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Mikrokalorimetrische Untersuchungen der Biolaugung von Kupfersulfiden
No full textThe aim of this work is the establishment of a microcalorimetric determination method to assign the chemical and biological degradation of copper sulfides (chalcopyrite, chalcocite and covellite). This study included the screening for microorganisms for copper sulfide bioleaching, the verification of microcalorimetric determination with different ore types and various temperatures and the thermodynamic calculation of the reaction energy ΔrU by means of the measured heat output and the determined iron, copper and sulfate ions in the leachate. During this work microscopic observation of the microbial attachment towards chalcopyrite and the cuprous copper stability within the leachate were made.
After the adaptation of the leaching set-up during mesophilic bioleaching up to 9 % iron and 8 % copper could be recovered, during moderate thermophilic bioleaching up to 25 % iron and 12 % copper could be leached from chalcopyrite and during the bioleaching with thermophilic archaea up to 7.4 % iron and 24 % copper could be recovered. In general for every condition sterile controls leached only 25-50 % of the total iron and copper recovered by bioleaching.
Chalcocite leaching showed in the mesophilic temperature range up to 17 % copper recovery by chemical leaching and bioleaching. In contrast, with moderate thermophilic leaching only 17 % copper were leached chemically, but up to 41 % was due to bioleaching. Copper recovery during bioleaching of covellite was similar for the mesophilic and moderate thermophilic temperature ranges, i.e. 2 -15 %. During the experiments high pH values (pH > 2.5) and copper concentrations (Cu > 100 mM) were reached.
Up to 82 %, 90 % or 85 % of the recovery rates of the standard reaction energy calculated for the dissolution of chalcopyrite were calculated via microcalorimetry for mesophiles, moderate thermophiles and thermophiles, respectively. If the recovery rate of the standard reaction energy is underestimated, not all bonds within the chalcopyrite are broken and not all energy is released. Precipitation of ions (especially iron ions) could lead to an overestimation of the recovery rate.
For mesophilic chalcocite leaching 5-12 % and for moderate thermophilic leaching 32-38 % of the standard reaction energy could be detected via microcalorimetry. However, for covellite leaching 10-15 % of the standard reaction energy could be detected regardless of the temperature.
Though microcalorimetry is suitable for the assessment of bioleaching activity with chalcopyrite ores, in this study it is rather not a suitable technique for chalcocite or covellite bioleaching. However, this might be exclusively due to the used minerals themselves.
The biofilm formation on chalcopyrite was followed by the Confocal Laser microscopy. The images of microbially colonized chalcopyrite showed that the population density differed with the conditions under which the microorganisms were pre-grown. Iron sulfate and pyrite pre cultivated microorganisms showed higher attachment to chalcopyrite than chalcopyrite pre-cultivated ones. Sulfur pregrown cells were easily detachable from the mineral during the staining procedure. A high coverage of chalcopyrite by attached microorganisms does not correlate with an enhanced extraction of copper.
During the leaching experiments considerable amounts of cuprous copper could be determined within the leachate of chalcopyrite. Based on colorimetric determination of the copper speciation in solution significant amounts (up to 80 % of the total concentration) of copper were found to be present as cuprous copper.Ziel der Arbeit ist die Etablierung einer mikrokalorimetrischen Untersuchungsmethode zur Bestimmung des chemischen und biologischen Abbaus von Kupfersulfiden (Chalkopyrit, Chalkosit und Covellit). Diese Studie beinhaltet die Selektion von Mikroorganismen für die Biolaugung von Kupfersulfiden, die Verifikation der mikrokalorimetrischen Bestimmung mittels verschiedener Erze und Temperaturen sowie die Berechnung der Reaktionsenergie ΔrU anhand der gemessenen Wärmetönung und der analytisch bestimmten Konzentrationen von Eisen-, Kupfer- und Sulfat-Ionen in der Laugungslösung. Zusätzlich wurde während der Studie die mikrobielle Anheftung an Chalkopyrit und die Stabilität von Cu1+-Ionen in der Laugungslösung untersucht.
Nach der Anpassung der Versuchsanordnung konnten 9 % Eisen und 8 % Kupfer mithilfe der mesophilen Biolaugung gewonnen werden, während bei der moderat thermophilen Biolaugung 25 % Eisen und 12 % Kupfer gewonnen wurden und mithilfe der thermophilen Biolaugung ein Gewinn von 7,4 % Eisen und 24 % Kupfer gelang. In den sterilen Kontrollversuchen wurden nur zwischen 25 bis 50 % dessen gewonnen was durch die Biolaugung möglich war.
Die Calkositlaugung zeigte im mesophilen Temperaturbereich einen Kupfergewinn von bis zu 17 % mittels chemischer sowie biologischer Laugung. Im Gegensatz dazu, konnte im moderat thermophilen Temperaturbereich 17 % Kupfer durch chemische Laugung gewonnen werden, aber bis zu 41 % während der Biolaugung. Der Kupfergewinn während der Covellitlaugung lag in beiden untersuchten Temperaturbereichen (mesophil und moderat thermophil) bei 2-15 %. Während der Experimente wurden hohe pH-Werte (pH > 2,5) und Kupferkonzentrationen (Cu > 100 mM) beobachtet.
Bis zu 82 %, 90 % und 85 % der Standard Reaktionsenergie der Chalkopyritauflösung konnten mithilfe der Mikrokalorimetrie berechnet werden für mesophile bzw. moderat thermophile und termophile Mikroorganismen. Werden nicht alle Bindungen im Chalkopyrit gebrochen und somit nicht die volle Energie abgegeben, kann es zu einer Unterschätzung der Standard Reaktionsenergie kommen. Ausfällungen (insbesondere eisenhaltige) können dazu führen, dass die Standard Reaktionsenergie überschätzt wird.
Für die mesophile Chalkositlaugung konnten 5-12 % der Standard Reaktionsenergie mikrokalorimetrisch wiedergefunden werden, für die moderat thermophile Laugung 32-38 %. Während der Covellitlaugung konnte unabhängig von der Temperatur 10-15 % der Standard Reaktionsenergie mikrokalorimetrisch wiedergefunden werden.
Zusammenfassen konnte festgestellt werden, dass die Mikrokalorimetrie für die Beurteilung der mikrobiellen Aktivität auf Chalkopyrit geeignet ist, jedoch nicht für die Chalkosit- bzw. Covellitlaugung. Es kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass dies auf die verwendeten Minerale zurückzuführen ist.
Die Biofilmbildung wurde mittels der Konfokalmikroskopie verfolgt. Die Aufnahmen zeigen, dass die mikrobielle Kolonisierung von Chalkopyrit stark abhängig ist von dem Substrat auf welchem die Mikroorganismen vorkultiviert wurden. Eisensulfat- und Pyrit-gewachsenen Zellen zeigten ein vermehrtes Anhaften an Chalkopyrit, als Zellen die zuvor auf Chalkopyrit kultiviert wurden. Mikroorganismen die auf Schwefel vorkultiviert wurden konnten während der Färbeprozedur leicht abgelöst werden. Es wurde beobachtet, dass eine hohe Oberflächenbesiedlung von Chalkopyrit nicht gleichzeitig mit einer erhöhten Kupferaustragung korreliert.
Bis zu 80 % der Gesamtkupfer-Ionen in der Laugungslösung wurden als Cu1+-Ionen mithilfe der photometrischen Bestimmung identifiziert
Untersuchungen zur akuten metabolischen Azidose bei herzchirurgischen Patienten und in einem tierexperimentellen Modell
No full textBei herzchirurgischen Operationen wird intraoperativ häufig eine metabolische Azidose als Störung des Säure-Base-Haushalts beobachtet. Der Grund für dessen Entstehung stellt derzeit eines der höchst kontrovers diskutierten Themen des Gebietes dar. Es besteht jedoch Grund zu der Annahme, dass das extrem schnelle Einbringen der Priming Lösung in die systemische Zirkulation des Patienten bei Inbetriebnahme der HLM sowie die Applikation der kardioplegischen Lösung wenige Minuten später in Gegenwart eines konstanten Kohlenstoffdioxidpartialdrucks maßgeblich zur Entstehung beitragen. Zur Evaluierung, ob eine Dilutionsazidose sowohl existent als auch klinisch relevant ist, wurde eine humane Beobachtungsstudie an Bypass-Patienten durchgeführt. Zur Analyse beteiligter Kompensationsmechanismen im Falle einer akuten metabolischen Azidose wurde ein standardisiertes Tiermodell (Ratte) der normovolämischen Hämodilution genutzt.
In die konsekutive Beobachtungsstudie wurden 33 Patienten eingeschlossen. Von diesen 33 Patienten wurden 25 (Dilutionsazidose) bzw. 29 (Aminosäureanalyse) je nach Fragestellung ausgewertet. Die Ergebnisse intraoperativer Blutgasanalysen wurden aus dem Operationsprotokoll übernommen. Plasma intraoperativ gewonnener Blutproben wurde bei 80 °C bis zur weiteren Analyse aufbewahrt. Nach Anlage des Blasenkatheters wurde eine Urinprobe gewonnen. Zum Operationsende wurde aus dem Sammelgefäß des Katheters eine weitere Probe entnommen.
Die Tiere erhielten zwei Gefäßkatheter in die rechten Femoralgefäße sowie einen Blasenkatheter. Mittels repetitiver Blutentnahmen von jeweils drei Millilitern und simultanem Ersatz dieses Volumen durch jeweils eine kommerziell erhältliche Volumensubstitutionslösung in Abhängigkeit der Versuchsgruppe wurde der systemische Hämatokrit stufenweise auf 10% reduziert. Dieser Dilutionsphase folgte eine zweieinhalbstündige Nachbeobachtungsphase. Während des gesamten Versuchs wurden zu definierten Zeitpunkten Blutgasanalysen angefertigt. Nach Anlage des Blasenkatheters erfolgte die Entleerung der Blase. Sowohl während der Dilutions- als auch der Nachbeobachtungsphase wurde kontinuierlich Urin gesammelt.
Die durchschnittlichen Werte von pH sowie Base Excess (BE) der Patienten fielen nach Beginn des kardiopulmonalen Bypass (CPB) von Normalwerten auf 7,34 bzw. -3,1 mEq/L. Während der restlichen intraoperativen Phase erholten sie sich auf Werte im Referenzbereich. Die intraoperative Laktatkonzentration stieg von einem Basalwert von 0,9 mM auf 1,4 mM während des CPBs, um bei Operationsende 2,5 mM zu erreichen. Patienten erhielten intraoperativ bedarfsadaptiert Natriumbicarbonat, im Durchschnitt 102 mmol, sowie durchschnittlich 1,1 L Priming Lösung und 1,6 L kardioplegische Lösung. Die plasmatische Histidinkonzentration nahm von 71 µM bei Operationsbeginn auf 21000 µM nach Beginn des CPBs zu, um bei Operationsende 8000 µM zu erreichen. Bei Operationsbeginn betrug die ausgeschiedene Menge Histidin 47 µmol/mmol Kreatinin, bei Operationsende 6760 µmol/mmol Kreatinin. Intraoperativ nahm die Ausscheidung von Harnstoff von 9,5 mmol/h auf 10,1 mmol/h zu (vermehrte Ausscheidung von 3 mmol).
Der plasmatische BE der Tiere fiel in der Nachbeobachtungsphase von 0,5 mEq/L zu Beginn des Experiments auf -3 mEq/L. Der pH-Wert im Plasma betrug 7,4 bei Versuchsende. Die plasmatische Laktatkonzentration blieb über die Versuchsdauer annähernd konstant bei 1,3 mM. Sowohl während der Dilutions- als auch der Nachbeobachtungsphase überstieg die gemessene Kaliummenge die anhand von Berechnungen theoretisch vorhergesagte um etwa 0,6 mmol bzw. 0,5 mmol. Die im Urin enthaltene Ammoniummenge stieg von einem Wert von 0,02 mmol im Initialurin auf 0,30 mmol sowohl in Dilutions- als auch Nachbeobachtungsphase. Ausgeschiedenes Phosphat betrug initial 0,0005 mmol und in den genannten Intervallen 0,03 mmol bzw. 0,015 mmol. Im Initialurin enthaltenes Kalium betrug 0,04 mmol. Urin der Dilutionsphase enthielt 0,45 mmol, jener der Nachbeobachtungsphase 0,4 mmol.
Im Zuge der humanen Beobachtungsstudie konnte bei operativen Eingriffen unter Verwendung eines CPBs die Entstehung einer Dilutionsazidose gezeigt werden, die deutlich, aber überaus transient ist. Daher war es im Rahmen der vorliegenden Arbeit möglich, trotz anhaltender Diskussion in Fachkreisen, die generelle Existenz der Dilutionsazidose in routinemäßig angewendeten klinischen Situationen, wie bei Gebrauch eines CPBs, zu belegen. Die bedarfsadaptierte, aber routinemäßige Verabreichung von Natriumbicarbonat Lösung stellt den Beweis für die klinische Relevanz der Dilutionsazidose dar. Bedingt durch die in der kardioplegischen Lösung enthaltene Histidinkonzentration von 198 mM und dem verabreichten Volumen von 1,6 L wurden 300 mmol Histidin bzw. 900 mmol Stickstoff inkorporiert. Die gesteigerte Harnstoffausscheidung war, gemessen an der Belastung, relativ gering. Demnach war die durch die Stickstoff-Elimination bedingte Beeinflussung des Säure-Base-Haushalts in der intraoperativen Phase gering. Etwa 7% der infundierten Histidinmenge (entsprechend 20 mmol) wurden renal ohne vorherige Metabolisierung ausgeschieden. Die im Rahmen der Erwärmung der kardioplegischen Lösung stattfindende Deprotonierung des im Histidin enthaltenen Imidazolrings sollte zu einer Verstärkung der dilutionsbedingten metabolischen Azidose beigetragen haben.
Im tierexperimentellen Versuchsteil zeigte sich die Aktivierung verschiedener körpereigener Kompensationsmechanismen. Da die Versuchstiere nicht intubiert waren, verfügten sie über die Möglichkeit respiratorisch zu kompensieren. Zusätzlich legte die Bilanzierung der plasmatischen Kaliumkonzentration eine Beteiligung intrazellulärer Puffermechanismen nahe. Die Urinanalyse legte für den relativ kurzen Versuchszeitraum von insgesamt fünfeinhalb Stunden eine massive Ammoniumausscheidung sowie eine geringere Phosphatausscheidung offen. Die Sekretion freier Protonen stellte sich unter quantitativen Gesichtspunkten als vernachlässigbar dar. Entgegen der Literatur scheint bereits die initiale Steigerung der Ammoniumausscheidung auszureichen, um eine metabolische Azidose in ihrer Schwere deutlich abzumildern, sodass diesem Kompensationsmechanismus bereits eine nennenswerte Bedeutung in der Behebung akuter und nicht nur chronischer Azidosen beigemessen werden muss. Zusätzlich zeigte sich eine stark gesteigerte Kaliumausscheidung.In the context of cardiac surgery, an intraoperative metabolic acidosis is commonly observed. Currently, the reason for its development constitutes one of the most controversially discussed topics in acid-base homeostasis. There is evidence, that the fast administration of the priming fluid to the patient’s systemic circulation at the onset of the heart-lung machine as well as the subsequent application of the cardioplegic solution both in the presence of a constant carbon dioxide partial pressure are significantly involved. To evaluate whether dilutional acidosis is generally existent as well as clinically relevant, an observational study was conducted on patients scheduled for elective isolated coronary artery bypass grafting with the concomitant need of cardiopulmonary bypass (CPB). For analysis of involved compensatory mechanisms in the case of acute metabolic acidosis, a standardized animal model (rat) was employed.
In total, 33 consecutive patients scheduled for elective isolated coronary artery bypass grafting (CABG) with CPB were enrolled in the prospective observational designed study. Out of these 33 patients, 25 (dilutional acidosis) and 29 (amino acid analysis), respectively, were analyzed, depending on the respective question. The results of blood gas analyses taken intraoperatively were assumed from the patient’s protocol. Plasma of intraoperatively gained blood samples were stored at -80 °C for further analysis. After insertion of the urinary catheter a urine sample was taken. At the end of operative procedures, a second sample was obtained.
The animals received two catheters into the right femoral vessels as well as a urinary catheter. Employing repetitive blood withdrawals of three milliliters each, and simultaneous substitution of the withdrawn volume with a commercially available volume replacement solution, systemic hematocrit was gradually lowered to 10%. Subsequent to this phase of hemodilution, an observation phase of 2.5 h followed. During the whole experimental phase, blood gas analyses were made. After insertion of the urinary catheter, the bladder was emptied. Over the phase of dilution as well as the observation phase, urine was continuously gathered.
Average values of pH and base excess (BE) of patients fell from normal values to 7.34 and 3.1 mEq/L, respectively, after initiation of cardiopulmonary bypass (CPB). During the remaining time of CPB, they recovered to values within the reference range. Intraoperative lactate concentration increased from 0.9 mM to 1.4 mM during CPB to reach 2.5 mM at the end of operative procedures. Patients received sodium bicarbonate as required, 102 mmol on average, as well as averaged 1.1 L priming solution and 1.6 L cardioplegic solution. Plasma histidine concentration rose from 71 µM at basal conditions to 21000 µM after initiation of CPB to decrease to a value of 8000 µM at the end of operative procedures. At the beginning of the operation, excreted histidine amounted to 47 µmol/mmol creatinine, and at the end 6760 µmol/mmol creatinine. In the course of the operation, urea excretion increased from 9.5 mmol/h to 10.1 mmol/h (additional excretion of 3 mmol).
Animals’ plasma BE decreased to -3 mEq/L during the experiment. At the end, plasma pH value was 7.4. Plasma lactate concentration stayed almost constant at 1.3 mM during the experimental phase. Both during the phase of dilution and observation phase, measured potassium content exceeded the predicted amount calculated on the basis of infusion and withdrawal by 0.6 mmol and 0.5 mmol, respectively. The urinary amount of ammonium increased from 0.02 mmol in initial urine to 0.30 mmol both in the phase of dilution and the observation time. Excreted phosphate accounted for 0.0005 mmol under basal conditions and 0.030 mmol and 0.015 mmol in the respective intervals. Initial urine contained 0.04 mmol potassium, urine collected during the phase of dilution 0.45 mmol and during the observation phase 0.40 mmol.
Although currently being one of the most controversially discussed topics in acid-base homeostasis with regards to magnitude but also its fundamental existence, the dilutional acidosis’ existence could be proven in certain routine clinical situations, like those with the usage of CPB. Dilutional acidosis was prominent but also transient in its appearance. Moreover, routine administration of sodium bicarbonate proves its clinical relevance. Due to the cardioplegic solution’s histidine concentration of 198 mM the body is confronted with a high amount of nitrogen. The need for its excretion already becomes apparent in the intraoperative period in terms of an increased excretion of urea and ammonium. The rise in excretion was nonetheless relatively small in relation to the nitrogen load, since at first the majority of nitrogen was stored in the form of different amino acids. About 7% of the incorporated histidine (i.e. 20 mmol) were excreted without prior metabolism. Nevertheless, during the phase of operative procedures, the impact of the incorporated nitrogen on systemic acid-base status was minor. Enhanced deprotonation of the histidine’s imidazole ring during warming of the cardioplegic solution occurred. Protons originating from this process should have intensified existing dilutional acidosis.
In experimental animals, the activation of endogenous compensatory mechanisms due to induction of metabolic acidosis was obvious. Since the animals were not subjected to mechanical ventilation, they had the chance to compensate through altered respiration. In addition, balancing of plasma potassium concentration suggested intracellular buffering. In the animals’ urine, the excreted amounts of free protons, phosphate as well as ammonium were quantified to determine renal compensatory mechanisms. The analysis revealed a massive ammonium excretion within the relative short experimental period of 5.5 hours, whereas phosphate excretion was small. The amount of free protons was negligible in quantitative terms. In contrast to literature, the initial rise in ammonium excretion seems to be sufficient to mitigate a metabolic acidosis in its severity. Therefore, this compensatory mechanism already possesses considerable importance concerning correction of acute and not only chronic acidosis. Apart from the ammonium excretion, also an enhanced potassium excretion was observed during as well as after normovolemic hemodilution
Silicon based nanocomposites as anode material for lithium-ion batteries
No full textDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von zwei auf Siliciumnanopartikeln basierenden Komposittypen, die als neuartige Ano-denmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien getestet wurden. Ziel war es, eine höhere Kapazität bzw. Energiedichte gegenüber herkömmlichen Materialien zu erzielen.
Auf Grund seiner hohen Kapazität für die Aufnahme von Lithium-Ionen ist Silicium das vielversprechendste Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. Mit der hohen Kapa-zi¬tät ist jedoch eine Herausforderung verbunden, die durch eine große Volumen-ausdehnung von bis zu 300% während des Lade- bzw. Entladevorgangs hervorgeru-fen wird. Durch diese mechanische Belastung kann es zum Zerfall der Elektrode kom-men, woraus ein schlechtes Zyklenlverhalten resultiert. Um das Zyklenverhalten zu verbessern und gleichzeitig eine hohe Kapazität beizubehalten, wird zum einen Silici-um in Form von Nanopartikeln benötigt, die zum anderen langzeitstabil kontaktiert wer-den müssen. In dieser Arbeit wurden Siliciumnanopartikel in zwei unterschiedliche Matrix¬materialien eingearbeitet, die die Expansion puffern bzw. verringern und gleich-zeitig durch ihre Leitfähigkeit den Elektronentransport innerhalb der Elektrode gewähr-leisten sollen.
Zum einen handelt es sich dabei um ein Si/C-Komposit, das sich dadurch auszeichnet, dass es eine poröse Kohlenstoffmatrix beinhaltet. Zum anderen wurden Si/PANI-Kom-po¬site hergestellt und untersucht, bei denen Polyanilin als leitfähiges Polymer die elektrische Anbindung der Partikel gewährleisten soll.
Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass im Fall des Si/C-Komposits eine poröse Kohlenstoffstruktur synthetisiert werden konnte, in der die Siliciumnanopartikel ein-geschlossen vorliegen. Die Charakterisierung der Si/PANI-Komposite beweist, dass es im Fall des Komposits mit hohem Polymeranteil möglich war, die Siliciumnanopartikel homogen mit Polyanilin zu ummanteln. Alle Komposite wiesen bei elektrochemischen Untersuchungen eine höhere Kapazität als herkömmliche Anodenmaterialien und ein deutlich verbessertes Zyklenverhalten gegenüber puren Siliciumnanopartikeln auf.This thesis comprises the synthesis and characterization of two composite types based on silicon nanoparticles which were tested as new anode materials for lithium-ion bat-teries. It was intended to achieve a higher capacity or rather a higher energy density compared to other conventionally used anode materials.
Due to its high lithium storage capacity, silicon is a promising anode material for lithi-um-ion batteries. This high specific capacity is associated with a challenge which origi-nates from a high volume expansion of about 300% during lithiation and delithiation that may lead to mechanical disintegration of the electrode and poor cycle life. To im-prove the cycling behavior and maintain a high capacity simultaneously, firstly silicon in form of nanoparticles is needed, that is secondly electrically connected with long-term stability. In this thesis, silicon nanoparticles were combined with two different ma-trix materials that should buffer or limit the expansion while ensuring electron transport in the electrode by their own conductivity.
On the one hand a Si/C composite that is characterized by a porous carbon matrix was manufactured. On the other hand two Si/PANI composites were prepared and ana-lyzed, in which polyaniline as a conducting polymer should ensure the electrical con-nection of the particles.
In case of the Si/C composite the results show that a porous carbon matrix imbedding silicon nanoparticles could be obtained. Regarding the Si/PANI composite measure-ments exhibit a homogenous polymer coating on the silicon nanoparticles in case of the composite with a high amount of polyaniline. During electrochemical testing all composites show not only a higher capacity than traditionally used anode materials but also a significantly improved cycling behavior compared to pure silicon nano¬particles
An Automatic Representation Optimization and Model Selection Framework for Machine Learning
No full textThe classification problem is an important part of machine learning and occurs in many application fields like image-based object recognition or industrial quality inspection. In the ideal case, only a training dataset consisting of feature data and true class labels has to be obtained to learn the connection between features and class labels. This connection is represented by a so-called classifier model. However, even today the development of a well-performing classifier for a given task is difficult and requires a lot of expertise. Numerous challenges occur in real-world classification problems that can degrade the generalization performance. Typical challenges are not enough training samples, noisy feature data as well as suboptimal choices of algorithms or hyperparameters.
Many solutions exist to tackle these challenges, such as automatic feature and model selection algorithms, hyperparameter tuning or data preprocessing methods. Furthermore, representation learning, which is connected to the recently evolving field of deep learning, is also a promising approach that aims at automatically learning more useful features out of low-level data. Due to the lack of a holistic framework that considers all of these aspects, this work proposes the Automatic Representation Optimization and Model
Selection Framework, abbreviated as AROMS-Framework. The central classification pipeline contains feature selection and portfolios of preprocessing, representation learning and classification methods. An optimization algorithm based on Evolutionary Algorithms is developed to automatically adapt the pipeline configuration to a given learning task. Additionally, two kinds of extended analyses are proposed that exploit the optimization trajectory. The first one aims at a better understanding of the complex interplay of the pipeline components using a suitable visualization technique. The second one is a multi-pipeline classifier with the purpose to improve the generalization performance by fusing the decisions of several classification pipelines.
Finally, suitable experiments are conducted to evaluate all aspects of the proposed framework regarding its generalization performance, optimization runtime and classification speed. The goal is to show benefits and limitations of the framework when a large variety of datasets from different real-world applications is considered.Ein Framework zur automatischen Optimierung von Merkmalsrepräsentationen und Modellen für maschinelles Lernen
Das Klassifikationsproblem ist ein wichtiger Teil der Forschungsrichtung des maschinellen Lernens. Dieses Problem tritt in vielen Anwendungsbereichen wie der bildbasierten Objekterkennung oder industriellen Qualitätsinspektion auf. Im Idealfall muss nur ein Trainingsdatensatz gesammelt werden, der aus einer Menge an Merkmalsdaten und den entsprechenden, geforderten Klassenzuordnungen besteht. Das Ziel ist das Lernen des Zusammenhangs zwischen den Merkmalsdaten und den Klassenzuordnungen mittels eines sogenannten Klassifikatormodells. Auch heute noch ist die Entwicklung eines gut funktionierenden Klassifikators für eine gegebene Anwendung eine anspruchsvolle Aufgabe, die eine Menge Expertenwissen voraussetzt. In praxisnahen Anwendungen müssen viele Probleme gelöst werden, die die Leistungsfähigkeit des Klassifikators einschränken können: Es sind oft nicht ausreichend viele Trainingsdaten vorhanden, die Merkmalsdaten enthalten zu viel Rauschen oder die gewählten Algorithmen oder deren Hyperparameter sind suboptimal eingestellt.
Es existiert eine Vielzahl an Lösungsansätzen für diese Herausforderungen, wie z.B. eine automatische Auswahl von Merkmalen, Klassifikatormodellen und Hyperparametern sowie geeigneten Datenvorverarbeitungsmethoden. Zudem gibt es vielversprechende Methoden des sogenannten Repräsentationslernens, das mit dem aktuellen Forschungszweig Deep Learning verbunden ist: Hier ist ein automatisches Erlernen von besseren Merkmalsrepräsentationen aus Rohdaten das Ziel. Es existiert bisher kein ganzheitliches Framework, welches all die vorhergehend genannten Aspekte miteinbezieht. Daher wird in dieser Arbeit ein automatisches Framework zur Optimierung von Merkmalsrepräsentationen und Modellen für maschinelles Lernen eingeführt, das als AROMS-Framework abgekürzt wird. Die zentrale Klassifikations-Pipeline enthält Merkmalsselektion und Algorithmen-Portfolios mit verschiedenen Vorverarbeitungsmethoden, Methoden des Repräsentationslernens sowie Klassifikatoren. Es wird ein Optimierungsverfahren basierend auf evolutionären Algorithmen präsentiert, das zur automatischen Anpassung der Pipeline-Konfiguration an ein Lernproblem genutzt wird. Weiterhin werden zwei erweiterte Analysen der Daten aus dem Verlauf des Optimierungsverfahrens vorgeschlagen: Die erste Erweiterung zielt auf eine verständliche Visualisierung des komplexen Zusammenspiels der Komponenten der Klassifikations-Pipeline ab. Die zweite Erweiterung ist ein Multi-Pipeline-Klassifikator, der die Generalisierung verbessern soll, in dem die Entscheidungen mehrerer Klassifikations-Pipelines fusioniert werden.
Abschließend werden geeignete Experimente durchgeführt, um alle Aspekte des vorgeschlagenen Frameworks im Hinblick auf die Generalisierungsleistung, der Optimierungslaufzeit und der Klassifikationsgeschwindigkeit zu untersuchen. Das Ziel ist das Aufzeigen von Vorteilen und Einschränkungen des Frameworks, wenn eine große Vielfalt an Datensätzen aus verschiedenen Anwendungsbereichen betrachtet wird
Designing a cellular-based fully automated case picking system
No full textOrder picking (OP) is the most expensive and labor-intensive activity in warehouses. Some authors argue that OP might be responsible for up to 55% of the operating costs in a warehouse. This might be more important for companies that handle large volumes of fast-moving commodities. Full-case picking processes and mixed pallet building are expensive and complex activities. Companies are looking for technologies to improve their efficiency and to reduce the operating costs of non-value added activities in their warehouses and distribution centers (DCs). Nowadays, the designers of order picking systems face great challenges due to increasing labor costs, less space and more frequent small orders with short delivery times. Consequently, there are constant research efforts devoted to finding new innovative full-case picking solutions that reduce operating costs, generate higher productivity, optimize space utilization and enhance customer service levels.
This dissertation presents a new fully automated case picking system (ACPS) called the Automated Cellular Case Picking System (ACCPS). The new system is characterized by the full and permanent accessibility of all stock keeping units (SKUs) in the system, which permits a strategic higher picking rate. This new system could be applied to different levels of automation within warehouses and DCs, and it is suitable for a wide range of warehouse automation requirements.
The proposed design consists of storage cells with the same design and operating principle as the vertical indexing case elevator, installed on one conveyor to form a storage line. Several storage lines are connected by a distributing conveyor from the inlet side and by a collecting conveyor from the outlet side, to form an ACCPS use-case model. The concept of this new system is based on the A-Farm concept, in order to create a new innovative dispensing and buffering system for cases.
ACCPS is a new concept for a full-case picking system that aims to provide better solutions for warehouses and DCs that deal with a high volume and low variety of products, which are handled in plastic crates or trays. ACCPS would be an efficient solution for many types of commodities such as (food, beverage, grocery, dairy, flowers, sausage, bakery and others). Optimizing picking processes, minimizing operating cost, and increasing efficiency are the most important aims of the new proposed design. This research investigates the layout, design, structure, costs, operating principles, cycle time, and throughput of the new system. A simple logic process was applied to create a mathematical model in order to calculate the expected average time of the order picking and the throughput of this new ACPS.
A simulation model has been developed to aid in measuring the effectiveness of the ACCPS proposed design under real operating conditions. Two case studies have been used to evaluate the performance of the new system. Based on the real-time data of these two cases, many simulation scenarios were studied and analyzed in order to solve the storage assignment problem and to determine the best order picking strategy. Many optimization scenarios were simulated and analyzed in order to determine the optimum scenario.
In order to evaluate the ACCPS performance, a comparison was made between ACCPS and an alternative system with the same features. The alternative system, which is the most competitive system compared to the ACCPS, is the Gantry Robot System (GRS). The costs, throughput, and required areas were chosen as the main criteria for comparison between the two systems. The comparison confirmed the benefits of the ACCPS in decreasing the operating costs, required area, energy consumption, and the picking time. ACCPS also increased the space utilization rate and the throughput.
ACCPS provides a new technique for automating the full-case picking process (CPP) that contributes greatly to decreasing total operating cost by minimizing labor requirements, space requirements, and potential errors, and increasing productivity and efficiency. The structure of ACCPS, which is based on individual modules, can further increase the flexibility and the adaptability of the system.Entwurf eines zellbasierten vollautomatischen Full-Case-Kommissioniersystems
Der Kommissionierungsprozess (OP) wird als die höchst arbeitsintensive und kostenaufwändige Tätigkeit in den Lagern betrachtet. Einige Autoren behaupten, dass der Kommissionierungsprozess für bis zu 55 % aller Betriebskosten in einem Lager dafür verantwortlich sein könnte. Dies könnte möglicherweise wichtiger sein für Unternehmen, die große Volumina von schnell bewegenden Waren behandeln. Full-case-picking Prozesse und Mischpaletten von verschiedenen Produkten aufzubauen sind teure und komplexe Tätigkeiten. Firmen suchen nach Technologien, um ihre Leistungsfähigkeit zu verbessern und die Betriebskosten von zusätzlichen Tätigkeiten die keine Wertschöpfung erbringen in ihren Lagern und Distributionszentren (DCs) zu reduzieren. Heutzutage stehen die Designer der Kommissioniersysteme vor großen Herausforderungen, aufgrund der steigenden Arbeitskosten, weniger Platz und häufigere kleine Aufträge mit kurzen Lieferzeiten. Deshalb sind ständige Forschungsbemühungen gewidmet, um die Suche nach neuen innovativen Kommissionierlösungen für Stückgüter, die die Betriebskosten verringern, die Produktivität erhöhen, die Raumausnutzung optimieren und die Kundenservice verbessern.
Diese Dissertation präsentiert ein neues vollautomatisiertes Kommissioniersystem für Stückgüter (ACPS), das als automatisiertes zelluläres Case-picking-system (ACCPS) bezeichnet wird. Das neue System zeichnet sich durch die vollständige und dauerhafte Zugänglichkeit aller Lagerhaltung Einheiten (SKUs) im System, das einen strategischen höheren Durchsatz des Kommissionierungsprozesses ermöglicht. Dieses neue System könnte auf verschiedene Niveaus der Automation innerhalb von Lagern und DCs angewandt werden, und ist für eine breite Reihe von Lagerautomationsvoraussetzungen passend.
Das vorgeschlagene Design besteht aus Speicherzellen mit demselben Design und Betriebsprinzip wie der vertikale Senkrechtförderer für Stückgüter, der auf einem Förderband installiert ist, um eine Lagerungslinie zu bilden. Mehrere Lagerungslinien werden sich durch einen Verteilförderer von der Einlassseite und durch einen Sammelförderer von der Ausgangsseite verbunden, um ein ACCPS Use-Case-Modell zu bilden. Das Konzept dieses neuen Systems basiert auf dem Konzept des Schachtkommissionsystems (A-Farm), um ein neues innovatives System zum Zuführen und Puffern von Stückgütern zu schaffen. ACCPS ist ein neues Konzept für eine vollständiges Stückgütern Schachtkommissionsystem mit dem Ziel, bessere Lösungen für Lagern und DCs, die sich mit einer großen Menge und niedrigen Vielfalt von Produkten befassen, die in Kunststoffkisten oder Tablare behandelt werden zur Verfügung zu stellen. ACCPS würde eine effiziente Lösung für viele Typen von Waren wie (Nahrung, Getränk, Lebensmittel, Molkerei, Blumen, Wurst, Bäckerei und andere) sein. Optimierung der Kommissionierungsprozesse, Minimierung der Betriebskosten und Steigerung der Effizienz sind die wichtigsten Ziele des neuen vorgeschlagenen Designs. Diese Forschung untersucht Layout, Design, Struktur, Kosten, Betriebsprinzipien, Zykluszeit und Durchsatz des neuen Systems.
Ein einfacher Logik-Prozess wurde angewendet, um ein mathematisches Modell zu erstellen, damit die erwartete durchschnittliche Zeit der Kommissionierung und der Durchsatz von dieser neuen ACPS zu berechnet werden. Ein Simulationsmodell wurde entwickelt, um bei der Messung der Effektivität des vorgeschlagenen Designs der ACCPS unter realen Betriebsbedingungen zu unterstützen. Zwei Fallstudien sind verwendet worden, um die Leistung des neuen Systems zu bewerten. Gestützt auf den Echtzeitdaten dieser zwei Fälle, viele Simulation Szenarien wurden untersucht und analysiert um das Problem der Lagerplatzzuweisung zu beheben und die beste Strategie für die Kommissionierung zu bestimmen. Viele Optimierung Szenarien wurden simuliert und analysiert um das optimale Szenario zu bestimmen.
Im Hinblick auf die Bewertung der Leistung des ACCPSs, wurde ein Vergleich zwischen ACCPS und ein alternatives System mit denselben Eigenschaften durchgeführt. Das Gantry Robot System (GRS), ist das alternative System für das am meist konkurrenzfähige System im Vergleich zum ACCPS. Die Kosten, der Durchsatz und die erforderliche Fläche wurden als die Hauptkriterien zum Vergleich zwischen den beiden Systemen gewählt. Der Vergleich hat die Vorteile des ACCPSs im Verringern der Betriebskosten, der erforderlichen Fläche, des Energieverbrauchs und der Entnahmezeit (Pickzeit) bestätigt. ACCPS stellt eine neue Technik zur Verfügung, um die Full-case-picking Prozessen (CPP) zu automatisieren, die außerordentlich zum Verringern von Gesamtbetriebskosten durch die Minderung von Arbeitskräftebedarf, Platzbedarf und potenziellen Fehlern, und die Erhöhung der Produktivität und Leistungsfähigkeit beiträgt. Die Struktur von ACCPS, die auf individuellen Modulen basiert, kann weiter die Flexibilität und die Anpassungsfähigkeit des Systems vergrößern
Effects of preovulatory aging on the developmental competence of mouse oocytes
No full textPreovulatory aging of oocytes is caused by a delay in ovulation and it is known to impair postimplantation embryonic development. However, hardly anything is known about the molecular mechanisms associated with preovulatory aging. To investigate several aspects of RNA dynamics in the preovulatory-aged oocytes and possible consequences on early preimplantation development, the present study used a mouse model in which ovulation was postponed with the GnRH antagonist cetrorelix.
Preovulatory aging led to a lower number of ovulated oocytes. Furthermore, preovulatory-aged oocytes were more difficult to fertilize, as was demonstrated by a decrease in 2-cell embryo rate after mating compared to controls. These results are in accordance with previous studies on preovulatory aging in several vertebrate models including rats and humans.
As an indicator for transcriptional silencing and genome stability during oocyte growth, the epigenetic histone modification H3K9 trimethylation was analyzed using immunofluorescence. No effect of preovulatory aging on H3K9 trimethylation levels was observed. Before transcriptional silencing, mRNAs are stored in the oocyte until recruitment for protein translation later during oocyte maturation. One major key player in the storage and recruitment of maternal transcripts is the RNA-binding protein Ybx2. Immunofluorescent staining showed a significant decrease in Ybx2 protein abundance after preovulatory aging, which might have severe implications for RNA dynamics in the oocyte.
Since the RNA-storage potential seemed impaired, transcript levels of selected maternal effect genes were analyzed by qRT-PCR. Maternal effect genes are of crucial importance for oocyte developmental potential because they function in the early embryo before transcription initiates again. Transcript levels of 2 out of 10 investigated ME genes (Smarca4 and Tet3) decreased significantly after preovulatory aging. Additionally, oligo(dT) priming allowed investigation of poly(A) tail length of mRNAs of the candidate maternal effect genes by qRT-PCR. The poly(A) tail determines the translation efficiency of transcripts in the oocyte and early embryo. The majority of genes showed elongation of poly(A) tail length after preovulatory aging. Similar results were also found after in vitro preovulatory aging of oocytes grown in follicle culture, although not the same genes were affected than in vivo.
Loss of Ybx2 protein and polyadenylation of maternal effect gene transcripts should occur later during oocyte maturation. Therefore, the results imply premature recruitment of mRNAs for protein translation. This assumption is supported by experiments determining the start of transcription at the 2-cell stage of embryonic preimplantation development in the course of embryonic genome activation. Embryos were incubated in BrUTP, which intercalates into nascent RNA and can by visualized by immunofluorescence. Compared to controls, in embryos derived from preovulatory-aged oocytes an increase in transcription was observed, indicating a precocious start of embryonic genome activation.
Last, DNA methylation maintenance of three imprinted genes (H19, Snrpn, Igf2r) during epigenetic reprogramming in the preimplantation embryo was analyzed. Deep amplicon bisulfite sequencing of single 8-cell embryos showed stable maintenance of DNA methylation at the investigated loci.
Overall, the results show that the investigated processes are distinctly regulated in the oocyte and early embryo and not all of them are susceptible to preovulatory aging. Nevertheless, preovulatory aging impairs oocyte quality with possible long-term effects on embryonic development and reproductive success.Eine Verzögerung des Eisprungs führt zu präovulatorischer Überreife der Oozyte und dies kann die Entwicklung des Embryos nach der Einnistung in die Gebärmutter beeinträchtigen. Über die molekularen Mechanismen, die das Entwicklungspotenzial der überreifen Oozyte beeinflussen und die Auswirkungen auf die frühe Embryonalentwicklung ist nur wenig bekannt. Mit Hilfe eines Mausmodells, in dem der Eisprung mit Hilfe des GnRH Antagonisten Cetrorelix hinausgezögert wurde, wurden in dieser Studie verschiedene Aspekte der RNA Dynamik in der überreifen Oozyte und mögliche Konsequenzen für die frühe Embryonalentwicklung vor der Einnistung untersucht.
Die Verzögerung des Eisprungs führte zu einer verringerten Anzahl von ovulierten, reifen Oozyten. Außerdem ließen sich überreife Oozyten schlechter befruchten, was zu einer Abnahme der Zahl von 2-Zell-Embryonen nach Verpaarung führte. Diese Ergebnisse stimmen mit vorhergegangenen Studien zur präovulatorischen Überreife in verschiedenen Vertebraten, u.a. Ratten und Menschen, überein.
Während des Oozyten-Wachstums wird die Transkription eingestellt. Dieser Prozess wurde mittels Immunofluoreszenz gegen die epigenetische Histonmodifikation H3K9-Trimethylierung untersucht. Dabei wurde kein Effekt der präovulatorischen Überreife auf das Ausmaß der H3K9-Trimethylierung beobachtet. Vor dem transkriptionellen Arrest werden mRNAs in der Oozyte gespeichert, bis sie im späteren Verlauf der Oozyten-Reifung für die Translation von Proteinen rekrutiert werden. Ein wichtiger Faktor für die Speicherung und Rekrutierung von mRNA in der Oozyte ist das RNA-Bindeprotein Ybx2. Mittels Immunofluoreszenz konnte eine signifikante Abnahme der Ybx2 Proteinmenge nach präovulatorischer Überreife gezeigt werden. Dies könnte zu Störungen der RNA-Speicherung in der Oozyte führen. Um dies zu ermitteln wurde die Transkriptmenge von ausgewählten maternalen Effektgenen (ME-Genen) mittels qRT-PCR untersucht. Transkripte der ME-Gene sind entscheidend für das Entwicklungspotential der Oozyte, da sie im frühen Embryo, dessen Transkription noch nicht begonnen hat, wirken. Von zwei der 10 untersuchten ME-Gene (Smarca4 und Tet3) waren die Transkriptmengen, im Vergleich zu den Kontrollen, in überreifen Oozyten signifikant reduziert. Außerdem wurde die Poly(A)-Schwanzlänge von ME-Genen untersucht, da diese die Effizienz der Translation eines Transkriptes in der Oozyte bestimmt. In überreifen Oozyten zeigte der Großteil der analysierten Kandidatengene eine Verlängerung des Poly(A)-Schwanzes. Ähnliche Ergebnisse wurden auch bei in vitro präovulatorisch überreifen Oozyten aus einer Follikelkultur beobachtet, obwohl hier nicht die gleichen ME-Gene beeinträchtigt waren.
Die beobachtete Abnahme von Ybx2-Protein und die Verlängerung des Poly(A)-Schwanzes der ME-Transkripte sind Prozesse, die während der Eizell-Reifung eigentlich später stattfinden. Die Beobachtung, dass diese Prozesse bei präovulatorischer Alterung früher stattfinden, impliziert, dass auch die Rekrutierung von mRNA für die Proteintranslation verfrüht stattfinden könnte, was die Transkription im Embryo beeinflussen kann. Diese Annahme wird durch Analysen zur Aktivierung der Transkription im 2-Zell-Embryo unterstützt. Embryonen wurden in BrUTP inkubiert, welches sich während der Transkription in die RNA einlagert und mit Immunofluoreszenz nachgewiesen werden kann. Dieses Experiment zeigte, im Vergleich zu Kontrollen, eine Zunahme der Transkription in Embryonen von überreifen Oozyten, was auf einen vorzeitigen Start der embryonalen Genomaktivierung hindeutet.
Zuletzt wurde die DNA-Methylierung von drei Genen, die dem Imprinting unterliegen (H19, Snrpn, Igf2r), in einzelnen 8-Zell-Embryonen analysiert. Deep amplicon bisulifte sequencing zeigte einen stabilen Erhalt der DNA-Methylierung nach präovulatorischer Überreife in den untersuchten Loci.
Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass die untersuchten Prozesse in der Oozyte und im frühen Embryo individuell reguliert sind und nicht alle durch präovulatorische Überreife gestört werden. Dennoch lässt sich sagen, dass präovulatorische Überreife die Qualität der Oozyte beeinträchtigt, mit möglichen Langzeiteffekten auf die Embryo-Entwicklung und den Reproduktionserfolg
Akute Zytokin-vermittelte thermische Hyperalgesie im Rattenmodell: Rolle von TRPV1
No full textDiese Studie untersucht mittels Verhaltenstestungen (Plantartest, Frey-Haare) am Rattenmodell, ob die akute intrathekale Injektion des proinflammatorischen Zytokins Tumornekrosefaktor (TNF) eine taktile Allodynie und/oder eine thermale Hyperalgesie auslöst und ob das zytokin-induzierte schmerzassoziierte Verhalten durch die intrathekale Applikation des TRPV1 (transient-receptor-potential-vanilloid 1)-Agonisten Resinferatoxin (RTX) moduliert werden kann.
Es wurde nachgewiesen, dass die intrathekale TNF-Injektion nach 24 h in den Dosierungen 2 ng und 200 ng im Vergleich zu den Vortesten eine signifikante taktile Allodynie und in den TNF-Dosierungen 20 ng und 200 ng eine signifikant unterschiedliche thermale Hyperalgesie auslöst. Durch anschließende intrathekale RTX- Applikation kann im Vergleich zu alleiniger intrathekaler TNF- Injektion ein signifikanter Anstieg der thermalen Rückzugslatenzen nach 24 Stunden in den TNF-Dosierungen 20 ng und 200 ng festgestellt und somit die Entstehung einer zuvor von TNF-induzierten thermalen Hyperalgesie verhindert und im Vergleich zur Kontrollgruppe auch eine Veränderung der thermalen Sensibilität festgestellt werden. Die Entwicklung einer taktilen Allodynie wird von der intrathekalen RTX-Injektion nicht beeinflusst.
Aus den Ergebnissen kann ein von der TNF-Dosierung abhängiger analgetischer Wirkungseffekt von RTX vermutet und somit gefolgert werden, dass die Pharmakotherapie mit selektiven TRPV1-Agonisten wie RTX in der medikamentösen Behandlung neuropathischer Schmerzen einen entscheidenden Vorteil bietet. Als mögliches zelluläres Korrelat kommt eine durch TNF induzierte erhöhte TRPV1-Rezeptorexpression oder eine durch TNF induzierte verstärkte Hemmung spannungsabhängiger Calciumkanäle in Betracht.
Diese Studie trägt zur weiteren Erforschung TRPV1-selektiver Pharmaka in der medikamentösen Therapie bei neuropathischen Schmerzsyndromen bei und bietet mittelfristig eine Grundlage für weitere klinische Studien
Empirical physical properties of oversaturated urban traffic and energy efficiency of vehicles
No full textEs werden die empirischen physikalischen Eigenschaften des übersättigten innerstädtischen Verkehrs analysiert und der Zusammenhang zwischen übersättigtem innerstädtischem Verkehr und der Energieeffizienz von Fahrzeugen untersucht. Der empirischen Untersuchung des übersättigten innerstädtischen Verkehrs liegen anonymisierte GPS-Einzelfahrzeugdaten von Navigationsgeräten zugrunde. Zusätzlich werden aggregierte Daten der mittleren Geschwindigkeit und des Verkehrsflusses herangezogen, die von stationären Detektoren gemessen wurden. Die empirische Untersuchung zeigt, dass empirischer übersättigter Verkehr nach Einbruch der Geschwindigkeit aus klassischen Folgen von Moving Queues, Strukturen des Synchronisierten Verkehrs und Mischungen aus Moving Queues und Synchronisiertem Verkehr besteht. Diese Muster wechseln sich dabei typischerweise in Raum und Zeit ab. Bei einer starken Engstelle lässt sich eine empirische Mega-Queue beobachten. Ein weiteres Ergebnis ist, dass die Energieeffizienz von Fahrzeugen im übersättigten Verkehr verbessert werden kann, wenn der übersättigte Verkehr nur aus Synchronisiertem Verkehr besteht und nicht aus Moving Queues. Als praktisch anwendbares Ergebnis werden makroskopische Energiematrizen zur Online-Berechnung energieeffizienter Routen für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor und für Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb gezeigt.Oversaturated urban traffic is analyzed regarding its empirical physical properties, and the connection between oversaturated urban traffic and the energy efficiency of vehicles is studied. The empirical analysis of oversaturated urban traffic is based on anonymized single-vehicle GPS data from navigation devices. In addition, aggregated data of mean speed and traffic flow measured by stationary detectors are used. The empirical analysis shows that empirical oversaturated traffic after speed breakdown consists of classical sequences of moving queues, synchronized flow patterns and mixtures between moving queues and synchronized flow. Typically, these traffic patterns alternate in space and time. At a heavy bottleneck, an empirical mega-queue is observed. A further result is that the energy efficiency of vehicles in oversaturated traffic can be improved if oversaturated traffic consists only of synchronized flow rather than consisting of sequences of moving queues. As a practical result, macroscopic energy matrices for the on-line calculation of energy efficient routes are presented for vehicles with a combustion engine and for electrical vehicles
Modeling of 3D Time-of-Flight Sensors and Systems
No full textOptische Distanzmessungen erlangen in jüngster Zeit immer größere Bedeutung. Die Anwendungsgebiete erstrecken sich vom Laser-Entfernungsmesser aus dem Baumarkt über Gestenerkennung bei Spielkonsolen bis hin zu autonomen Fahrzeugen.
Die in dieser Arbeit eingesetzte Methode zur optischen Distanzbestimmung ist das so genannte pulse-modulated Time-of-Flight-Verfahren (pm ToF). Dabei wird die Zeit bestimmt, die ein ausgesendeter Lichtpuls benötigt, bis er an einem Objekt reflektiert wird und von dort auf einen Sensor trifft. Aus dieser Laufzeit lässt sich die Entfernung zu dem Objekt berechnen.
Es hat sich gezeigt, dass die ermittelte Distanz von der Bestrahlungsstärke abhängt. In der Praxis führt dies zu unterschiedlichen Messergebnissen für Flächen unterschiedlicher Reflektanz in derselben Entfernung.
Mit Hilfe des in dieser Arbeit entwickelten Modells konnte gezeigt werden, dass dieser Effekt in der bestrahlungsabhängigen Driftgeschwindigkeit der durch den Laserpuls generierten Ladungsträger im Photoaktivgebiet begründet ist. Die Drift wird über eine inhomogene, nichtlineare, partielle Differentialgleichung beschrieben und diese für einige Spezialfälle analytisch gelöst.
Darauf aufbauend wird die Bewegung der Ladungsträger ausführlich numerisch untersucht und mit Messergebnissen bestehender Sensoren verglichen. Dabei zeigt sich, dass Simulation und Messung gut übereinstimmen und der Ladungstransport somit durch das Modell gut beschrieben wird.
Mit den Erkenntnissen des Modells und den Vorhersagen bezüglich der Transferzeit ist es möglich, das Photoaktivgebiet für einen möglichst schnellen Ladungstransport zu optimieren. Dies wird anhand eines neuen Pixel-Layouts demonstriert, das mit Hilfe des Modells entworfen und anschließend gefertigt wurde.
Da auch ein optimiertes Pixel die Bestrahlungsabhängigkeit nicht vollständig eliminieren kann, wird als weitere Anwendung des Modells eine angepasste Kalibrationsmethode vorgestellt. Durch das Modell können Korrekturen berechnet werden, die das dynamische Verhalten des Sensors berücksichtigen. Die gemessenen Signale werden hiermit verrechnet und es kann eine deutliche Verbesserung der Distanzmessung erreicht werden.The importance of optical distance measurement is continuously growing in modern day life. Various applications ranging from simple hand-held distance measuring gadgets to more complex gesture control for video games or autonomous driving systems are based on the technology.
The distance measurement technique used in this work is the so-called pulse-modulated time-of-flight method. In this case, the distance to an object is resolved from a time interval a laser pulse requires to travel to the object and after being reflected to a sensor.
Measurement data show that calculated distance depends on the irradiance, thus leading to different results for dark and bright areas in the same distance. To study this phenomenon a special simulation model has been introduced, which reveals that the effect originates from the irradiance dependent drift velocity of charge carriers generated in the sensor photoactive area by the reflected laser pulse. In the model the charge transport is described by an inhomogeneous, non-linear, partial differential equation, which has been solved analytically for various cases and compared to measurements on actual time-of-flight sensors. The result was an excellent agreement between the model based simulation and measurement data.
Implications of the model and prediction of the charge transfer allow for optimization of sensor pixel geometry and doping gradient to achieve fast charge transfer. The procedure has been demonstrated on a sensor with a newly designed pixel photoactive area.
Optimization of the sensor photoactive area cannot eliminate the irradiance dependence completely. Therefore, an advanced calibration algorithm has been developed: from the intensity of the reflected pulse and calculated transient behavior corrections can be calculated, which consider dynamic properties of a sensor. By applying these corrections to the measured sensor output signal precision of a range measurement can be dramatically enhanced
Computerbasierte Modellierung und Analyse der Gestalt und Verteilung von Partikeln zur Optimierung des Reinheitsgrades von Stahlwerkstoffen - Konzeption und Implementierung eines Rahmenwerks
No full textDie statistische Analyse von Partikelsystemen spielt in vielen Anwendungskontexten der Materialwissenschaften eine wichtige Rolle. Dabei ist sowohl die statistische Analyse der Gestalt der individuellen Partikel als auch die Analyse der Verteilungseigenschaften des gesamten Partikelkollektivs von Bedeutung. Eine Vielzahl wissenschaftlicher Veröffentlichungen der letzten Jahre fokussierte diese Themengebiete. Darin wurden diverse Verfahren zur Analyse von Partikelsystemen vorgestellt. Eine Integration dieser Techniken zu einem einheitlichen Analysesystem für dreidimensionale Partikelsysteme steht aber nach wie vor aus. Diese Lücke wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit durch das Bereitstellen eines theoretischen Rahmenwerks zur vollständigen statistischen Analyse von dreidimensionalen Partikelsystemen nebst protoypischer Implementierung geschlossen. Die Entwicklung dieses Rahmenwerks wurde dabei maßgeblich durch das von der Europäischen Union geförderte Ziel2-Projekt Silenos beeinflusst. Im Zuge dieses Projekts wurde an einer Methode zur schnellen Quantifizierung und Charakterisierung von Defekten, wie nichtmetallischen Einschlüssen und Poren, in Stahlproben geforscht. Die Detektion dieser Verunreinigungen erfolgt mittels Methoden der Bildverarbeitung in Bildern schichtweise abgefräster Werkstoffproben. Parallel zum Fräs- und Bildaufnahmeprozess werden die Bilder inkrementell segmentiert, die detektierten Defekte unter der Annahme einer dreidimensionalen Ausdehnung rekonstruiert, klassifiziert und schließlich statistisch ausgewertet. Dieser als Online-System bezeichnete Betriebsmodus erlaubt das Steuern des Fräsprozesses auf Basis der Ergebnisse der statistischen Auswertung nach jeder verarbeiteten Schicht und muss demnach von Rahmenwerk unterstützt werden. Die vorsegmentierten Schichtbilder des durch die Verunreinigungen geformten Partikelsystems bilden dabei die Grundlage für die im Rahmenwerk entwickelten Methoden. Ausgangspunkt ist die formale Definition des Partikelbegriffs, auf Basis derer Algorithmen zur effizienten Rekonstruktion der dreidimensionalen Morphologie der Partikel inkrementell aus den Schichtbildern abgleitet werden. Anhand der Rekonstruktion lässt sich dann die Gestalt der Partikel statistisch, durch geeignete Deskriptoren, quantifizieren und die Verteilung dieser untersuchen. Im Zentrum der Arbeit steht die Analyse der Größenverteilung und der räumlichen Verteilung mit dem Ziel, geeignete Modelle zu definieren, welche die Verteilungen adäquat beschreiben. Dazu werden zunächst explorative Datenanalysewerkzeuge zur Unterstützung des Modellbildungsprozesses eingeführt. Anschließend werden Schätzverfahren zur Parametrisierung der Modelle aus den beobachteten Daten besprochen und in einem letzten Schritt Modellvalidierungstechniken definiert, mit welchen die Übereinstimmung von Modell und beobachteten Daten überprüft werden kann. Zusammengenommen bilden diese, zunächst generisch eingeführten Methoden das Rahmenwerk. Dieses Rahmenwerk wird im weitern Verlauf der Arbeit verwendet, um die im Online-System definierten Operationen,
nämlich Rekonstruktion, Klassifikation und statistische Auswertung umzusetzen. Des Weiteren werden die Methoden des Rahmenwerks eingesetzt, um ein Modell für die Verteilung von nichtmetallischen Einschlüssen in Stahlproben zu konstruieren. Dieses Modell liefert die Grundlage für eine Simulationssoftware, mit der künstliche Stahlproben generiert werden. Anhand dieser lassen sich schließlich die Laufzeitanforderungen der im Rahmenwerk definierten Methoden für das Online-System validieren