Klassifikationsgestützte on-line Adaption eines robusten beobachterbasierten Fehlerdiagnoseansatzes für nichtlineare Systeme

Diese Arbeit behandelt die Problemstellung der modellbasierten Fehlerdiagnose für Lipschitz-stetige nichtlineare Systeme mit Unsicherheiten. Es wird eine neue adaptive Fehlerdiagnosemethode vorgestellt. Erkenntnisse und Verfahren aus dem Bereich der Takagi-Sugeno (TS) Fuzzy-Modellbildung und des Beobachterentwurfs sowie der Sliding-Mode (SM) Theorie werden genutzt, um einen neuartigen robusten und nichtlinearen TS-SM-Beobachter zu entwickeln. Durch diese Zusammenführung lassen sich die jeweiligen Vorteile beider Ansätze miteinander kombinieren. Bedingungen zur Konvergenz des Beobachters werden als lineare Matrizenungleichungen (LMIs) abgeleitet. Diese Bedingungen garantieren zum einen die Stabilität und liefern zum anderen ein direktes Entwurfsverfahren für den Beobachter. Der Beobachterentwurf wird für die Fälle messbarer und nicht messbarer Prämissenvariablen angegeben. Durch die TS-Erweiterung des in dieser Arbeit verwendeten SM-Beobachters ist es möglich, den diskontinuierlichen Rückführterm mithilfe einer geeigneten kontinuierlichen Funktion zu approximieren und dieses Signal daraufhin zur Fehlerdiagnose auszuwerten. Dies liefert eine Methodik zur Aktor- und Sensorfehlerdiagnose nichtlinearer unsicherer Systeme. Gegenüber anderen Ansätzen erlaubt das Vorgehen eine quantitative Bestimmung und teilweise sogar exakte Rekonstruktion des Fehlersignalverlaufs. Darüber hinaus ermöglicht der Ansatz die Berechnung konstanter Fehlerschwellen direkt aus dem physikalischen Vorwissen über das betrachtete System. Durch eine Erweiterung um eine Betriebsphasenerkennung wird es möglich, die Schwellenwerte des Fehlerdiagnoseansatzes online an die aktuelle Betriebsphase anzupassen. Hierdurch ergibt sich in Betriebsphasen mit geringen Modellunsicherheiten eine deutlich erhöhte Fehlersensitivität. Zudem werden in Betriebsphasen mit großen Modellunsicherheiten Falschalarme vermieden. Die Kernidee besteht darin, die aktuelle Betriebsphase mittels eines Bayes-Klassikators in Echtzeit zu ermitteln und darüber die Fehlerschwellen an die a-priori de nierten Unsicherheiten der unterschiedlichen Betriebsphasen anzupassen. Die E ffektivität und Übertragbarkeit der vorgeschlagenen Ansätze werden einerseits am akademischen Beispiel des Pendelwagens und anderseits am Beispiel der Sensorfehlerdiagnose hydrostatisch angetriebener Radlader als praxisnahe Anwendung demonstriert.

Effect of environmental conditions on the N uptake route of soil microorganisms and adaption of a method to determine amino acid oxidase in soil

Soil microorganisms have evolved two possible mechanisms for their uptake of organic N: the direct route and the mobilization-immobilization-turnover (MIT) route. In the direct route, simple organic molecules are taken up via various mechanisms directly into the cell. In the MIT route, the deamination occurs outside the cell and all N is mineralized to NH4+ before assimilation. A better understanding of the mechanisms controlling the different uptake routes of soil microorganisms under different environmental conditions is crucial for understanding mineralization processes of organic material in soil. For the first experiment we incubated soil samples from the long term trial in Bad Lauchstädt with corn residues with different C to N ratios and inorganic N for 21 days at 20 °C. Under the assumption that all added amino acids were taken up or mineralized, the direct uptake route was more important in soil amended with corn residues with a wide C to N ratio. After 21 days of incubation the direct uptake of added amino acids increased in the order addition of corn residue with a: “C to N ratio of 40 & (NH4)2SO4 and no addition (control)” (69% and 68%, respectively) < “C to N ratio of 20” (73%) < “C to N ratio of 40” (95%). In all treatments the proportion of the added amino acids that were mineralized increased with time, indicating that the MIT route became more important over time. To investigate the effects of soil depth on the N uptake route of soil microorganisms (experiment II), soil samples in two soil depths (0-5 cm; 30-40 cm) were incubated with corn residues with different C to N ratios and inorganic N for 21 days at 20 °C and 60% (WHC). The addition of corn residue resulted in a marked increase of protease activity in both depths due to the induction from the added substrate. Addition of corn residue with a wide C to N ratio resulted in a significantly greater part of the direct uptake (97% and 94%) than without the addition of residues (85% and 80%) or addition of residue with a small C to N ratio (90% and 84%) or inorganic N (91% and 79% in the surface soil and subsoil, respectively), suggesting that under conditions of sufficient mineralizable N (C to N ratio of 20) or increased concentrations of NH4+, the enzyme system involved in the direct uptake is slightly repressed. Substrate additions resulted in an initially significantly higher increase of the direct uptake in the surface soil than in the subsoil. As a large proportion of the organic N input into soil is in form of proteinaceous material, the deamination of amino acids is a key reaction of the MIT route. Therefore the enzyme amino acid oxidase contribute to the extracellular N mineralization in soil. The objective of experiment III was to adapt a method to determine amino acid oxidase in soil. The detection via synthetic fluorescent Lucifer Yellow derivatives of the amino acid lysine is possible in soil. However, it was not possible to find the substrate concentration at which the reaction rate is independent of substrate concentration and therefore we were not able to develop a valid soil enzyme assay.

Anisotropic adaptive resolution of boundary layers for heat conduction problems

We deal with the numerical solution of heat conduction problems featuring steep gradients. In order to solve the associated partial differential equation a finite volume technique is used and unstructured grids are employed. A discrete maximum principle for triangulations of a Delaunay type is developed. To capture thin boundary layers incorporating steep gradients an anisotropic mesh adaptation technique is implemented. Computational tests are performed for an academic problem where the exact solution is known as well as for a real world problem of a computer simulation of the thermoregulation of premature infants.

Modellbasierte Diagnose am Beispiel der Zylinderdrucksensorik von Ottomotoren

Die Diagnose von Fehlern des Zylinderdrucksensors wird anhand eines Ottomotors mit Saugrohreinspritzung (MPI) vorgestellt. Die physikalischen Zusammenhänge und die Einflussgrößen auf das Drehmoment des Motors werden erläutert. Hierzu werden verschiedene Modellansätze vorgestellt sowie eine Variation der Modelleingangsgrößen durchgeführt. Anhand des Verfahrens der analytischen Redundanz werden Residuen abgeleitet und die Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Fehlertypen aufgezeigt. Dadurch ist eine Trennung von Fehlern des Zylinderdrucksensors gegenüber motorischen Toleranzen oder nicht zylinderdrucksensorbasierten Fehlern möglich. Handelt es sich bei dem verwendeten Motorkonzept um einen Ottomotor mit quantitätsbasierter Laststeuerung, d.h. mit gleichbleibender Gemischzusammensetzung (i.d.R. Luft-/Kraftstoffverhältnis =1), so kann bei erkanntem Fehler des Zylinderdrucksensors eine weitere Aufteilung nach verschiedenen Fehlertypen erfolgen (z.B. Hysterese, Verstärkungsfehler). Auf diese Weise können Sensortoleranzen wie der Verstärkungsfehler des Zylinderdrucksensors durch eine Adaption korrigiert werden. Die Diagnosefunktion und die Verstärkungsadaption wurde erfolgreich an einem 2,0l-Ottomotor (MPI) ohne externe Abgasrückführung (AGR) und ohne kontinuierliche Nockenwellenverstellung (KNWE) durchgeführt, wobei die erwähnten Einschränkungen in Bezug auf die Betriebsbereiche zu berücksichtigen sind. Anhand der Modellstreuungen und Modellungenauigkeiten sind die Grenzen der Diagnose und der Adaption aufgezeigt worden. Die auf einem Prototypensteuergerät implementierten Algorithmen sind echtzeitfähig, wenngleich für die Zylinderdruck- und Drehzahlauswertung eine hohe Rechenleistung erforderlich ist.

Ansätze einer akteursbasierten Innovationserklärung

Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zu einer (empirisch) gehaltvollen Mikrofundierung des Innovationsgeschehens im Rahmen einer evolutorischen Perspektive geleistet werden. Der verhaltensbezogene Schwerpunkt ist dabei, in unterschiedlichem Ausmaß, auf das Akteurs- und Innovationsmodell von Herbert Simon bzw. der Carnegie-School ausgerichtet und ergänzt, spezifiziert und erweitert dieses unter anderem um vertiefende Befunde der Kreativitäts- und Kognitionsforschung bzw. der Psychologie und der Vertrauensforschung sowie auch der modernen Innovationsforschung. zudem Bezug auf einen gesellschaftlich und ökonomisch relevanten Gegenstandsbereich der Innovation, die Umweltinnovation. Die Arbeit ist sowohl konzeptionell als auch empirisch ausgerichtet, zudem findet die Methode der Computersimulation in Form zweier Multi-Agentensysteme Anwendung. Als zusammenfassendes Ergebnis lässt sich im Allgemeinen festhalten, dass Innovationen als hochprekäre Prozesse anzusehen sind, welche auf einer Verbindung von spezifischen Akteursmerkmalen, Akteurskonstellationen und Umfeldbedingungen beruhen, Iterationsschleifen unterliegen (u.a. durch Lernen, Rückkoppelungen und Aufbau von Vertrauen) und Teil eines umfassenderen Handlungs- sowie (im Falle von Unternehmen) Organisationskontextes sind. Das Akteurshandeln und die Interaktion von Akteuren sind dabei Ausgangspunkt für Emergenzen auf der Meso- und der Makroebene. Die Ergebnisse der Analysen der in dieser Arbeit enthaltenen fünf Fachbeiträge zeigen im Speziellen, dass der Ansatz von Herbert Simon bzw. der Carnegie-School eine geeignete theoretische Grundlage zur Erfassung einer prozessorientierten Mikrofundierung des Gegenstandsbereichs der Innovation darstellt und – bei geeigneter Ergänzung und Adaption an den jeweiligen Erkenntnisgegenstand – eine differenzierte Betrachtung unterschiedlicher Arten von Innovationsprozessen und deren akteursbasierten Grundlagen sowohl auf der individuellen Ebene als auch auf Ebene von Unternehmen ermöglicht. Zudem wird deutlich, dass der Ansatz von Herbert Simon bzw. der Carnegie-School mit dem Initiationsmodell einen zusätzlichen Aspekt in die Diskussion einbringt, welcher bislang wenig Aufmerksamkeit fand, jedoch konstitutiv für eine ökonomische Perspektive ist: die Analyse der Bestimmungsgrößen (und des Prozesses) der Entscheidung zur Innovation. Denn auch wenn das Verständnis der Prozesse bzw. der Determinanten der Erstellung, Umsetzung und Diffusion von Innovationen von grundlegender Bedeutung ist, ist letztendlich die Frage, warum und unter welchen Umständen Akteure sich für Innovationen entscheiden, ein zentraler Kernbereich einer ökonomischen Betrachtung. Die Ergebnisse der Arbeit sind auch für die praktische Wirtschaftspolitik von Bedeutung, insbesondere mit Blick auf Innovationsprozesse und Umweltwirkungen.

Markenführung von Kreditinstituten

Die Unternehmensumwelt, mit der sich Kreditinstitute heutzutage konfrontiert sehen und mit der sie sich harmonisieren müssen, ist durch tiefgreifende Veränderungen und eine fortschreitende Dynamik gekennzeichnet. Mit den sog. Non- und Nearbanks sind neue Wettbewerber in den Markt eingetreten, und die Subprime-Finanzkrise aus dem Jahr 2008 hat zu einer tiefgreifenden Vertrauenskrise bei den Konsumenten geführt. Die Möglichkeiten der Kreditinstitute, sich diesen Herausforderungen zu stellen, sind durch die angebotene Generaltauschware Geld, den fehlenden gesetzlichen Innovationsschutz sowie vergleichbare Vertriebsformen und Marktauftritte eher begrenzt. Es stellt sich somit die Frage, wie sich Kreditinstitute künftig nachhaltig im Wettbewerb behaupten können. Die Lösung wird im Konsumgüterbereich gesehen: Zur Überwindung der vorherrschenden technischen Produkthomogenität werden Marken dort erfolgreich als Strategie eingesetzt, um sich vom Wettbewerb zu differenzieren, den Kunden gezielt anzusprechen und preisliche Spielräume zu generieren. Der vorliegenden Dissertation liegen somit zwei zentrale Hypothesen zugrunde: H1) Im Bankbereich bestehen vergleichbare Sättigungseffekte und eine hohe Angebotshomogenität wie im Konsumgüterbereich. H2) Die Adaption von Markenführungs-konzepten aus dem Konsumgüterbereich generiert einen positiven Beitrag zur Profilierung, Differenzierung und Vertrauensbildung von Kreditinstituten. In einem deskriptiv-konzeptionellen Ansatz werden zunächst konstituierende Merkmale und Funktionen einer Marke erarbeitet. Mit Hilfe einer interdisziplinären Metaanalyse wird anschließend ein integratives holistisches Markenverständnis geschaffen und erklärt, wie und warum Marken funktionieren. Dabei wird insbesondere die Rolle der Marke als „Invisible Hand“ im gesellschaftlichen System gewürdigt, die die Handlungen der Individuen beeinflusst und dabei in einem zirkulär-kausalen Prozess von der Gesellschaft bzw. Zielgruppe selbst konstituiert wird. Mit dem Versuch, das Markenphänomen mit Hilfe der evolutorischen Ökonomik zu erklären, wird ferner Neuland betreten. Im Weiteren werden theoretische Konzepte der Markenführung diskutiert und bewertet. Auf Basis dieses neu geschaffenen Fundaments werden im Hauptteil der Arbeit sowohl Markenstrategien aus dem Konsumgüterbereich als auch Instrumente zur operativen Implementierung der Markenstrategie in einem diskursiven Ansatz mittels erarbeiteter Plausibilitätskriterien eingehend auf ihre Übertragbarkeit auf Kreditinstitute hin analysiert und bewertet. Als Ergebnis der Arbeit wurden H1 vollumfänglich und H2 mit Einschränkungen bestätigt. Diese Einschränkungen ergeben sich hauptsächlich dadurch, dass durch die Synchronität von Leistungserstellung und Leistungsinanspruchnahme eine Abkoppelung der Marke vom Unter-nehmen kaum darstellbar ist. Mehrmarkenstrategien sowie spitze Positionierungen sind bei den vorherrschenden Universalinstituten somit quasi nicht umsetzbar. Weitere Limitierungen resultieren aus der Vertrauensempfindlichkeit der Bankleistung, die Einschränkungen bei Markendehnungen (Produktlinien- und Transferstrategien) zur Folge hat. Die operativen Markeninstrumente aus dem Konsumgüterbereich hingegen sind weitestgehend anwendbar. Auch bei dem Einsatz der Controllinginstrumente zur Steuerung der Markenführung werden keine Einschränkungen gesehen. In einem Ausblick wird abschließend gezeigt, dass sich die Wettbewerbsintensität der Kreditinstitute nicht entspannen wird, es werden eher Tendenzen ihrer weiteren Verschärfung ausgemacht.

Institutions, Behavior and Evolution

The three articles constituting this thesis are for reasons of content or method related to the following three fields in economics: Behavioral Economics, Evolutionary Game Theory and Formal Institutional Economics. A core element of these fields is the concept of individual preferences. Preferences are of central importance for the conceptional framework to analyze human behavior. They form the foundation for the theory of rational choice which is defined by the determination of the choice set and the selection of the most preferred alternative according to some consistency requirements. The theory of rational choice is based on a very simplified description of the problem of choice (object function and constraints). However, that choices depend on many more factors is for instance propagated by psychological theories and is supported by many empirical and experimental studies. This thesis adds to a better understanding of individual behavior to the extent that the evolution of certain characteristics of preferences and their consequences on human behavior forms the overarching theme of the dissertation. The long-term effect of evolutionary forces on a particular characteristic of importance in the theoretical, empirical and experimental economic literature, the concept of inequality aversion, is subject of the article “The evolution of inequality aversion in a simplified game of life” (Chapter 4). The contribution of the article is the overcoming of a restriction of former approaches to analyze the evolution of preferences in very simple environments. By classifying human interaction into three central economic games, the article provides a first step towards a simplified and sufficiently complete description of the interaction environment. Within such an environment the article characterizes the evolutionary stable preference distribution. One result shows, that the interaction of the aforementioned three classes can stabilize a preference of inequality aversion in the subpopulation which is favored in the problem of redistribution. The two remaining articles are concerned with social norms, which dissemination is determined by medium-run forces of cultural evolution. The article “The impact of market innovations on the evolution of social norms: the sustainability case.“ (Chapter 2) studies the interrelation between product innovations which are relevant from a sustainability perspective and an according social norm in consumption. This relation is based on a conformity bias in consumption and the attempt to avoid cognitive dissonances resulting from non-compliant consumption. Among others, it is shown that a conformity bias on the consumption side can lead to multiple equilibria on the side of norm adoption. The article “Evolution of cooperation in social dilemmas: signaling internalized norms.” (Chapter 3) studies the emergence of cooperation in social dilemmas based on the signaling of social norms. The article provides a potential explanation of cooperative behavior, which does not rely on the assumption of structured populations or on the unmotivated ability of social norms to restrict individual actions or strategy spaces. A comprehensive result of the single articles is the explanation of the phenomenon of partial norm adaption or dissemination of preferences. The plurality of the applied approaches with respect to the proximity to the rational choice approach and regarding the underlying evolutionary mechanics is a particular strength of the thesis. It shows the equality of these approaches in their potential to explain the phenomenon of cooperation in environments that provide material incentives for defective behavior. This also points to the need of a unified framework considering the biological and cultural coevolution of preference patterns.

Entspannte Moderne

Die Dissertation ist eine grundlegende Untersuchung des modernen westdeutschen Bungalows - eines prägenden Einfamilienhaustypus' der Nachkriegszeit, der bis dato in der Literatur nur anhand von Einzelbeispielen diskutiert wurde. Einleitend wird der Forschungsstand zur globalen Bungalowhistorie referiert und die Historie des Einfamilienhauses und der politisierten Architekturmoderne in Deutschland vor 1945 sowie die soziologischen Rahmenbedingungen des Bungalowbooms in Nachkriegsbundesrepublik werden überblicksartig dargelegt. Im Zentrum der Arbeit stehen die Forschungsergebnisse einer Analyse von 64 exemplarischen westdeutschen Bungalows 1952-1969. Diese wurden auf Basis einer systematischen Literaturrecherche ausgewählt und klassifiziert (vgl. Katalogteil). Es wird zunächst die spezifisch westdeutsche Begrifflichkeit des Nachkriegsterminus Bungalow herausgearbeitet und der westdeutsche Bungalowboom wird in drei überlappende Phasen periodisiert. Die Ergebnisse zu den untersuchten Bungalowprojekten werden ihrer Ikonografie, Materialität und Konstruktion sowie ihrer Typologie und ihres Naturbezugs erläutert. Es wird gezeigt, dass es sich bei der ikonografischen Darstellung des Bungalows als verglastem Pavillon um eine mediale Konstruktion handelt, die hier als die Pavillonisierung des Bungalows bezeichnet wird. Diese unterschlägt die Doppelgesichtigkeit des Bungalowtypus: neben der verglasten Gartenseite ist eine deutlich geschlossenere Straßenfassade ebenso charakteristisch für diesen Typus. Trotz der jeweils unterschiedlich ausgebildeten räumlichen Bezüge zum privaten Garten weisen alle drei identifizierten Bungalowtypen (Winkelbungalow, Rechteckbungalow, Wohnhofbungalow) diese Dualität auf. Hinsichtlich der historischen Konnotationen werden zwei unterschiedliche Rezeptionsweisen identifiziert: In der Architekturgeschichte wurde der Bungalow durch Motive rezipiert, die ihm im Kontext der Moderne Relevanz verliehen, z. B. das Motiv des allseitig verglasten Pavillons oder des fließenden Raums. Die sozialhistorische Betrachtung der Beispiele verdeutlicht jedoch, dass es der moderne Wohnhauscharakter war, der den skalierbaren Bungalowtypus zu einem idealen Wohnhaustypus für eine breite Bevölkerungsschicht machte. In seiner Modellhaftigkeit leicht zu identifizieren und hinsichtlich der Größe schwer einzuschätzen, wurde der flache Bungalow in der Nachkriegsbundesrepublik zum Symbol einer nivellierten Mittelschichtsgesellschaft.