktiven Wand ist, weil den Benutzern dadurch ermöglicht wird sich gegenseitig auszuweichen, was bei Interaktionskonzepten mit kontinuierlichem Kontakt, wie z.B. Drag-&-Drop nicht möglich wäre. Auch bei der Frage nach den Vorteilen einer Benutzerunterscheidung durch zusätzliche Sensorik zur Reduktion der Interaktionsanzahl und einer damit verbundenen Verbesserung der Arbeitseffizienz, konnte gezeigt werden, dass durch eine Koppelung des Interaktionsstatus an die einzelnen Mitglieder einer Gruppe zwar die Anzahl der Interaktionen verringert werden kann, durch diese Koppelung aber eine individuelle Autarkie der Gruppenmitglieder entsteht, welche die Möglichkeit zur kollaborativen Interaktion mit anderen Gruppenmitgliedern unterbindet.The work deals with the user-centered development and the subsequent evaluation of systems for collaborative solution finding on large interactive wall size displays, using collaborative clustering as an example application. In addition to the development of a suitable interaction design for this shared work space and the definition and derivation of suitable evaluation criteria for the corresponding context of the given collaboration scenario, the focus of this work is on the methodology of evaluation through the combination of survey and evaluation tools. Of particular note is the simultaneous use of logging user interaction and video recording of the shared workspace, because the ensuing combination of data collected with these methods in experiments allows detailed analyzes and visualizations of the groups work process and the underlying interaction concepts, according to various scientific questions.
Besides the contribution to research methodology, the work also provides some concrete insights into collaborative work on interactive wall size displays. For example, it has been shown that the availability of multi-touch is not a necessary criterion for multi user collaboration on an interactive wall, but that single touch sensor technology is sufficient, if the interaction concept allows discrete decomposition of interactions. It is also shown that it is precisely this discrete decomposition of continuous interactions into individual touch operations that is beneficial to the collaborative work process on an interactive wall, allowing users to evade one another. Also the benefits of a user distinction by additional sensors in order to reduce the number of interactions for an associated improvement in work efficiency is examined. Hereby it is shown, that although coupling the interaction status to individual users can reduce the number of interactions, this coupling also creates an individual interactive isolation of the group members, which prevents the possibility for collaborative interaction with other group members
Multichannel power line communication
Full text linkPower line communication (PLC) is the technology in which the data signals of a communication system are transmitted through the conductors of a power delivery infrastructure. The unique environment of the PLC channels create specific challenges and requirements, which need to be modeled and analyzed properly in order to obtain a clear understanding of the communication system as well as attaining the ability to further improve the performance and reliability of the transmission. Moreover, the demand for increased data throughput as well as increased reliability and robustness of the transmission is of fundamental importance in any communication system as it is in PLC systems. In order to address these challenges and demands, the concept of multichannel PLC is studied and developed in this thesis. Multichannel PLC in this context is referred to the transmission of multiple information-carrying signals though the power line channel from one source to one destination.
We study multiple scenarios of multichannel data transmission in order to cover the diverse situations and requirements of a PLC transmission. One of the multichannel scenarios discussed in this thesis is the multiple-input multiple-output (MIMO) transmission, in which multiple data signals are transmitted via spatially separated PLC channels. Another scenario discussed in this thesis is the cooperative transmission between the source and destination of a PLC system by means of intermediate relay nodes in the network. Finally, the multiband transmission by utilizing different parts of the available PLC spectrum is studied. The core objective of this thesis is to develop and study novel algorithms and models to address the challenges and problems introduced in different scenarios of the multichannel PLC. These problems can be categorized as the channel selection problem for MIMO transmission, the relay selection problem for the cooperative communication, and the spectrum assignment problem for the multiband transmission. The basis of all these problems is a decision making problem, which can greatly influence the performance of the system.
To address these decision making problems, a powerful mathematical tool, namely the multi-armed bandit model, is used to model the different problems emerging in different scenarios of the multichannel PLC. This modeling approach is then used as a building block for developing machine learning algorithms in order to solve the aforementioned selection problems. Finally, novel machine learning algorithms are developed and their performances are analyzed and assessed. It is shown that the machine learning approach can considerably improve the performance of the multichannel PLC systems compared to the existing state of the art approaches, by enabling the selecting agent, i.e. the PLC transmitter, to perform intelligent decisions which improves the overall performance.Die Power-Line-Communication (PLC) ist die Technologie, bei der die Datensignale eines Kommunikationssystems über die Leiter einer Energieversorgungsinfrastruktur übertragen werden. Die einzigartige Umgebung der PLC-Kanäle stellt konkrete Herausforderungen und Anforderungen dar, die modelliert und analysiert werden müssen, um ein klares Verständnis des Kommunikationssystems zu erhalten und die Fähigkeit zur Verbesserung der Leistung und Zuverlässigkeit der Übertragung zu erreichen. Darüber hinaus ist in Kommunikationssystem die Nachfrage nach erhöhtem Datendurchsatz, sowie erhöhter Zuverlässigkeit und Robustheit der Übertragung von grundlegender Bedeutung. Um diesen Herausforderungen und Anforderungen gerecht zu werden, wird in dieser Arbeit das Konzept der Mehrkanal-PLC untersucht und weiterentwickelt. Die Mehrkanal-PLC wird in diesem Zusammenhang auf die Übertragung mehrerer informationstragenden Signale über den PLC-Kanal von einer Quelle zu einem Ziel bezogen.
Wir untersuchen mehrere Szenarien der Mehrkanal-Datenübertragung, um die vielfältigen Anforderungen einer PLC-Übertragung zu behandeln. Eines der in dieser Arbeit besprochenen Mehrkanal-Szenarien ist die Multiple-Input-Multiple-Output-Übertragung (MIMO), bei der mehrere Datensignale über räumlich getrennte PLC-Kanäle übertragen werden. Ein weiteres Szenario, das in dieser Arbeit diskutiert wird, ist die kooperative Übertragung zwischen der Quelle und dem Ziel eines PLC-Systems mittels Zwischenrelais als Knoten im Netzwerk. Schließlich wird die Multiband-Übertragung unter Verwendung unterschiedlicher Teile des verfügbaren PLC-Spektrums untersucht. Das Kernziel dieser Arbeit ist es, neuartige Algorithmen und Modelle zu entwickeln und zu untersuchen, um die Herausforderungen und Probleme zu lösen, die in verschiedenen Szenarien der Mehrkanal-PLC existieren. Diese Probleme sind als das Kanalauswahlproblem für die MIMO-Übertragung, das Relaiauswahlproblem für die kooperative Kommunikation und das Spektrum-Zuweisungsproblem für die Multibandübertragung kategorisiert werden. Die Basis all dieser Probleme ist ein Entscheidungsproblem, das die Leistungsfähigkeit des Systems stark beeinflussen kann.
Um diese Probleme lösen zu können, wird ein mathematisches Werkzeug, nämlich das mehrarmige Bandit-Modell, verwendet, um die verschiedenen Probleme zu modellieren, die sich in verschiedenen Szenarien der Mehrkanal-PLC ergeben. Dieser Modellierungsansatz wird als Baustein für die Entwicklung von maschinellen Lernalgorithmen verwendet, um die zuvor beschriebenen Auswahlprobleme zu lösen. Schließlich werden neuartige maschinelle Lernalgorithmen entwickelt und ihre Leistungen analysiert sowie bewertet. Es zeigt sich, dass der maschinelle Lernansatz die Leistungsfähigkeit der Mehrkanal-PLC-Systeme im Vergleich zu den bestehenden Ans\"atzen des Standes der Technik erheblich verbessern kann, indem es dem Auswahlagenten, d.h. dem PLC-Sender, ermöglicht, intelligente Entscheidungen durchzuführen, die die Gesamtleistung verbessern
Evaluierung der dynamischen kontrastmittelverstärkten magnetresonanztomographischen Perfusionsbildgebung im Bereich der Extremitätenmuskulatur am narkotisierten Schwein
Full text linkUm die Strahlentherapie maligner Tumore effektiver durchzuführen, ist die Kenntnis funktioneller Gewebeparameter, wie z.B. der Perfusion, von großem Interesse, da eine höhere Sauerstoffversorgung eines Gewebes eine erhöhte Strahlensensitivität zur Folge hat. So könnte die Bestimmung der Perfusion eine an Gewebeeigenschaften angepasste Radiotherapie ermöglichen. Als ein prinzipiell geeignetes Verfahren zur ortsaufgelösten parametrischen Bildgebung solcher Gewebeparameter gilt die dynamisch kontrastmittelverstärkte Magnetresonanztomographie (DCE-MRI). Auf dem Weg der Einführung dieser Methode in die klinische Anwendung war es das Ziel dieser Arbeit, eine tierexperimentelle Validierung der Perfusionsbildgebung durchzuführen. Es wurde als Gewebe Skelettmuskulatur gewählt, da diese hinsichtlich ihrer niedrigen Ruheperfusion einigen Tumoren gleicht und gleichzeitig eine hohe Perfusionsreserve besitzt. An 6 weiblichen Hausschweinen wurden jeweils 3 dynamische magnetresonanztomographische (MRT) Messungen an einem Hinterlauf durchgeführt. Für die dynamischen Messungen wurden jeweils ein hochmolekulares und ein niedermolekulares Kontrastmittel mit unterschiedlicher Pharmakokinetik benutzt. Die Messungen erfolgten während 3 verschiedener Perfusionszustände, welche durch intraarterielle Gabe von Adenosin in die Arteria femoralis generiert wurden. Als Referenz wurde mittels einer Ultraschalldoppler-sonde der Blutfluss in der zuführenden Arteria femoralis bestimmt. Aus den MRT-Messungen wurden in der nachfolgenden Auswertung als Parameter relative Blutvolumina in verschiedenen Gewebesegmenten des Schweinehinterlaufes bestimmt und diese mit den per Ultraschall gemessenen Blutflüssen korreliert. Im Ergebnis zeigen sich positive Korrelationen zwischen dem Blutfluss und den relativen Blutvolumina in allen Muskelsegmenten, welche in zwei Muskelsegmenten signifikant (p<0,05) waren. Das hier etablierte experimentelle Vorgehen erwies sich als robust und gut geeignet für das Vorhaben. Jedoch wurde in der hier durchgeführten Validierung nur ein einziger Parameter betrachtet (relatives Blutvolumen). Vor klinischer Anwendung der Methode sollten weitere Validierungen funktioneller Parameter angepasst an das zu untersuchende Gewebe erfolgen. Dabei kann die Anwendung neuerer Kompartimentmodelle, wie z.B. der 4-Parameter-Modelle hilfreich sein
Mid-infrared absorption sensor for CO concentration and temperature measurements for pyrolysis and oxidation behind reflected shock waves
Full text linkDue to the increasing energy demand and the related environmental issues, combustion effi-ciency and reduction of pollutants emission have become a major concern for combustion ap-plications. In combustion, pollutant formation and fuel ignition are controlled by chemical kinetics, therefore, the design and optimization of combustion systems heavily relies on an accurate understanding of the underlying chemical processes. While combustion processes are governed by an interaction of chemical kinetics and transport processes, for gaining funda-mental understanding it is beneficial to separate both processes. To this end, shock tubes are frequently applied to generate a uniform gas phase environment for a wide range of tempera-tures and pressures that is suited for initiating reactions with subsequent time-resolved detec-tion. The combination of shock tube technique and laser absorption spectroscopy provides the platform for accurate chemical kinetic studies. Infrared laser absorption diagnostics have been widely applied in combustion research for example for in situ, fast, and sensitive measure-ments of temperature, pressure, and species concentrations.
In the present study, laser absorption spectroscopy of carbon monoxide (CO) near 4.7 µm has been developed for the sensing of temperature and CO concentration behind the reflected shock wave. The sensor was further developed to enable fiber-based thermometry for more flexible applications in harsh environments. The oxidation of fuel-rich CH4/O2 mixtures, the thermal decomposition of anisole (C6H5OCH3), and the pyrolysis of acetylene (C2H2) and benzene (C6H6) were investigated by monitoring the CO concentration and temperature based on two-line absorption thermometry. The experimental data were applied for validation of reaction mechanisms covering different kinetics conditions such as single elementary reaction, partial oxidation, and soot formation.
The oxidation of fuel-rich CH4/O2 mixtures was investigated to validate reaction mechanisms for reaction conditions that are important for polygeneration processes where partial oxidation allows to convert natural gas to higher-value chemicals. With the presences of dimethyl ether (DME) and n-heptane, the initial reaction temperature is significantly reduced because they promote the production of additional OH radicals.
Anisole has recently been identified as fluorescence tracer for fuel/air mixing studies, but its decomposition kinetics were not yet fully understood. In the investigation of thermal decom-position of anisole at elevated temperatures, the literature model was found to strongly under-estimate the CO formation. As main reaction path for CO formation, the unimolecular decom-position of phenoxy radical (C6H5O) was investigated independently and new rate constants were determined.
Soot formation from combustion is of high scientific interest. The temperature dependence as well as the influence of H2, O2, and CH4 on soot formation in the pyrolysis of C2H2 and C6H6 were investigated. The temperature dependence of the soot yield and the particle formation induction time were found to be in a good agreement with literature data. The presence of H2 led to a depletion of the particle formation in both systems whereas the opposite trend yield was observed in the presence of CH4 and O2.Aufgrund des steigenden Energiebedarfs durch die industrielle Entwicklung ist der Schutz der Atmosphäre die wichtigste Aufgabe unserer Zeit. Das Interesse in modernen, umwelt-freundlichen Verbrennungssystemen hat zu Verbesserung der Verbrennungseffizienz und zur Verringerung der Schadstoffemissionen geführt. Das Design und die Optimierung von Ver-brennungssystemen beruht auf einer genauen Modellierung elementarer, chemischer Prozesse.
Infrarot-Laserabsorptionsdiagnostik ist eine hochentwickelte Diagnostik in der Verbrennungs-forschung für schnelle, hochsensitive in-situ Messungen von Temperatur, Druck, und Spezies-konzentrationen. Stoßwellenrohre sind einfache und robuste Instrumente, die eine homogene Gasphasenumgebung in einem großen Temperatur- und Druckbereich erzeugen. Die Kombina-tion aus Stoßwellentechnik und Laserabsorptionsspektroskopie bietet eine Plattform für akku-rate, chemische kinetische Untersuchungen.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Laserabsorptionsspektroskopie von Kohlenmonoxid (CO) nahe 4.7 μm für die Erfassung von Temperatur und CO-Konzentration hinter den reflek-tierten Stoßwellen entwickelt. Des Weiteren wurde der Sensor als faserbasiertes Thermometer für flexible und robuste Anwendungen weiterentwickelt. Die Oxidation von fetten Methan (CH4)/Sauerstoff (O2) Gemischen, der thermische Zerfall von Anisol (C6H5OCH3) sowie die Pyrolyse von Acetylen (C2H2) und Benzol (C6H6) wurden in der Gasphase im Stoßwellenrohr in Kombination mit der CO-Thermometrie untersucht.
Die experimentellen Daten wurden mit Simulationen auf der Basis ausgewählter Reaktions-mechanismen verglichen. Bei der Oxidation von fetten CH4/O2 Mischungen senkten die Addi-tive Dimethylether (DME) und n-Heptan die anfängliche Reaktionstemperatur signifikant, indem sie zusätzliche OH-Radikale erzeugen. Keiner der Mechanismen ist für chemische Umwandlungsreaktionen optimiert. Die CO-Bildung wird beim thermischen Zerfall von Anisol nur schlecht vom Modell wiedergegeben. Die Reaktionsgeschwindigkeit des unimole-kularen Zerfalls des Phenoxyradikals (C6H5O) wurde experimentell bestimmt.
Bei der Pyrolyse von C2H2 und C6H6 wurde die Temperaturabhängigkeit der Rußbildung und deren Induktionszeit mittels Laserlicht-Extinktion gemessen und eine gute Übereinstimmung mit der Literatur gefunden. Die Anwesenheit von Wasserstoff (H2) führte zu einer Reduktion der Partikelbildung in beiden Systemen, wohingegen ein entgegengesetztes Verhalten bei der Rußbildung in Anwesenheit von CH4 und O2 bei C2H2 und C6H6 beobachtet wurde
Nutzung & Gestaltung als Einflussfaktoren für die Kriminalitätsrate einer Stadt. Eine Untersuchung am Beispiel der Stadt Recklinghausen
Full text linkSicherheit ist ein weltweit diskutiertes Thema, das zunehmend an Aufmerksamkeit gewinnt. Zurzeit ist mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung in Städten ansässig. In einer Stadt zu leben bietet auf der einen Seite vielfältige Möglichkeiten, individuellen Wohlstand zu erhöhen, kulturelle und soziale Angebote zu nutzen oder insgesamt die Lebensqualität zu verbessern. Auf der anderen Seite ist die Stadt mit zahlreichen Herausforderungen konfrontiert, zu denen Kriminalität und soziale Konflikte gehören. Objektive und subjektive Sicherheit zählen zu den bedeutenden Faktoren für die urbane Lebensqualität. Angesichts des gegenwärtigen Re-Urbanisierungstrends wird die Frage nach dem Grad städtischer Lebensqualität künftig weiter in den Vordergrund rücken. Städte verändern sich aufgrund des ständigen Wandelns der Gesellschaft auf politischer, wirtschaftlicher, demographischer und kultureller Ebene. Ständiger Bevölkerungszuwachs der Städte und Migration aus den ländlichen Bereichen hat dazu beigetragen, soziale Ungleichheit und ungerechte Verteilung zu verstärken. Die in manchen Städten stetig zunehmende Kriminalität wird im Zusammenhang mit dem o.g. Wandel gesehen, urbane Sicherheit bleibt damit als eine dauerhafte Herausforderung bestehen. Angesichts der Tatsache, dass die Sicherheit zu den menschlichen Grundbedürfnissen zählt und ein Mangel an objektiver und subjektiver Sicherheit diverse Probleme zur Folge hat, gewinnen die Kriminalitätsprävention sowie wirksame Maßnahmen zur Kriminalitätsreduktion zunehmend an Bedeutung. Städtebauliche Kriminalitätsprävention kann positive Ergebnisse erzielen. Denn städtebauliche Konzepte können Tatgelegenheiten verhindern oder erschweren und damit eine große Rolle bei der Kriminalitätsprävention spielen. Zu diesem Zweck ist die Frage nach städtebaulichen Einflussfaktoren auf die Kriminalitätsrate zu beantworten. Mit diesen Erkenntnissen können geeignete Konzepte für die Steigerung der Sicherheit in der Stadt erarbeitet werden.
Vor diesem Hintergrund ist die städtebauliche, kriminalitätspräventive Aufenthaltsqualität des öffentlichen Raums ein wichtiger Faktor zur Steigerung der Sicherheit – auch unter dem Gesichtspunkt der Präsenz von Personen. Die städtebauliche Nutzungsmischung kann dabei eine wichtige Rolle spielen. Die Nutzungsmischung eines Stadtquartiers wird als Anreiz für die verstärkte Präsenz und Belebung öffentlicher Räume und angrenzender Gebäude zu unterschiedlichen Tageszeiten betrachtet.
Diese Arbeit verfolgt die Frage, ob eine enge Verknüpfung zwischen der Nutzungsmischung eines Stadtquartiers und der Kriminalitätsrate in diesem Bereich besteht. Zudem wird diese Frage differenziert gestellt, ob die Stadtform und die Jahreszeit sowie der Tag und die Nacht Einflussfaktoren auf Kriminalitätsrate darstellen. Der Grundgedanke ist dabei, durch mehr Menschen eine erhöhte soziale Kontrolle im öffentlichen Raum zu schaffen und dadurch kriminelle Gelegenheiten zu verringern.
In dieser vorliegenden Dissertation wurden in der Stadt Recklinghausen die drei Stadteile „Süd“, „König Ludwig“ und „Hochlarmark“ als Fallstudien ausgewählt. Für die Kriminalitätsuntersuchung wurden die Delikte Körperverletzung, Diebstahl und Wohnungseinbruch selektiert. Die Daten für diese Forschungsarbeit wurden vom Ministerium für Inneres und Kommunales des Landes Nordrhein-Westfalen zur Verfügung gestellt. Mittels der GIS-Software wurden Kriminalität-Hotspots in den o. g. Stadtteilen für die Jahre 2011 und 2013 und für die vier Jahreszeiten sowie für den Tag und die Nacht herausgefiltert sowie anschließend miteinander verglichen und analysiert. Die Analysen erfolgten sowohl quantitativ als auch qualitativ. Im Zuge dessen wurde der Stadtteil mit der höchsten Kriminalitätsrate sowie die Deliktart mit der höchsten Rate in einem Stadtteil herauskristallisiert. Mittels Hotspot-Bildern wurde eine qualitative Analyse vorgenommen und die städtebaulichen Faktoren, die einen Einfluss auf die Kriminalität haben, untersucht. Laut der Analyseergebnisse kann die Nutzungsmischung die Kriminalitätsrate (in Bezug auf die Sozialstruktur und sozialökonomische Situation der Bewohner der drei ausgewählten Stadteile) reduzieren. Zusätzlich können städtebauliche Merkmale die natürliche Überwachung und soziale Kontrolle erhöhen und damit die Kriminalitätsrate reduzieren. Darüber hinaus wurde auch gezeigt, dass Tag- und Nachtzeiten einen Einfluss auf die Kriminalitätsrate haben können.Security is a subject of global concern, which is gaining increasing attention. More than half of the world’s population now lives in urban areas. Living in a city provides a wide range of opportunities to increase individual prosperity, having cultural and social offerings or in general enhance the quality of life. On the other hand, cities are confronted with numerous challenges, including crime and social conflicts. Objective and subjective security are among the most important factors for urban quality of life. In view of the current re-urbanization trend, the question of the level of urban quality of life will continue to come to the fore. Cities are changing because of the constant transformation of society at political, economic, demographic and cultural levels. Permanent urban population growth and migration from rural areas have intensified social inequality and unfair distribution. The increasing incidence of crime in some cities is linked to the above-mentioned changes, so that security remains a permanent challenge for cities. As a result of the fact that security is one of the basic human needs and lack of objective and subjective security causes enormous problems, crime prevention as well as effective measures for crime reduction are becoming increasingly important. Urban crime prevention can produce positive results. City planning concepts can deter and hinder crime, thus play a major role in crime prevention. For this purpose, the impact of urban factors on the crime rate must be considered. With these findings, appropriate concepts for increasing safety in urban areas can be developed.
Against this background, the urban, crime-preventive quality of life in public spaces is a fundamental factor in increasing security, and as a result presence of people. In this regard, mixed use can play an important role. Mixed use of a city quarter is considered an incentive to increase the presence and revival of public spaces and adjacent buildings operation at different times of the day.
This study addresses the question of whether there is a close link between the mixed use of a city quarter and the crime rate. In addition, this question is differentiated, whether the city form, the season as well as the day and the night are the influencing factors on the crime rate. The basic idea is to create greater social control in public spaces through having more people, thereby reducing criminal opportunities.
In this dissertation, the three districts of the city of Recklinghausen „Süd", "König Ludwig", and "Hochlarmark" were chosen as case studies. For the crime investigation the offenses were selected in personal injury, theft, and housebreaking. The data for this research topic was made available by the Ministry of Interior and Communal of the State of Nordrhein-Westfalen. By means of the GIS software, crime hotspots in the above-mentioned districts were filtered out for the years 2011 and 2013, for the four seasons as well as for the day and night, and then compared and analyzed. The analysis was carried out both quantitatively and qualitatively. In the course of this, the district with the highest crime rate as well as the type of offence with the highest rate in a district was acquired. Qualitative analysis was carried out by means of hotspot images and urban factors which have impact on the crime rate. According to the results, the mixed use can reduce the crime rate (with regard to the social structure and socio-economic situation of the inhabitants of the three selected districts). In addition, urban planning characteristics can increase natural monitoring and social control, thus reducing the crime rate. Finally, it was also shown that day and night time can have an effect on the crime rate
Spawn & Merge - A programmingmodel for deterministic synchronization of distributed systems
Full text linkBestehende Ansätze zur deterministischen Ausführung führen alle Codebereiche einer Anwendung voll-deterministisch aus, was mit hohen Performancekosten und einem Verlust der Skalierbarkeit einhergeht. In dieser Arbeit wird ein Programmiermodell entwickelt, das eine skalierbare deterministische Ausführung einer verteilten Anwendung mit geringeren Performancekosten (gegenüber vollem Determinismus) ermöglicht.
Dazu wird das Konzept des Determinismus auf Applikationsebene eingeführt, das im Gegensatz zu vollem Determinismus die deterministische Ausführung auf diejenigen Codebereiche beschränkt, deren nebenläufige Ausführung einen Einfluss auf das deterministische Ergebnis hat. Das darauf aufbauende Spawn & Merge Programmiermodell ermöglicht die automatisierte Entscheidung, ob die Ausführungsreihenfolge zweier Codebereiche für ein deterministisches Ergebnis beibehalten werden muss. Die Evaluation eines Prototyps für Spawn & Merge in Verteilten Systemen zeigt, dass verteilte Spawn & Merge Anwendungen, die einen hohen parallelisierbaren Anteil haben, effizient skalieren können (bis zu 100% der maximal erreichbaren Beschleunigung), während eine deterministische Ausführung der Anwendungslogik garantiert wird.
Dem Performancegewinn stehen die Kosten für die Mechanismen gegenüber, die den Determinismus der Anwendung ermöglichen und sich aus den Kosten für die intern verwendete Operational Transformation (OT) und den eingeführten Wartebedingungen zusammensetzen. Der Großteil der potenziellen Wartebedingungen wird durch ein internes dynamisches Scheduling der parallel ausgeführten Anteile der Anwendung verhindert. Die verbleibenden Wartebedingungen wurden durch ein angepasstes OT-System, das eine effiziente deterministische Zusammenführung in beliebiger Reihenfolge ermöglicht, weiter reduziert. Die Höhe der OT-Kosten ergibt sich aus der Anwendung und kann einen Großteil der Ausführungszeit einnehmen (im Worst Case bis zu 97,5% in den durchgeführten Messungen), wenn viele Modifikationen an geteilten Datenstrukturen durchgeführt und häufig zu parallel ausgeführten Anteilen der Anwendung synchronisiert werden. Das liegt an der Berechnungskomplexität O(n^2) der verwendeten OT-Systeme. Die OT-Kosten sind allerdings für eine Anwendung konstant (für feste Eingabedaten). Somit sinkt der Anteil der OT-Kosten an der Gesamtlaufzeit bei steigender Parallelität. Die Eignung von Spawn & Merge für eine Anwendung ist somit abhängig vom parallelisierbaren Anteil, der Anzahl durchgeführter Modifikationen an geteilten Datenstrukturen und der Häufigkeit von Synchronisationen innerhalb der Anwendung.Existing approaches for deterministic execution run all code sections in a fully deterministic manner, resulting in high performance costs and a loss of scalability. In this thesis we develop a programming model for a scalable deterministic execution of distributed applications, which introduces less performance costs than fully deterministic systems.
We introduce the concept of Application-level Determinism, which, in contrast to full determinism, limits the deterministic execution to code sections that potentially influence the deterministic result of the application when executed concurrently. Based on this concept, the Spawn & Merge programming model automates the decision whether the execution of two code segments must be kept in order to maintain a deterministic result. The evaluation of a prototype of Spawn & Merge for distributed systems shows that applications with a high share of parallelizable code can scale efficiently (achieve up to 100% of maximum speedup possible) and guarantee the deterministic and reproducible execution of the application logic.
The performance gain competes with the costs for the determinism-enforcing mechanisms used by Spawn & Merge: Operational Transformation (OT) and waiting conditions introduced. The majority of potential waiting conditions is automatically dealt with by internal dynamic scheduling of the parallel parts of the application. The remaining waiting conditions are further reduced by introducing a modified OT system that allows for an efficient deterministic merge in any given order. The costs for OT depend on the application and can take up most of the execution time (up to a worst case of 97,5% in the performed measurements) when many modifications of shared data structures are performed and when there is a high amount of synchronization between the parts of the application that are executed in parallel. This is due to the computational complexity of O(n^2) for the OT systems used. However, these costs for OT are constant for an application for a given input. Thus, the share of OT on the overall application runtime reduces with rising parallelism. Therefore, the feasibility of Spawn & Merge for an application depends on the parallelizable share of the application, the amount of performed modifications of shared data structures, and the amount of internal synchronizations