Visualisierung vergrabener Objekte: Ein Sampling-Verfahren für die Maxwell-Gleichungen

Wir untersuchen die numerische Lösung des inversen Streuproblems der Rekonstruktion der Form, Position und Anzahl endlich vieler perfekt leitender Objekte durch Nahfeldmessungen zeitharmonischer elektromagnetischer Wellen mit Hilfe von Metalldetektoren. Wir nehmen an, dass sich die Objekte gänzlich im unteren Halbraum eines unbeschränkten zweischichtigen Hintergrundmediums befinden. Wir nehmen weiter an, dass der obere Halbraum mit Luft und der untere Halbraum mit Erde gefüllt ist. Wir betrachten zuerst die physikalischen Grundlagen elektromagnetischer Wellen, aus denen wir zunächst ein vereinfachtes mathematisches Modell ableiten, in welchem wir direkt das elektromagnetische Feld messen. Dieses Modell erweitern wir dann um die Messung des elektromagnetischen Feldes von Sendespulen mit Hilfe von Empfangsspulen. Für das vereinfachte Modell entwickeln wir, unter Verwendung der Theorie des zugehörigen direkten Streuproblems, ein nichtiteratives Verfahren, das auf der Idee der sogenannten Faktorisierungsmethode beruht. Dieses Verfahren übertragen wir dann auf das erweiterte Modell. Wir geben einen Implementierungsvorschlag der Rekonstruktionsmethode und demonstrieren an einer Reihe numerischer Experimente die Anwendbarkeit des Verfahrens. Weiterhin untersuchen wir mehrere Abwandlungen der Methode zur Verbesserung der Rekonstruktionen und zur Verringerung der Rechenzeit.

Vulnerability and robustness indices against blackouts in power grids

In this dissertation some novel indices for vulnerability and robustness assessment of power grids are presented. Such indices are mainly defined from the structure of transmission power grids, and with the aim of Blackout (BO) prevention and mitigation. Numerical experiments showing how they could be used alone or in coordination with pre-existing ones to reduce the effects of BOs are discussed. These indices are introduced inside 3 different sujects: The first subject is for taking a look into economical aspects of grids’ operation and their effects in BO propagation. Basically, simulations support that: the determination to operate the grid in the most profitable way could produce an increase in the size or frequency of BOs. Conversely, some uneconomical ways of supplying energy are shown to be less affected by BO phenomena. In the second subject new topological indices are devised to address the question of "which are the best buses to place distributed generation?". The combined use of two indices, is shown as a promising alternative for extracting grid’s significant features regarding robustness against BOs and distributed generation. For this purpose, a new index based on outage shift factors is used along with a previously defined electric centrality index. The third subject is on Static Robustness Analysis of electric networks, from a purely structural point of view. A pair of existing topological indices, (namely degree index and clustering coefficient), are combined to show how degradation of the network structure can be accelerated. Blackout simulations were carried out using the DC Power Flow Method and models of transmission networks from the USA and Europe.

Coarse-grained peptide models: conformational sampling, peptide association and dynamical properties for peptides

In dieser Arbeit wird ein vergröbertes (engl. coarse-grained, CG) Simulationsmodell für Peptide in wässriger Lösung entwickelt. In einem CG Verfahren reduziert man die Anzahl der Freiheitsgrade des Systems, so dass manrngrössere Systeme auf längeren Zeitskalen untersuchen kann. Die Wechselwirkungspotentiale des CG Modells sind so aufgebaut, dass die Peptid Konformationen eines höher aufgelösten (atomistischen) Modells reproduziert werden.rnIn dieser Arbeit wird der Einfluss unterschiedlicher bindender Wechsel-rnwirkungspotentiale in der CG Simulation untersucht, insbesondere daraufhin,rnin wie weit das Konformationsgleichgewicht der atomistischen Simulation reproduziert werden kann. Im CG Verfahren verliert man per Konstruktionrnmikroskopische strukturelle Details des Peptids, zum Beispiel, Korrelationen zwischen Freiheitsgraden entlang der Peptidkette. In der Dissertationrnwird gezeigt, dass diese “verlorenen” Eigenschaften in einem Rückabbildungsverfahren wiederhergestellt werden können, in dem die atomistischen Freiheitsgrade wieder in die CG-Strukturen eingefügt werden. Dies gelingt, solange die Konformationen des CG Modells grundsätzlich gut mit der atomistischen Ebene übereinstimmen. Die erwähnten Korrelationen spielen einerngrosse Rolle bei der Bildung von Sekundärstrukturen und sind somit vonrnentscheidender Bedeutung für ein realistisches Ensemble von Peptidkonformationen. Es wird gezeigt, dass für eine gute Übereinstimmung zwischen CG und atomistischen Kettenkonformationen spezielle bindende Wechselwirkungen wie zum Beispiel 1-5 Bindungs- und 1,3,5-Winkelpotentiale erforderlich sind. Die intramolekularen Parameter (d.h. Bindungen, Winkel, Torsionen), die für kurze Oligopeptide parametrisiert wurden, sind übertragbarrnauf längere Peptidsequenzen. Allerdings können diese gebundenen Wechselwirkungen nur in Kombination mit solchen nichtbindenden Wechselwirkungspotentialen kombiniert werden, die bei der Parametrisierung verwendet werden, sind also zum Beispiel nicht ohne weiteres mit einem andere Wasser-Modell kombinierbar. Da die Energielandschaft in CG-Simulationen glatter ist als im atomistischen Modell, gibt es eine Beschleunigung in der Dynamik. Diese Beschleunigung ist unterschiedlich für verschiedene dynamische Prozesse, zum Beispiel für verschiedene Arten von Bewegungen (Rotation und Translation). Dies ist ein wichtiger Aspekt bei der Untersuchung der Kinetik von Strukturbildungsprozessen, zum Beispiel Peptid Aggregation.rn

Modelling and analysis of networked control strategies in smart power distribution grids: development of co-simulation tools

This thesis is focused on Smart Grid applications in medium voltage distribution networks. For the development of new applications it appears useful the availability of simulation tools able to model dynamic behavior of both the power system and the communication network. Such a co-simulation environment would allow the assessment of the feasibility of using a given network technology to support communication-based Smart Grid control schemes on an existing segment of the electrical grid and to determine the range of control schemes that different communications technologies can support. For this reason, is presented a co-simulation platform that has been built by linking the Electromagnetic Transients Program Simulator (EMTP v3.0) with a Telecommunication Network Simulator (OPNET-Riverbed v18.0). The simulator is used to design and analyze a coordinate use of Distributed Energy Resources (DERs) for the voltage/var control (VVC) in distribution network. This thesis is focused control structure based on the use of phase measurement units (PMUs). In order to limit the required reinforcements of the communication infrastructures currently adopted by Distribution Network Operators (DNOs), the study is focused on leader-less MAS schemes that do not assign special coordinating rules to specific agents. Leader-less MAS are expected to produce more uniform communication traffic than centralized approaches that include a moderator agent. Moreover, leader-less MAS are expected to be less affected by limitations and constraint of some communication links. The developed co-simulator has allowed the definition of specific countermeasures against the limitations of the communication network, with particular reference to the latency and loss and information, for both the case of wired and wireless communication networks. Moreover, the co-simulation platform has bee also coupled with a mobility simulator in order to study specific countermeasures against the negative effects on the medium voltage/current distribution network caused by the concurrent connection of electric vehicles.

Efficient parallel proximity queries and an application to highly complex motion planning problems with many narrow passages

In vielen Bereichen der industriellen Fertigung, wie zum Beispiel in der Automobilindustrie, wer- den digitale Versuchsmodelle (sog. digital mock-ups) eingesetzt, um die Entwicklung komplexer Maschinen m ̈oglichst gut durch Computersysteme unterstu ̈tzen zu k ̈onnen. Hierbei spielen Be- wegungsplanungsalgorithmen eine wichtige Rolle, um zu gew ̈ahrleisten, dass diese digitalen Pro- totypen auch kollisionsfrei zusammengesetzt werden k ̈onnen. In den letzten Jahrzehnten haben sich hier sampling-basierte Verfahren besonders bew ̈ahrt. Diese erzeugen eine große Anzahl von zuf ̈alligen Lagen fu ̈r das ein-/auszubauende Objekt und verwenden einen Kollisionserken- nungsmechanismus, um die einzelnen Lagen auf Gu ̈ltigkeit zu u ̈berpru ̈fen. Daher spielt die Kollisionserkennung eine wesentliche Rolle beim Design effizienter Bewegungsplanungsalgorith- men. Eine Schwierigkeit fu ̈r diese Klasse von Planern stellen sogenannte “narrow passages” dar, schmale Passagen also, die immer dort auftreten, wo die Bewegungsfreiheit der zu planenden Objekte stark eingeschr ̈ankt ist. An solchen Stellen kann es schwierig sein, eine ausreichende Anzahl von kollisionsfreien Samples zu finden. Es ist dann m ̈oglicherweise n ̈otig, ausgeklu ̈geltere Techniken einzusetzen, um eine gute Performance der Algorithmen zu erreichen.rnDie vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile: Im ersten Teil untersuchen wir parallele Kollisionserkennungsalgorithmen. Da wir auf eine Anwendung bei sampling-basierten Bewe- gungsplanern abzielen, w ̈ahlen wir hier eine Problemstellung, bei der wir stets die selben zwei Objekte, aber in einer großen Anzahl von unterschiedlichen Lagen auf Kollision testen. Wir im- plementieren und vergleichen verschiedene Verfahren, die auf Hu ̈llk ̈operhierarchien (BVHs) und hierarchische Grids als Beschleunigungsstrukturen zuru ̈ckgreifen. Alle beschriebenen Verfahren wurden auf mehreren CPU-Kernen parallelisiert. Daru ̈ber hinaus vergleichen wir verschiedene CUDA Kernels zur Durchfu ̈hrung BVH-basierter Kollisionstests auf der GPU. Neben einer un- terschiedlichen Verteilung der Arbeit auf die parallelen GPU Threads untersuchen wir hier die Auswirkung verschiedener Speicherzugriffsmuster auf die Performance der resultierenden Algo- rithmen. Weiter stellen wir eine Reihe von approximativen Kollisionstests vor, die auf den beschriebenen Verfahren basieren. Wenn eine geringere Genauigkeit der Tests tolerierbar ist, kann so eine weitere Verbesserung der Performance erzielt werden.rnIm zweiten Teil der Arbeit beschreiben wir einen von uns entworfenen parallelen, sampling- basierten Bewegungsplaner zur Behandlung hochkomplexer Probleme mit mehreren “narrow passages”. Das Verfahren arbeitet in zwei Phasen. Die grundlegende Idee ist hierbei, in der er- sten Planungsphase konzeptionell kleinere Fehler zuzulassen, um die Planungseffizienz zu erh ̈ohen und den resultierenden Pfad dann in einer zweiten Phase zu reparieren. Der hierzu in Phase I eingesetzte Planer basiert auf sogenannten Expansive Space Trees. Zus ̈atzlich haben wir den Planer mit einer Freidru ̈ckoperation ausgestattet, die es erlaubt, kleinere Kollisionen aufzul ̈osen und so die Effizienz in Bereichen mit eingeschr ̈ankter Bewegungsfreiheit zu erh ̈ohen. Optional erlaubt unsere Implementierung den Einsatz von approximativen Kollisionstests. Dies setzt die Genauigkeit der ersten Planungsphase weiter herab, fu ̈hrt aber auch zu einer weiteren Perfor- mancesteigerung. Die aus Phase I resultierenden Bewegungspfade sind dann unter Umst ̈anden nicht komplett kollisionsfrei. Um diese Pfade zu reparieren, haben wir einen neuartigen Pla- nungsalgorithmus entworfen, der lokal beschr ̈ankt auf eine kleine Umgebung um den bestehenden Pfad einen neuen, kollisionsfreien Bewegungspfad plant.rnWir haben den beschriebenen Algorithmus mit einer Klasse von neuen, schwierigen Metall- Puzzlen getestet, die zum Teil mehrere “narrow passages” aufweisen. Unseres Wissens nach ist eine Sammlung vergleichbar komplexer Benchmarks nicht ̈offentlich zug ̈anglich und wir fan- den auch keine Beschreibung von vergleichbar komplexen Benchmarks in der Motion-Planning Literatur.

Poor performance of microbiological sampling in the prediction of recurrent arthroplasty infection

During a two-stage revision for prosthetic joint infections (PJI), joint aspirations, open tissue sampling and serum inflammatory markers are performed before re-implantation to exclude ongoing silent infection. We investigated the performance of these diagnostic procedures on the risk of recurrence of PJI among asymptomatic patients undergoing a two-stage revision. A total of 62 PJI were found in 58 patients. All patients had intra-operative surgical exploration during re-implantation, and 48 of them had intra-operative microbiological swabs. Additionally, 18 joint aspirations and one open biopsy were performed before second-stage reimplantation. Recurrence or persistence of PJI occurred in 12 cases with a mean delay of 218 days after re-implantation, but only four pre- or intraoperative invasive joint samples had grown a pathogen in cultures. In at least seven recurrent PJIs (58%), patients had a normal C-reactive protein (CRP, < 10 mg/l) level before re-implantation. The sensitivity, specificity, positive predictive and negative predictive values of pre-operative invasive joint aspiration and CRP for the prediction of PJI recurrence was 0.58, 0.88, 0.5, 0.84 and 0.17, 0.81, 0.13, 0.86, respectively. As a conclusion, pre-operative joint aspiration, intraoperative bacterial sampling, surgical exploration and serum inflammatory markers are poor predictors of PJI recurrence. The onset of reinfection usually occurs far later than reimplantation.

Selective inferior petrosal sinus sampling without venous outflow diversion in the detection of a pituitary adenoma in Cushing's syndrome

Conventional MRI may still be an inaccurate method for the non-invasive detection of a microadenoma in adrenocorticotropin (ACTH)-dependent Cushing's syndrome (CS). Bilateral inferior petrosal sinus sampling (BIPSS) with ovine corticotropin-releasing hormone (oCRH) stimulation is an invasive, but accurate, intervention in the diagnostic armamentarium surrounding CS. Until now, there is a continuous controversial debate regarding lateralization data in detecting a microadenoma. Using BIPSS, we evaluated whether a highly selective placement of microcatheters without diversion of venous outflow might improve detection of pituitary microadenoma.

Comparison of gingival crevicular fluid sampling methods in patients with severe chronic periodontitis

The analysis of samplings from periodontal pockets is important in the diagnosis and therapy of periodontitis. In this study, three different sampling techniques were compared to determine whether one method yielded samples suitable for the reproducible and simultaneous determination of bacterial load, cytokines, neutrophil elastase, and arginine-specific gingipains (Rgps). Rgps are an important virulence factor of Porphyromonas gingivalis, the exact concentration of which in gingival crevicular fluid (GCF) has not been quantified.

Increasing Utilization of US Electric Grids via Smart Technologies: Integration of Load Management, Real Time Pricing, Renewables, EVs and Smart Grid Sensors

Electric power grids throughout the world suffer from serious inefficiencies associated with under-utilization due to demand patterns, engineering design and load following approaches in use today. These grids consume much of the world’s energy and represent a large carbon footprint. From material utilization perspectives significant hardware is manufactured and installed for this infrastructure often to be used at less than 20-40% of its operational capacity for most of its lifetime. These inefficiencies lead engineers to require additional grid support and conventional generation capacity additions when renewable technologies (such as solar and wind) and electric vehicles are to be added to the utility demand/supply mix. Using actual data from the PJM [PJM 2009] the work shows that consumer load management, real time price signals, sensors and intelligent demand/supply control offer a compelling path forward to increase the efficient utilization and carbon footprint reduction of the world’s grids. Underutilization factors from many distribution companies indicate that distribution feeders are often operated at only 70-80% of their peak capacity for a few hours per year, and on average are loaded to less than 30-40% of their capability. By creating strong societal connections between consumers and energy providers technology can radically change this situation. Intelligent deployment of smart sensors, smart electric vehicles, consumer-based load management technology very high saturations of intermittent renewable energy supplies can be effectively controlled and dispatched to increase the levels of utilization of existing utility distribution, substation, transmission, and generation equipment. The strengthening of these technology, society and consumer relationships requires rapid dissemination of knowledge (real time prices, costs & benefit sharing, demand response requirements) in order to incentivize behaviors that can increase the effective use of technological equipment that represents one of the largest capital assets modern society has created.

Enhanced Sensitivity by Nonuniform Sampling Enables Multidimensional MAS NMR Spectroscopy of Protein Assemblies

We report dramatic sensitivity enhancements in multidimensional MAS NMR spectra by the use of nonuniform sampling (NUS) and introduce maximum entropy interpolation (MINT) processing that assures the linearity between the time and frequency domains of the NUS acquired data sets. A systematic analysis of sensitivity and resolution in 2D and 3D NUS spectra reveals that with NUS, at least 1.5- to 2-fold sensitivity enhancement can be attained in each indirect dimension without compromising the spectral resolution. These enhancements are similar to or higher than those attained by the newest-generation commercial cryogenic probes. We explore the benefits of this NUS/MaxEnt approach in proteins and protein assemblies using 1-73-(U-C-13,N-15)/74-108-(U-N-15) Escherichia coil thioredoxin reassembly. We demonstrate that in thioredoxin reassembly, NUS permits acquisition of high-quality 3D-NCACX spectra, which are inaccessible with conventional sampling due to prohibitively long experiment times. Of critical importance, issues that hinder NUS-based SNR enhancement in 3D-NMR of liquids are mitigated in the study of solid samples in which theoretical enhancements on the order of 3-4 fold are accessible by compounding the NUS-based SNR enhancement of each indirect dimension. NUS/MINT is anticipated to be widely applicable and advantageous for multidimensional heteronuclear MAS NMR spectroscopy of proteins, protein assemblies, and other biological systems.

Magnetic resonance imaging based determination of body compartments with the versatile, interactive sparse sampling (VISS) method

To investigate the inhomogeneity of radiofrequency fields at higher field strengths that can interfere with established volumetric methods, in particular for the determination of visceral (VAT) and subcutaneous adipose tissue (SCAT). A versatile, interactive sparse sampling (VISS) method is proposed to determine VAT, SCAT, and also total body volume (TBV).