University of Kaiserslautern
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Kontrolle des Aggregationsverhaltens oberflächenmodifizierter Nanopartikel
Get PDFIm Rahmen dieser Arbeit wurde das durch supramolekulare Wechselwirkung induzierte Aggregationsverhalten und die Selbstorganisation von Metallnanopartikeln untersucht. Hierfür wurden Gold- und Silbernanopartikel mit kationischen und neutralen Liganden funktionalisiert, wobei die kationischen Liganden terminale Adamantyl- oder Octylgruppen als Bindungsmotive enthielten. Deren Wechselwirkung mit den Bis(cyclodextrine) Bis-α-CD und Bis-β-CD löste die Aggregation der Nanopartikel aus.
UV/Vis-spektroskopische Untersuchungen zeigten eine Korrelation zwischen der Konzentration der Bis(cyclodextrine), die für die Nanopartikelaggregation nötig war und der Stabilität der betreffenden Komplexe zwischen dem Cyclopeptid und dem Bindungspartner auf der Nanopartikeloberfläche. Weiterhin wurde das Aggregationsverhalten von der Ligandenstruktur, dem Verhältnis der oberflächengebundenen Liganden und dem Linker zwischen den Cyclodextrinringen im Bis(cyclodextrin) beeinflusst. Entsprechend zeigten Nanopartikel mit identischem Bindungsmotiv, aber unterschiedlichem Funktionalisierungsgrad, ein unterschiedliches Aggregationsverhalten und konnten selektiv aggregiert werden.
Auf diese Weise wurde eine Nanopartikelkombination mit orthogonalen Bindungsmotiven entwickelt, die auf vier unterschiedlichen Stimuli mit vier klar unterscheidbaren Farben reagierte.
Diese Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für die Entwicklung modularer Sensorplattformen mit gezielt einstellbarer Selektivität und Empfindlichkeit, die auch in komplexen Systemen eine eindeutige visuelle Detektion ermöglichen.
Die Immobilisierung eines Benzimidazol-haltigen Liganden auf der Nanopartikeloberfläche erlaubte es, die durch Bis-β-CD induzierte Nanopartikelaggregation durch die Veränderung der pH-Werte zu kontrollieren. So führte das Bis(cyclodextrin) nur bei hohen pH-Werten zu einer Aggregation der Nanopartikel, während unter sauren Bedingungen, die zur Protonierung der Benzimidazoleinheiten führten, eine Aggregation ausblieb. Diese pH-Wert Abhängigkeit der Aggregation erwies sich als reversibel, sodass durch wiederholte pH-Wert-Veränderungen zwischen dem aggregierten und nicht-aggregierten Zustand der Nanopartikel alterniert werden konnte
Desgin and Characterization of an Optoelectronic Laser Synchronization System for Spectrum and Network Analysis
Get PDFAs global reliance on high-speed data communication and advanced sensing technologies intensifies, the need for precise, high-performance measurement tools has become a strategic necessity for developing the next-generation devices and systems. Especially, test platforms for the characterization of signals and components in the upper microwave to terahertz frequency range are gaining critical relevance, as these spectral regions are expected to unlock new capabilities in bandwidth, resolution, and reliability for upcoming scientific and industrial applications. Nowadays, electronic spectrum and network analyzers are well-established instruments to perform these measurement tasks. Such platforms operate by sweeping the frequency across the desired measurement bandwidth to analyze signal parameters like amplitude, phase, impedance, and noise characteristics. In the radio, microwave, and millimeter-wave domains - ranging up to several tens of gigahertz - testing is typically carried out using commercially available, standalone systems that integrate signal generation, processing, and analysis in a single unit. However, due to inherent limitations in scaling to higher frequencies, extending the frequency coverage into the terahertz band usually requires the addition of electronic extension modules. These modules upconvert lower-frequency signals into the terahertz range using nonlinear mixing processes and dedicated multiplier chains, while the received signals are similarly downconverted for analysis within the native bandwidth of the base instrument. Since each module is constrained in both bandwidth and output power, multiple units are often needed to cover a broad spectral range - significantly increasing the complexity and cost of such test solutions. Moreover, even in today’s most advanced systems, the maximum achievable frequency remains limited to around 1.5 THz. In this work, a novel approach to high-resolution spectrum and network analysis in the terahertz domain is presented, combining electronic and photonic technologies to enable high-frequency operation and precise signal characterization. The developed measurement systems are based on an optoelectronic - also called hybrid - concept for the frequency synchronization of laser beat signals with electronic narrow-band emitters. By phase-locking the laser difference frequency to the highly stable output of the electronic multiplier chains, the fundamental linewidth limitation of the individual lasers - typically in the megahertz range - can be effectively suppressed, resulting in a beat signal whose spectral purity is defined by the electronic reference. Sending these phase-locked signals to a biased photoconductive antenna (PCA), the narrow linewidth directly translates into the generation of highly coherent continuous-wave terahertz radiation. Similarly, at the receiver side, illuminating a second PCA with the phase-locked optical tones enables coherent detection of terahertz radiation, where the induced photocurrent carries both amplitude and phase information of the incoming terahertz wave. This optically driven heterodyne approach shifts generation and detection into the photonic domain, offering a reliable and accurate measurement platform for terahertz analysis with exceptional spectral resolution and phase stability, surpassing traditional photonic analyzer systems in terms of precision and versatility. Unfortunately, the bandwidth and upper frequency limit of the system remain bound to the specifications of the electronic reference source. To overcome this constraint and extend the frequency range while preserving high spectral purity and phase coherence, additional lasers can be integrated in a cascaded configuration. Incorporating a third laser allows for the generation and detection of terahertz signals at frequencies up to twice the range defined by the electronic multiplier chain. Furthermore, by introducing a second reference source and accordingly tuning the laser frequencies relative to one another, seamless spectral coverage can be achieved, effectively closing gaps in the measurement bandwidth. Leveraging this hybrid concept, it is demonstrated in this thesis that nearly arbitrary terahertz signals can be generated and detected with hertz precision, extending up to 1 THz. Building on this synchronization approach, a high-resolution photonic spectrum analyzer (PSA) and a photonic vector network analyzer (PVNA) were developed. While the PSA is designed as a standalone system capable of analyzing signals up to 1 THz, the PVNA is realized as an extension module for electronic network analyzers, serving as the backend. Owing to the PVNA configuration, one laser pair must be allocated to generate the stable intermediate frequency expected by the electronic backend, which, given the availability of only three lasers, restricts the measurement range to 70 GHz to 520 GHz. To evaluate the performance of the developed photonic systems, spurious harmonics from different multiplier chains are analyzed with the PSA, while the PVNA extender is used to characterize various bandpass filters and waveguides. The resulting measurements demonstrate strong agreement with comparison data from simulations and commercial extension modules, confirming the accuracy and reliability of the concepts. Lastly, four-wave mixing (FWM) is explored as an alternative to laser cascading for extending the measurement range, where the beat signal from a laser pair is fed into an optical amplifier that generates conjugate frequencies through the nonlinear FWM process. By mixing the two conjugate frequencies, bandwidth tripling is achieved, significantly increasing the spectral coverage of the photonic systems. However, since the conjugate frequencies are significantly weaker than the original pump signals, effective filtering of the pump is required to use the signal for terahertz generation and detection. To address this, an experimental filtering setup is presented, utilizing two transmission gratings to spatially isolate and filter the respective frequency components. As a result, phase-locked beat signals with frequencies of more than 1 THz can be achieved using just a single laser pair, demonstrating potential for reaching even higher measurement bandwidths in future photonic concepts.Mit dem wachsenden globalen Bedarf an schnellen Datenübertragungen und fortschrittlicher Sensortechnik steigt auch die Bedeutung präziser, leistungsfähiger Messinstrumente für die Entwicklung künftiger Hochfrequenz-Komponenten und -Systeme. Besonders Testplattformen zur Charakterisierung von Signalen im Mikrowellen- bis Terahertzbereich gewinnen zunehmend an Relevanz, da diese Spektralbereiche neue Möglichkeiten in Bandbreite, Auflösung und Zuverlässigkeit für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen eröffnen. Elektronische Spektrum- und Netzwerkanalysatoren gelten dabei als etablierte Standardinstrumente. Sie analysieren Signalparameter wie Amplitude, Phase, Impedanz und Rauschen, indem sie die Frequenz innerhalb ihrer Messbandbreite durchstimmen. Im Radio-, Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich bis zu mehreren zehn Gigahertz kommen hierfür meist kompakte Standalone-Lösungen zum Einsatz, die Signalverarbeitung und Analyse in einem Gerät vereinen. Trotz steigender Leistungsfähigkeit stoßen elektronische Systeme bei sehr hohen Frequenzen schnell an physikalische Grenzen. Um dennoch den Terahertzbereich adressieren zu können, sind in der Regel zusätzliche Erweiterungsmodule notwendig. Diese wandeln niederfrequente Signale über nichtlineare Mischprozesse und Multiplikatorketten in höhere Frequenzen um, während eingehende Signale zurück in den Arbeitsbereich des Grundgeräts konvertiert werden. Da jedes Modul nur eine begrenzte Bandbreite und Ausgangsleistung bietet, sind oft mehrere Module notwendig, was Komplexität und Kosten der Messsysteme erheblich erhöht. Selbst modernste Systeme erreichen so derzeit maximal Frequenzen von 1,5 THz. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz für hochauflösende Spektrum- und Netzwerkanalysen im Terahertzbereich vorgestellt, der elektronische und photonische Technologien kombiniert, um Hochfrequenzsignale präzise zu charakterisieren. Die entwickelten Messsysteme beruhen auf einem optoelektronischen Verfahren, das Laserbeatfrequenzen mit elektronischen Schmalbandquellen synchronisiert und daher auch als hybrides Konzept bezeichnet wird. Die Phasensynchronisation der Laserdifferenzfrequenz mit der hochstabilen elektronischen Vervielfacherkette ermöglicht es, die Linienbreite des Beatsignals von einigen Megahertz auf die deutlich geringe Breite der Referenz zu reduzieren. Wird dieses Signal auf eine vorgespannte photoleitende Antenne gerichtet, erzeugt diese hochkohärente, kontinuierliche Terahertzstrahlung. Ebenso ermöglicht das Beleuchten einer zweiten photoleitenden Antenne mit dem phasensynchronisierten optischen Beat die kohärente Detektion der Terahertzstrahlung, wobei der induzierte Photostrom sowohl Amplituden- als auch Phaseninformationen der einfallenden Terahertzwelle enthält. Dieser Heterodyn-Ansatz verlagert sowohl die Erzeugung als auch die Detektion in den optischen Bereich und bietet eine hochpräzise Messplattform für die Analyse von Terahertzsignalen, die durch überlegene spektrale Auflösung und Phasenstabilität herkömmliche photonische Systeme in puncto Genauigkeit und Vielseitigkeit übertrifft. Trotz der hohen spektralen Auflösung und Phasenkohärenz bleibt die nutzbare Bandbreite des Systems durch die Spezifikationen der elektronischen Referenzquelle begrenzt. Um den Frequenzbereich dennoch erweitern zu können, lässt sich das Konzept durch zusätzliche Laser in kaskadierter Anordnung ergänzen. Die Integration eines dritten Lasers ermöglicht die Erzeugung und Detektion von Terahertzsignalen bei Frequenzen von bis zu zweimal der oberen Grenzfrequenz der elektronischen Multiplikatorkette. Wird zusätzlich eine zweite Referenzquelle eingesetzt und die Frequenzen der beteiligten Laser präzise aufeinander abgestimmt, lässt sich eine nahtlose spektrale Abdeckung erzielen, die bestehende Frequenzlücken in der Messbandbreite effektiv schließt. Mithilfe dieses Hybrid-Konzepts können nahezu beliebige Terahertzsignale mit Hertz-Präzision erzeugt und detektiert werden, wobei der Frequenzbereich auf bis zu 1 THz erweiteret wird. Auf Grundlage dieses Synchronisations-Konzepts wurden im Rahmen dieser Arbeit ein hochauflösender photonischer Spektrumanalysator (PSA) sowie ein photonischer Vektor-Netzwerkanalysator (PVNA) entwickelt. Während der PSA als eigenständiges System zur Analyse von Signalen bis zu 1 THz konzipiert ist, wurde der PVNA als Erweiterungsmodul für elektronische Netzwerkanalysatoren realisiert. In der PVNA-Konfiguration ist ein Laserpaar für die Erzeugung der stabilen Zwischenfrequenz erforderlich, weshalb bei nur drei zur Verfügung stehenden Lasern die Messbandbreite auf 70 GHz bis 520 GHz beschränkt ist. Zur Demonstration der Leistungsfähigkeit der entwickelten photonischen Systeme wird der PSA zur Analyse parasitärer Harmonischer verschiedener Multiplikatorketten eingesetzt, während der PVNA zur präzisen Charakterisierung von Bandpassfiltern und Wellenleitern dient. Die Messergebnisse stimmen hervorragend mit Vergleichsdaten aus Simulationen und kommerziellen Erweiterungsmodulen überein und belegen damit die hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit der entwickelten Konzepte. Abschließend wird Vier-Wellen-Mischen (VWM) als Alternative zur Laserkaskadierung zur Erweiterung der Messbandbreite untersucht. Dabei wird das Beatsignal eines Laserpaars in einen optischen Verstärker eingespeist, der durch den nichtlinearen VWM-Prozess konjugierte Frequenzen erzeugt. Durch das Mischen dieser konjugierten Frequenzen lässt sich eine effektive Bandbreitenverdreifachung erzielen, wodurch die spektrale Abdeckung der photonischen Systeme deutlich vergrößert wird. Da die konjugierten Frequenzen jedoch signifikant schwächer sind als die ursprünglichen Pumpsignale, ist eine effektive Filterung der Pumpfrequenzen erforderlich. Zu diesem Zweck wird ein experimentelles Filtersystem vorgestellt, das zwei Transmissiongitter verwendet, um die jeweiligen Frequenzkomponenten räumlich zu isolieren und anschließend zu filtern. Auf diese Weise können phasensynchronisierte Beatsignale mit Frequenzen von mehr als 1 THz mit nur einem einzigen Laserpaar erzeugt werden, was das Potenzial eröffnet, in zukünftigen photonischen Konzepten noch größere Messbandbreiten zu realisieren
Entwicklung einer thermo-mechanischen Simulation des Laser Powder Bed Fusion Prozesses
Get PDFLaser Powder Bed Fusion, im Deutschen als Laserstrahlschmelzen bezeichnet, ist ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung komplexer Bauteile. Dabei wird ein pulverförmiger Werkstoff schichtweise aufgetragen und mit Hilfe eines Lasers aufgeschmolzen. Durch den lokalen Lasereinsatz und die damit verbundene schnelle Abkühlung sowie die anschließende Wiedererwärmung können jedoch unerwünschte Eigenspannungen und Deformationen entstehen. Um diese zu vermeiden und gleichzeitig optimale Bauteileigenschaften sowie eine stabile Prozessführung zu gewährleisten, ist eine präzise Einstellung der Prozessparameter wie Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Schichthöhe unerlässlich. Die Prozesssimulation stellt dabei eine effektive Methode zur Ermittlung der optimalen Parameter dar und spielt eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung der gewünschten Material- und Bauteileigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wird ein Simulationsframework vorgestellt, das die thermo-mechanische Prozesssimulation auf Meso- und Makroskala mittels der Finite-Differenzen-Methode auf Grafikprozessoren ermöglicht. Das Simulationsframework wurde so entwickelt,dass das Preprocessing vollautomatisch allein auf Basis der Prozessparameter und des G-Codes durchgeführt wird. Dadurch wird der erhebliche Vorbereitungsaufwand, der bei herkömmlichen Programmen zur Simulation des Laserstrahlschmelzens erforderlich ist, deutlich reduziert. Neben der Modellierung und Implementierung umfasst die Arbeit auch die Validierung der Modelle mit experimentellen Daten sowie Parameterstudien, die zeigen, dass das entwickelte Framework eine solide Grundlage für zuverlässige Analysen bietet.Laser powder bed fusion is an additive manufacturing process used for producing complex components. In this process, a powdered material is applied layer by layer and melted using a laser. However, due to the localized laser application and the associated rapid cooling and subsequent reheating, undesirable residual stresses and deformations can occur. To avoid these issues while ensuring optimal component properties and a stable process, precise adjustment of process parameters such as laser power, scanning speed, and layer thickness is essential. Process simulation serves as an effective method for determining the optimal parameters and plays a crucial role in ensuring the desired material and component properties. This work presents a simulation framework that enables thermo-mechanical process simulation at the meso- and macro-scale using the finite difference method on graphics processors. The simulation framework was developed to perform preprocessing fully automatically, based solely on process parameters and G-code. This significantly reduces the substantial preparation effort typically required by conventional programs for simulating laser beam melting. In addition to the modeling and implementation, the work also includes the validation of the models with experimental data as well as parameter studies, demonstrating that the developed framework provides a solid foundation for reliable analyses
Model-Based Design of Program Organization Units Using Synchronous Languages
Get PDFProgrammable Logic Controllers (PLCs) are typically applied in industrial environments with real-time requirements. In many cases, PLC development is based on standards defined by the International Electrotechnical Commission (IEC), in particular IEC 61131-3. This standard describes various languages for developing Program Organization Units (POUs), including the textual language Structured Text (ST) and graphical Function Block Diagrams (FBDs), two languages that have become widely accepted and often used in real-world applications. POUs are typically used over a long period of time and extended incrementally. As a result, their structural complexity and the associated challenges such as maintainability and readability tend to increase. In addition, safety-critical applications require formal verification, which can be achieved by translating IEC 61131-3 POUs into formal models. This often results in domain-specific models for verification purposes only. Furthermore, the transition to other development approaches, such as model-based design or changes to hardware that is not IEC 61131-3 compliant, often requires that existing IEC 61131-3 POUs be partially or completely designed from scratch. In contrast, synchronous languages have proven to be efficient for the modeling and formal verification of reactive real-time systems in both research and industrial applications. Therefore, this thesis introduces several detailed transformations to translate existing ST- and FBD-based POUs into semantically equivalent synchronous models. These transformations allow POUs to be reused in a model-based design approach that supports formal verification. Furthermore, a formal methods-based optimization approach is introduced, which significantly reduces (on average) the structural complexity of real-world data-flow models such as FBDs. It is also shown how hierarchical statecharts can be derived from ST- and FBD-based models to provide an alternative graphical representation of the control flow. The correctness of these approaches is analyzed both theoretically, based on the syntax and formal semantics of the languages, and practically, based on appropriate IEC 61131-3 POUs, by integrating the transformation and optimization approaches into PLCreX, an application developed as part of this research
Integration von Projektmanagement in den kommunalen Haushalt: Eine quantitative Untersuchung von Herausforderungen und Erfolgsfaktoren bei nordrhein-westfälischen Kommunen der Größenklassen 3 und 4 gemäß Unterteilung der Kommunalen Gemeinschaftsstelle für Verwaltungsmanagement (KGSt)
Get PDFDie Masterarbeit untersucht die Integration von Projektmanagement in die kommunale Haushaltswirtschaft am Beispiel nordrhein-westfälischer Kommunen der KGSt-Größenklassen 3 und 4. Ziel der Studie ist es, den aktuellen Stand der institutionellen Verankerung projektbezogener Steuerungs- und Planungsinstrumente zu erfassen, zentrale Herausforderungen und Erfolgsfaktoren zu identifizieren sowie praxisorientierte Handlungsempfehlungen abzuleiten.
Theoretisch werden kommunale Organisations- und Haushaltsstrukturen mit traditionellen, agilen und hybriden Projektmanagementansätzen sowie mit Steuerungsmodellen wie Business-Excellence-Frameworks und digitalen Zwillingen verknüpft. Die Literaturrecherche zeigt, dass Kommunen bislang über geringe Reifegrade verfügen, während privatwirtschaftliche Ansätze ganzheitliche Governance- und Controllingmodelle längst etabliert haben – ein Befund, der strukturelle Defizite verdeutlicht und Orientierung für mögliche Lösungswege bietet.
Auf dieser Basis erfolgt eine quantitative Online-Befragung von 36 Führungskräften aus 26 Kommunen, die überwiegend den Bereichen Finanzen und Organisation angehören. Die Ergebnisse zeigen eine fragmentarische Integration von Projektmanagement in Haushaltsprozesse: Zentrale Projektmanagementeinheiten (PMOs) sind selten, Projekte werden überwiegend unsystematisch im Haushaltsplan abgebildet, strategische Ziele und Kennzahlen sind nur punktuell verankert. Zugleich wird ein deutlicher Bedarf an strategischer Rahmung und institutioneller Verankerung sichtbar.
Darauf aufbauend wird ein integriertes Steuerungsmodell vorgestellt, das politische Zielsetzungen, Budgetprozesse und projektbezogene Steuerungsinstrumente in einem kontinuierlichen Kreislauf verbindet. Es kombiniert strategische Priorisierung, operative Projektsteuerung und systematisches Controlling und eröffnet so die Möglichkeit, Haushalts- und Projektlogik wirkungsvoll zu verknüpfen.
Kompakte Handlungsempfehlungen umfassen die strategische Verankerung von Projekt- und Portfoliomanagement, die Stärkung zentraler PMO-Strukturen, den Aufbau verbindlicher Kennzahlensysteme und die Förderung einer lernorientierten Verwaltungskultur. Perspektivisch werden datenbasierte Simulationsmodelle wie Urbane Digitale Zwillinge als Schlüssel für eine integrierte, evidenzbasierte Steuerung kommunaler Projekte diskutiert.
Die Untersuchung bestätigt, dass eine systematische Integration von Projektmanagement in den Haushaltskreislauf bislang aussteht, zugleich aber erhebliche Potenziale für eine leistungsfähigere, transparentere und zukunftsfähige kommunale Verwaltung bietet
Generative Adversarial Networks for Time Series Simulation
Get PDFGenerative Adversarial Networks for Time Series Simulation
Generative Adversarial Networks (GANs), first introduced by Ian Goodfellow in 2014, have revolutionized the architecture of deep neural networks by enabling the generation of realistic data across various domains. In this study, we apply GANs to the generation of synthetic financial data, aiming to replicate real-world patterns. This approach allows us to extend limited historical datasets, train machine learning models more effectively, and conduct simulations for various financial applications.
In this study, we focus on two types of GANs: ForGAN and TimeGAN. ForGAN, a variant of Conditional GANs (cGAN), is designed to model the probability distribution of the one-step ahead value in a time series, specifically xt+1 by conditioning on historical data x0,x1,...,xt. We applied ForGAN to two distinct datasets: the first being 15-minute electricity consumption data from Germany’s intraday market, a more regular and seasonal dataset; and the second, the Standard & Poor’s 500 (S&P 500) index, which represents financial data characterized by volatility and non-stationarity. Our analysis involved addressing several key aspects of the data: the impact of data transformation techniques, the treatment of outliers, and extensive hyperparameter tuning to enhance the model’s performance. These adjustments were essential to accurately simulate future time periods for both datasets, allowing us to assess the strengths and limitations of ForGAN in handling distinct types of time series data.
In addition to generating future data, we extended our study to financial applications, particularly in the areas of Value at Risk (VaR) estimation and portfolio optimization. Two portfolio optimization approaches were examined: the Markowitz mean-variance method and the Maximization of the Expected Growth Rate. A crucial task in portfolio optimization is estimating key parameters such as means and covariances. However, in many cases, there is insufficient historical data to accurately estimate these parameters. To address this, we
generated additional data using ForGAN. In order to preserve correlations between assets, we applied Principal Component Analysis (PCA) to the joint log returns of stock prices for Amazon, Apple, and Netflix, trained separate GANs for each principal component, and then transformed the generated data from each component back into the log return space to estimate the parameters relevant for portfolio optimization, on standard training data and simulated data by GANs in order to compare their performance.
To further compare the performance of ForGAN with PCA, we employed another GAN
model, TimeGAN. TimeGAN uses an embedding network to represent the data in a lower dimensional space, allowing it to capture temporal dependencies and relationships across time points. However, while TimeGAN excels at preserving temporal patterns, the dimensionality reduction can introduce inaccuracies, particularly in retaining correlations between assets. For GAN with PCA, on the other hand, effectively maintains these correlations, providing a more
reliable framework for portfolio optimization.
Finally, we evaluated the reliability of GAN-generated data against historical data by using synthetic data where conditions are more controlled and the exact solution is known. Our analysis demonstrated that GAN-generated data led to improved portfolio allocations. Additionally, confidence intervals (CIs) for key parameters, such as drift, volatility, and correlation, were generally narrower for the GAN-generated data, indicating potentially higher precision and reliability in certain financial modeling settings. This suggests that, under the right circumstances, GAN-generated data can provide more reliable estimates
Optimal Task Planning and Predictive Online Motion Control for a Multi-Manipulator System
Get PDFThis thesis proposes an online task and motion planning (TAMP) approach, enabling an autonomous cooperation between multiple manipulators. Online execution of tasks by a group of manipulators poses challenges as an intricate inter-robot coordination is critical to keep the robotic system collision- and deadlock-free. The proposed optimization-based approach is hierarchically structured and consists of several layers, each considering an
individual aspect of the TAMP. To optimally distribute tasks between the robots, a task allocation problem is formulated as a mixed-integer programming problem. To allow a reactive behavior of each robot upon environmental changes during motion, an online motion planning approach, named DMPC-ELS, is proposed. The DMPC-ELS method is based on distributed model predictive control, where the trajectory planning problem of each robot is solved in parallel, taking the predicted trajectories of its neighbors into account.
This ensures that no inter-robot collisions occur. Unlike existing methods, the newly developed collision avoidance approach ELS does not rely on computing distances between collision-prone bodies, but rather checks the intersection of sets, overcoming the problem with nested logical conditions. Further, a newly developed online resolution procedure for treating deadlocks is proposed to resolve conflicting goals between deadlock-affected manipulators without interrupting the rest of the robotic team not involved in the deadlock.
Extensive simulation-based and experimental studies including several benchmark
analyses are carried out to show the advantages of the proposed TAMP approach. An additional scalability analysis demonstrates the limitations of the DMPC-ELS approach.Diese Arbeit befasst sich mit einem Ansatz zur Aufgaben- und Bewegungsplanung (TAMP), welcher eine autonome Kooperation zwischen mehreren Manipulatoren in Echtzeit
ermöglicht. Eine simultane und echtzeitfähige Ausführung von Aufgaben durch eine Gruppe von Manipulatoren stellt immer noch eine große erausforderung dar, da eine komplexe Koordination zwischen den Robotern erforderlich ist, um Kollisionen und Deadlocks
zu verhindern. Der vorgeschlagene Optimierungsbasierte TAMP-Ansatz ist hierarchisch
aufgebaut und besteht aus mehreren Ebenen, die jeweils einen individuellen Aspekt
des TAMP-Ansatzes realisieren. Um die Aufgaben optimal zwischen den Robotern zu verteilen,
wird ein gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsproblem formuliert. Um ein
reaktives Verhalten eines jeden Roboters auf instantane Änderungen in dessen Umgebung
und während dessen Bewegung zu ermöglichen, wird die DMPC-ELS-Methode als
Trajektorienplaner vorgeschlagen. Die vorgeschlagene DMPC-ELS-Methode basiert auf
einer verteilten modellprädiktiven Regelung, bei der das Trajektorienplanungsproblem jedes
Roboters parallel gelöst wird, wobei die prädizierten Trajektorien seiner Nachbarn
berücksichtigt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass keine Kollisionen zwischen den
Robotern auftreten. Im Gegensatz zu den bestehenden Methoden beruht die neu entwickelte
Methode zur Kollisionsvermeidung nicht auf der Berechnung von Entfernungen zwischen
kollisionsgefährdeten Körpern, sondern stellt sicher, dass deren Schnittmenge leer ist,
wodurch das Problem verschachtelter logischer Bedingungen nicht besteht. Im Weiteren
wird eine neu entwickelte Methode zur reaktiven Auflösung von Deadlocks vorgeschlagen,
um Zielkonflikte zwischen Manipulatoren, die von Deadlocks betroffen sind, reaktiv aufzulösen,
ohne den Rest des Roboterteams, der nicht in den Deadlock involviert ist, zu
unterbrechen. Umfangreiche simulationsbasierte und experimentelle Studien einschließlich
mehrerer Benchmark-Analysen werden durchgeführt, um die Vorteile des vorgeschlagenen
TAMP-Ansatzes aufzuzeigen. Eine zusätzliche Skalierbarkeitsanalyse zeigt die Grenzen
des DMPC-ELS-Ansatzes auf
Wassermanagement und Wasserdiplomatie in Zentralasien
Get PDFDie vorliegende Arbeit untersucht die multidimensionale Bedeutung des Umweltmediums Wasser für eine nachhaltige Entwicklungszusammenarbeit. Am Beispiel der Region Zentralasien wird analysiert, inwieweit konzeptionelle und strategische Ansätze mit langfristiger Perspektive dazu beitragen können, Nutzungskonflikte und Umweltrisiken im Rahmen kooperationsorientierter Programme zu verringern, lokale sowie regionale Entwicklungsimpulse zu fördern und die regionale Stabilität zu stärken. Besonders hervorgehoben werden verschiedene diplomatische Initiativen zur Förderung grenzüberschreitender Kooperation. Die Analyse stützt sich auf die Identifikation von Best-Case-Beispielen und eine vergleichende Untersuchung der entwicklungspolitischen Zielsetzungen sowie praktischer Handlungsansätze vor Ort. Dies ermöglicht eine präzise Identifikation von Potenzialen und Herausforderungen für eine nachhaltige, diplomatisch abgestimmte regionale und überregionale Zusammenarbeit. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen als Grundlage für Empfehlungen und Maßnahmen, die eine effektive Diplomatie und ein zielgerichtetes entwicklungspolitisches Programmdesign im Bereich der grenzüberschreitenden Wassernutzung unterstützen
Amtliche Bekanntmachung der RPTU Kaiserslautern-Landau 2025.03
Get PDFAmtliche Bekanntmachung der RPTU Nr. 3/17.04.202
Theorie U - Ein Kompass für die Krise? Potenziale und Limitationen der Theorie U für die systemische Beratung in mentalen Neuorganisationsprozessen von Lebenskrisen
Get PDFDie vorliegende Arbeit untersucht, inwiefern sich die in unternehmerischen Veränderungsprozessen bewährte Theorie U nach Otto Scharmer als bewusstseinsbasierte Methode wirksam auf den Verlauf und die Gestaltung einer Lebenskrise transferieren lässt und welche Anwendungsmöglichkeiten sich daraufhin für den systemischen Beratungskontext ergeben.
Ausgangspunkt ist die Annahme, dass die Lebenskrise als tiefgreifende Perturbation des psychischen Systems eine Neugestaltung mentaler Modelle erforderlich macht. Mit dem Fokus auf mentale Neuorganisationsprozesse werden daraufhin Möglichkeiten für die Systemische Beratung in der Krise gemäß der Grundidee der Theorie U, von der Zukunft her zu denken, eruiert.
Die Arbeit plausibilisiert die Potenziale der Theorie U für den Anwendungskontext anhand der Kompatibilität mit systemischen Prinzipien (z.B. Selbstreferentialität, strukturelle Kopplung und Multiperspektivität) und dem Vergleich mit dem Prozessmodell der Krise. Als Grenzen lassen sich insbesondere die reflexiven Anforderungen an die (emotional belastete) ratsuchende Person sowie die Steuerungsphantasie und der aus systemischer Sicht etwas zu pragmatische Idealismus der Theorie U, herausarbeiten. An die literaturanalytische Auseinandersetzung anknüpfend werden entsprechende Ableitungen für die Praxis generiert und ein praxisorientiertes Modell – die Metamorphasen – entwickelt, das die Theorie U in Form einer Metapher für die systemische Beratung nutzbar macht.
Der Mehrwert der Theorie U für die Systemische Beratung in Lebenskrisen liegt insbesondere im Prozessschritt des Presencing: Während die Krise mit dem schwächsten Punkt konfrontiert, hat die Theorie U das Potenzial, einen Menschen mit seinem stärksten Punkt zu verbinden. Die Vergegenwärtigung, Verdichtung und Erprobung der Zukunft ermöglichen mithilfe der Neuroplastizität eine zukunftsgerichtete mentale Neuorganisation: es entstehen neue Denkmuster und durch Wiederholung eine Art „Algorithmus“ im Bewusstsein.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Theorie U zwar kein synchron einsetzbares Werkzeug für die Phasen einer Krise darstellt, jedoch ab dem Wendepunkt der emotionalen Akzeptanz als wirksamer Kompass für die darauffolgenden Phasen fungieren kann. Durch die Kombination aus kognitiver, emotionaler und volitionaler Öffnung ermöglicht sie neue Sichtweisen und Handlungsmöglichkeiten. Sie liefert damit einen gewinnbringenden Beitrag für die systemische Beratung in der Krise und regt zur interdisziplinären Weiterentwicklung der Theorie U im psychologischen Kontext an