STATISTICAL METHODS FOR RARE AND COMMON VARIANT ASSOCIATION STUDIES

Complex human diseases are a major challenge for biological research. The goal of my research is to develop effective methods for biostatistics in order to create more opportunities for the prevention and cure of human diseases. This dissertation proposes statistical technologies that have the ability of being adapted to sequencing data in family-based designs, and that account for joint effects as well as gene-gene and gene-environment interactions in the GWA studies. The framework includes statistical methods for rare and common variant association studies. Although next-generation DNA sequencing technologies have made rare variant association studies feasible, the development of powerful statistical methods for rare variant association studies is still underway. Chapter 2 demonstrates two adaptive weighting methods for rare variant association studies based on family data for quantitative traits. The results show that both proposed methods are robust to population stratification, robust to the direction and magnitude of the effects of causal variants, and more powerful than the methods using weights suggested by Madsen and Browning [2009]. In Chapter 3, I extended the previously proposed test for Testing the effect of an Optimally Weighted combination of variants (TOW) [Sha et al., 2012] for unrelated individuals to TOW &ndash F, TOW for Family &ndash based design. Simulation results show that TOW &ndash F can control for population stratification in wide range of population structures including spatially structured populations, is robust to the directions of effect of causal variants, and is relatively robust to percentage of neutral variants. In GWA studies, this dissertation consists of a two &ndash locus joint effect analysis and a two-stage approach accounting for gene &ndash gene and gene &ndash environment interaction. Chapter 4 proposes a novel two &ndash stage approach, which is promising to identify joint effects, especially for monotonic models. The proposed approach outperforms a single &ndash marker method and a regular two &ndash stage analysis based on the two &ndash locus genotypic test. In Chapter 5, I proposed a gene &ndash based two &ndash stage approach to identify gene &ndash gene and gene &ndash environment interactions in GWA studies which can include rare variants. The two &ndash stage approach is applied to the GAW 17 dataset to identify the interaction between KDR gene and smoking status.

OPTIMAL SHAPE IN ELECTROMAGNETIC SCATTERING BY SMALL ASPHERICAL PARTICLES

We consider the question of optimal shapes, e.g., those causing minimal extinction among all shapes of equal volume. Guided by the isoperimetric property of a sphere, relevant in the geometrical optics limit of scattering by large particles, we examine an analogous question in the low frequency (electrostatics) approximation, seeking to disentangle electric and geometric contributions. To that end, we survey the literature on shape functionals and focus on ellipsoids, giving a simple proof of spherical optimality for the coated ellipsoidal particle. Monotonic increase with asphericity in the low frequency regime for orientation-averaged induced dipole moments and scattering cross-sections is also shown. Additional physical insight is obtained from the Rayleigh-Gans (transparent) limit and eccentricity expansions. We propose connecting low and high frequency regime in a single minimum principle valid for all size parameters, provided that reasonable size distributions of randomly oriented aspherical particles wash out the resonances for intermediate size parameters. This proposal is further supported by the sum rule for integrated extinction.

MAGNETO-PHOTONIC CRYSTALS FOR OPTICAL SENSING APPLICATIONS

Among the optical structures investigated for optical sensing purpose, a significant amount of research has been conducted on photonic crystal based sensors. A particular advantage of photonic crystal based sensors is that they show superior sensitivity for ultra-small volume sensing. In this study we investigate polarization changes in response to the changes in the cover index of magneto-optic active photonic band gap structures. One-dimensional photonic-band gap structures fabricated on iron garnet materials yield large polarization rotations at the band gap edges. The enhanced polarization effects serve as an excellent tool for chemical sensing showing high degree of sensitivity for photonic crystal cover refractive index changes. The one dimensional waveguide photonic crystals are fabricated on single-layer bismuth-substituted rare earth iron garnet films ((Bi, Y, Lu)3(Fe, Ga)5O12 ) grown by liquid phase epitaxy on gadolinium gallium garnet substrates. Band gaps have been observed where Bragg scattering conditions links forward-going fundamental waveguide modes to backscattered high-order waveguide modes. Large near-band-edge polarization rotations which increase progressively with backscattered-mode order have been experimentally demonstrated for multiple samples with different composition, film thickness and fabrication parameters. Experimental findings are supported by theoretical analysis of Bloch modes polarization states showing that large near stop-band edge rotations are induced by the magneto-photonic crystal. Theoretical and experimental analysis conducted on polarization rotation sensitivity to waveguide photonic crystal cover refractive index changes shows a monotonic enhancement of the rotation with cover index. The sensor is further developed for selective chemical sensing by employing Polypyrrole as the photonic crystal cover layer. Polypyrrole is one of the extensively studied conducting polymers for selective analyte detection. Successful detection of aqueous ammonia and methanol has been achieved with Polypyrrole deposited magneto-photonic crystals.

Biochemical Conversions of Lignocellulosic Biomass for Sustainable Fuel-Ethanol Production in the Upper Midwest

Biofuels are an increasingly important component of worldwide energy supply. This research aims to understand the pathways and impacts of biofuels production, and to improve these processes to make them more efficient. In Chapter 2, a life cycle assessment (LCA) is presented for cellulosic ethanol production from five potential feedstocks of regional importance to the upper Midwest - hybrid poplar, hybrid willow, switchgrass, diverse prairie grasses, and logging residues - according to the requirements of Renewable Fuel Standard (RFS). Direct land use change emissions are included for the conversion of abandoned agricultural land to feedstock production, and computer models of the conversion process are used in order to determine the effect of varying biomass composition on overall life cycle impacts. All scenarios analyzed here result in greater than 60% reduction in greenhouse gas emissions relative to petroleum gasoline. Land use change effects were found to contribute significantly to the overall emissions for the first 20 years after plantation establishment. Chapter 3 is an investigation of the effects of biomass mixtures on overall sugar recovery from the combined processes of dilute acid pretreatment and enzymatic hydrolysis. Biomass mixtures studied were aspen, a hardwood species well suited to biochemical processing; balsam, a high-lignin softwood species, and switchgrass, an herbaceous energy crop with high ash content. A matrix of three different dilute acid pretreatment severities and three different enzyme loading levels was used to characterize interactions between pretreatment and enzymatic hydrolysis. Maximum glucose yield for any species was 70% oftheoretical for switchgrass, and maximum xylose yield was 99.7% of theoretical for aspen. Supplemental β-glucosidase increased glucose yield from enzymatic hydrolysis by an average of 15%, and total sugar recoveries for mixtures could be predicted to within 4% by linear interpolation of the pure species results. Chapter 4 is an evaluation of the potential for producing Trichoderma reesei cellulose hydrolases in the Kluyveromyces lactis yeast expression system. The exoglucanases Cel6A and Cel7A, and the endoglucanase Cel7B were inserted separately into the K. lactis and the enzymes were analyzed for activity on various substrates. Recombinant Cel7B was found to be active on carboxymethyl cellulose and Avicel powdered cellulose substrates. Recombinant Cel6A was also found to be active on Avicel. Recombinant Cel7A was produced, but no enzymatic activity was detected on any substrate. Chapter 5 presents a new method for enzyme improvement studies using enzyme co-expression and yeast growth rate measurements as a potential high-throughput expression and screening system in K. lactis yeast. Two different K. lactis strains were evaluated for their usefulness in growth screening studies, one wild-type strain and one strain which has had the main galactose metabolic pathway disabled. Sequential transformation and co-expression of the exoglucanase Cel6A and endoglucanase Cel7B was performed, and improved hydrolysis rates on Avicel were detectable in the cell culture supernatant. Future work should focus on hydrolysis of natural substrates, developing the growth screening method, and utilizing the K. lactis expression system for directed evolution of enzymes.

Scalp field maps and their characterization

The present chapter gives a comprehensive introduction into the display and quantitative characterization of scalp field data. After introducing the construction of scalp field maps, different interpolation methods, the effect of the recording reference and the computation of spatial derivatives are discussed. The arguments raised in this first part have important implications for resolving a potential ambiguity in the interpretation of differences of scalp field data. In the second part of the chapter different approaches for comparing scalp field data are described. All of these comparisons can be interpreted in terms of differences of intracerebral sources either in strength, or in location and orientation in a nonambiguous way. In the present chapter we only refer to scalp field potentials, but mapping also can be used to display other features, such as power or statistical values. However, the rules for comparing and interpreting scalp field potentials might not apply to such data. Generic form of scalp field data Electroencephalogram (EEG) and event-related potential (ERP) recordings consist of one value for each sample in time and for each electrode. The recorded EEG and ERP data thus represent a two-dimensional array, with one dimension corresponding to the variable “time” and the other dimension corresponding to the variable “space” or electrode. Table 2.1 shows ERP measurements over a brief time period. The ERP data (averaged over a group of healthy subjects) were recorded with 19 electrodes during a visual paradigm. The parietal midline Pz electrode has been used as the reference electrode.

Stochastic rank correlation: a robust merit function for 2D/3D registration of image data obtained at different energies

In this article, the authors evaluate a merit function for 2D/3D registration called stochastic rank correlation (SRC). SRC is characterized by the fact that differences in image intensity do not influence the registration result; it therefore combines the numerical advantages of cross correlation (CC)-type merit functions with the flexibility of mutual-information-type merit functions. The basic idea is that registration is achieved on a random subset of the image, which allows for an efficient computation of Spearman's rank correlation coefficient. This measure is, by nature, invariant to monotonic intensity transforms in the images under comparison, which renders it an ideal solution for intramodal images acquired at different energy levels as encountered in intrafractional kV imaging in image-guided radiotherapy. Initial evaluation was undertaken using a 2D/3D registration reference image dataset of a cadaver spine. Even with no radiometric calibration, SRC shows a significant improvement in robustness and stability compared to CC. Pattern intensity, another merit function that was evaluated for comparison, gave rather poor results due to its limited convergence range. The time required for SRC with 5% image content compares well to the other merit functions; increasing the image content does not significantly influence the algorithm accuracy. The authors conclude that SRC is a promising measure for 2D/3D registration in IGRT and image-guided therapy in general.

Wavelet-denoising of electroencephalogram and the absolute slope method: a new tool to improve electroencephalographic localization and lateralization

OBJECTIVE: In ictal scalp electroencephalogram (EEG) the presence of artefacts and the wide ranging patterns of discharges are hurdles to good diagnostic accuracy. Quantitative EEG aids the lateralization and/or localization process of epileptiform activity. METHODS: Twelve patients achieving Engel Class I/IIa outcome following temporal lobe surgery (1 year) were selected with approximately 1-3 ictal EEGs analyzed/patient. The EEG signals were denoised with discrete wavelet transform (DWT), followed by computing the normalized absolute slopes and spatial interpolation of scalp topography associated to detection of local maxima. For localization, the region with the highest normalized absolute slopes at the time when epileptiform activities were registered (>2.5 times standard deviation) was designated as the region of onset. For lateralization, the cerebral hemisphere registering the first appearance of normalized absolute slopes >2.5 times the standard deviation was designated as the side of onset. As comparison, all the EEG episodes were reviewed by two neurologists blinded to clinical information to determine the localization and lateralization of seizure onset by visual analysis. RESULTS: 16/25 seizures (64%) were correctly localized by the visual method and 21/25 seizures (84%) by the quantitative EEG method. 12/25 seizures (48%) were correctly lateralized by the visual method and 23/25 seizures (92%) by the quantitative EEG method. The McNemar test showed p=0.15 for localization and p=0.0026 for lateralization when comparing the two methods. CONCLUSIONS: The quantitative EEG method yielded significantly more seizure episodes that were correctly lateralized and there was a trend towards more correctly localized seizures. SIGNIFICANCE: Coupling DWT with the absolute slope method helps clinicians achieve a better EEG diagnostic accuracy.

Ermittlung der Umschlagleistung von Hochregallagern unter Berücksichtigung lagerorganisatorischer Rahmenbedingungen

Umschlagleistung, Stellplatzzahl und Stellplatzkosten sind häufig für Lagersysteme die bedeutendsten Kenngrößen. Die Einflussfaktoren auf die Umschlagleistung lassen sich in technische und organisatorische Größen einteilen. Während für die technischen Parameter eine Reihe von Berechnungsvorschriften existieren, werden die organisatorischen Einflussgrößen meist nur qualitativ beschrieben oder durch Simulationsmodelle in speziellen Einzelfällen untersucht. Es soll hier eine Methode vorgestellt werden, die es ermöglicht die Umschlagleistung unter Berücksichtigung ausgewählter organisatorischer Einflussgrößen durch Nutzung von Simulationsdatenbanken zu berechnen. Die allgemeingültigen Simulationsergebnisse können mittels eines Berechnungsprogramms auf jedes beliebige Hochregallager übertragen werden. Dafür sind neben MS Excel keine weiteren Softwareprodukte erforderlich. 1. Einleitung Die produktionswirtschaftlichen Anforderungen an die Unternehmen sind zunehmend geprägt durch Globalisierung und damit durch eine zunehmende Komplexität sowie vertiefte Arbeitsteiligkeit. Es entsteht eine zunehmend breitere Streuung der Fertigungsstandorte und Kooperationsbeziehungen. Es gibt letztlich mehr Lager- und Umschlagprozesse in der Lieferkette. Andererseits bringt der erhöhte Qualitäts- und Kostendruck steigende Fixkosten mit sich, er zwingt zur ständigen Rationalisierung der Materialwirtschaft. Es besteht der Zwang zum Einsatz neuer technisch-elektronischer Mittel zur Kontrolle und Steuerung der logistischen Ketten. Im Lager bedeutet das eine zunehmende Nutzung der Informations- und Kommunikationstechnik zur Lager- und Fertigungssteuerung, auch in Verbindung mit Forderungen der Rückverfolgbarkeit der Produkte. An die Logistikleistungen werden damit Anforderungen wie Schnelligkeit, Qualität und Kostenminimierung gestellt. Letztlich bestehen die Warenbereitstellungs- und Verteilsysteme aus der technischen Grundstruktur, dem Lagertyp und dessen Geometrie sowie der dabei einsetzbaren Bedientechnik und deren kinematischen Daten. Der organisatorische Rahmen dieser Systeme ist gekennzeichnet durch die Nutzung diverser Ein- und Auslagerstrategien, die auch wesentlich Kosten und Leistungen (Umschlagleistung) des zu betrachtenden Lagersystems bestimmen. Aufgrund der genannten Forderungen muss es gelingen, aus dem eingesetzten technischen System durch organisatorisch effizienten Betrieb maximale Leistung bei gleichzeitig minimal eingesetzten Kosten zu erzielen. Neben den Investitionskosten sind bei der Planung von automatischen Lagersystemen die erreichbaren mittleren Spielzeiten der Bedientechnik von entscheidender Bedeutung, um die erforderliche Umschlagleistung des Lagers zu gewährleisten. Hierzu existieren eine Reihe von Berechnungsvorschriften und –normen. Diese Berechnungen berücksichtigen jedoch nicht die Auswirkungen der Lagerorganisation, wie beispielsweise fahrzeitminimale Kombinationen von Ein- und Auslageraufträgen bei Doppelspielen, Zonierungsmaßnahmen, die Auswirkungen von verschiedenen Füllgraden des Lagers oder Lagerplatzstrategien. 2. Stand der Technik 2.1. Lagertypen Abbildung 1: Systematische Einteilung der Lagertypen In Abbildung 1 sind verschiedene Lagertypen dargestellt und nach Kriterien eingeteilt. Soll eine Einschränkung hinsichtlich am Markt häufig vorkommender automatischer Palettenlager getroffen werden, so sind besonders die in der Abbildung hervorgehobenen Typen zu nennen. Eine Auswahl der einzelnen Lagertypen erfolgt dann anhand von Kosten, Umschlagleistung und bei Kompaktlagern vorrangig anhand von Flächen- und Raumnutzungsgrad. Werden die Kostenunterschiede bei Personal, Rechentechnik und Steuerungssoftware in den verschiedenen Lagertypen und -ausführungen der jeweiligen Typen vernachlässigt, unterscheiden sich die Gesamtkosten der Lager lediglich in der Bedientechnik sowie in den statisch bedingten Kosten der Regalkonstruktion. Die wichtigsten Kosteneinflüsse auf die Regale sind wiederum Bauhöhe und Bauart (Regalkonstruktion oder selbsttragendes Bauwerk). Abbildung 2 zeigt die zu erwartenden Umschlagleistungen1) der verschiedenen Lagertypen in Abhängigkeit der benötigten Stellplatzanzahl. Die darauf folgende Abbildung 3 zeigt die zu erwartenden Investitionskosten1) je Stellplatz. Die berücksichtigten Kenngrößen sind nachstehend dargestellt. Die abgebildeten Kurven machen deutlich, dass insbesondere Umschlagleistung der Lager und deren Flächen- bzw. Raumnutzungsgrad gegensätzlich verlaufen. Somit sind auch die Einsatzgebiete der Lagertypen voneinander abgrenzbar. Während Hochregallager für Anwendungsfälle mit hohem Gutumschlag in Frage kommen, werden die Kompaktlager eher in Objekten mit begrenztem Platz oder hohen Raumkosten (bspw. Kühllager) eingesetzt. Somit sind Kompaktlager auch häufig für die Umplanung bzw. der notwendigen Vergrößerung der Lagerkapazität innerhalb einer bestehenden baulichen Hülle interessant. Abbildung 2: Umschlagleistungen der verschiedenen Lagertypen Abbildung 3: Investitionskosten der einzelnen Lagertypen 2.2. Einzel-/ Doppelspiele Um anhand der Technik und der geometrischen Verhältnisse im Lager die höchstmögliche Umschlagleistung zu erzielen, ist es sinnvoll, Doppelspiele (DS) zu generieren. Somit ist nicht wie bei Einzelspielen (ES) je umgeschlagene Ladeeinheit eine Leerfahrt erforderlich, sondern nur je zweiter Ladeeinheit. Das Bediengerät fährt also vom Einlagerpunkt direkt zum Auslagerpunkt, ohne zum Übergabepunkt zurückkehren zu müssen. Diese Vorgehensweise setzt die Kenntnis der nächsten Fahraufträge und gegebenenfalls die Möglichkeit der Veränderung derer Reihenfolge voraus. Für eine Optimierung der Umschlagleistung ist die bei DS entstehende Leerfahrt (Zwischenfahrstrecke) und damit die Zwischenfahrzeit zu minimieren (vgl. 3.5). Nachfolgend beschriebene Untersuchungen beziehen sich jeweils auf Doppelspiele. Abbildung 4: Darstellung der anzufahrenden Lagerplätze in der Regalwand,links: Einzelspiel, rechts: Doppelspiel 2.3. Berechnungsvorschriften für Umschlagleistungen von Lagern Es existieren eine Reihe von Vorschriften zur Berechnung der Umschlagleistung von Lagern, exemplarisch sind drei Berechnungsvorschriften dargestellt. Die Richtlinie VDI 3561 [VDI3561] ermöglicht die Berechnung der Spielzeit auch für Doppelspiele. Dazu werden zwei Referenzpunkte festgelegt, die den Aus- bzw. Einlagerpunkt darstellen. Ein Doppelspiel besteht dann aus der Summe folgender Einzelzeiten: • der Hinfahrt vom Übergabepunkt zum Einlagerpunkt (P1), • der Leerfahrt vom Ein- zum Auslagerpunkt (P2) und der • Rückfahrt vom Auslagerpunkt zum Übergabepunkt (vgl. Abb.4 rechts). Die Summe dieser Einzelzeiten wird danach mit der Summe der Übergabezeiten addiert. Der Unterschied der Richtlinie und der Berechnungsvorschrift nach [Gud00] bestehen im wesentlichen aus der Lage der Ein- und Auslagerpunkte. Fahrzeitberechnung nach VDI 3561 P1 ; P2 Fahrzeitberechnung nach Gudehus 1) P1 ; P2 1)Annahme: Vernachlässigung von Totzeiten, Lastaufnahmefaktor = 1 Wird davon ausgegangen, dass in Abhängigkeit der Gassengeometrie immer nur eine der beiden Fahrzeitanteile (vertikal bzw. horizontal) spielzeitbestimmend ist, so ergeben sich beide Fahrstrecken zu 4/3 der jeweiligen Gesamtabmessung. Der Unterschied der beiden Berechnungsvorschriften liegt lediglich in der Aufteilung der Gesamtfahrstrecke auf die Teilfahrstrecken Hin-, Rück- bzw. Zwischenfahrt. Da jedoch die Fahrzeit zu den Anfahrpunkten in der Regel nicht von der gleichen Fahrzeitkomponente bestimmt wird, kommt es in der Praxis zu Unterschieden im Berechnungsergebnis. Die unter dem Titel „Leistungsnachweis für Regalbediengeräte, Spielzeiten“ stehende Norm FEM 9.851 [FEM9.851] beschäftigt sich ebenfalls mit der Berechnung von Spielzeiten von Regalbediengeräten (RBG). Dabei werden sechs verschiedene Anwendungsfälle generiert, die am häufigsten in der Praxis vorkommen. Diese unterscheiden sich insbesondere in der Lage der Übergabepunkte für die Ein- und Auslagerung. Dabei werden die Punkte sowohl horizontal als auch vertikal verschoben. Es werden hierbei auch Fälle betrachtet, in denen der Auslagerpunkt nicht mit dem Einlagerpunkt übereinstimmt, sich beispielsweise auch an dem gegenüberliegenden Gassenende befinden kann. Wird der einfachste Fall betrachtet, dass sich der Übergabepunkt für die Ein- und Auslagerung übereinstimmend an einer unteren Ecke der Gasse befindet, stimmen die Berechnungsformeln mit [Gud00] weitgehend überein. 2.4. Kritik und Untersuchungsansatz Die Berechnung der mittleren Spielzeit der einzelnen Lagergassen durch die beschriebenen Normen erfolgt in der Regel ohne die Berücksichtigung der Geschwindigkeitsdiagonalen, deren Steigung c durch nachstehendes Verhältnis gegeben ist. Eine genaue Betrachtung der verschiedenen Gassengeometrien im Verhältnis zu den Geschwindigkeiten der Bediengeräte zeigt, dass es bei ungünstiger Lage der Geschwindigkeitsdiagonalen in der Regalwand zu Abweichungen der Berechnungsnormen von der tatsächlich zu erwartenden mittleren Spielzeit kommt. Im praktischen Lagerbetrieb wird mit verschiedenen Maßnahmen der Lagerorganisation versucht, die Umschlagleistung zu erhöhen. Diese Maßnahmen können jedoch mit den hier beschriebenen Normen und Berechnungsmethoden nicht berücksichtigt werden. Da Zonierungen, Lagerplatzstrategien oder Reihenfolgeoptimierungen der Ein- und Auslageraufträge (Zuordnungsproblem) Einfluss auf die Umschlagleistung des Lagers haben, sollten sie auch bei der Berechnung berücksichtigt werden. In den zahlreichen Veröffentlichungen mit dem Ziel der Erhöhung der Umschlagleistung eines Lagerbereiches finden sich häufig Darstellungen, die einzelne Auswirkungen der Lagerorganisation untersuchen. Dabei bleiben aber die gegenseitigen Beeinflussungen und Wechselwirkungen meist unberücksichtigt. Um dennoch solche Einflussgrößen realitätsnah berücksichtigen zu können, werden üblicherweise Simulationsmodelle erstellt, die den jeweiligen Anwendungsfall nachbilden. Die Erstellung solcher Modelle benötigt jedoch neben der entsprechenden Software Zeit und verursacht damit weitere Kosten. Aus diesem Grund ist ein solches Vorgehen erst bei einem bestimmten Grad an Komplexität der Anlage sinnvoll. Damit ist die Übertragbarkeit solcher Modelle auf verschiedene Anwendungsfälle nicht immer gegeben. 3. Dynamische Spielzeitberechnung 3.1. Vorgehen und Abgrenzung zum Forschungsstand Um die Auswirkungen der Lagerorganisation auf die Umschlagleistung sinnvoll abschätzen zu können, wurde ein allgemeingültiges Simulationsmodell erstellt. Dieses Modell startet sich nach vorgeschriebener Simulationszeit selbstständig neu mit vordefinierten Änderungen der Eingangsgrößen wie z. B.. Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der Bedientechnik in Abhängigkeit der Gassengeometrie. Nacheinander konnten somit ausgewählte, in das Modell implementierte Lagerorganisationsformen untersucht werden. Der Unterschied zu bisherigen in der Literatur dokumentierter Untersuchungen besteht in der Berücksichtigung gegenseitiger Wechselwirkungen der Lagerorganisation. Bisher wurden dagegen die verschiedenen Strategien und Regeln im Lagerbetrieb meist nur losgelöst voneinander unter einem speziellen abgegrenzten Blickwinkel betrachtet. Um die Menge an Simulationsergebnissen für einen praktischen Einsatz zur Verfügung zu stellen, wurde ein Programm auf Basis von MS Excel erstellt, das die relevanten Simulationsdaten aufarbeitet und dem Anwender einfach und übersichtlich zur Verfügung stellt. Es ist somit möglich, die gefundenen Simulationsergebnisse auf verschiedenste Hochregal-Lagersysteme zu übertragen. Das Berechnungsmodell wurde an einem existierenden Hochregallager getestet. Es können Aussagen hinsichtlich der optimalen, d. h. spielzeit- und kostenminimalen Lagergeometrie unter Berücksichtigung gegebener Randbedingungen getroffen werden. 3.2. Übergabepunkte Neben den verschiedenen untersuchten Lagerstrategien wurde zunächst nach Möglichkeiten gesucht, die Umschlagleistungen des Typs der herkömmlichen Hochregallager unter technischen Gesichtspunkten zu verbessern. Dabei wurde v. a. die Verlegung des Übergabepunktes in die Mitte der Gassenwand untersucht. Dies hat das Ziel, die mittleren Verfahrwege der Bedientechnik im Lager zu halbieren. Abbildung 5: Maximale Verfahrwege der Bedientechnik in der Regalgasse Die Ver- und Entsorgung des Materials an den Übergabeplätzen mit Lagergut kann hierbei durch zwei verschiedene Möglichkeiten gelöst werden: • Zuführung in x- oder y-Richtung, • Zuführung in z-Richtung. Ersteres Vorgehen führt in Abhängigkeit der Anzahl der Zu- und Abführkanäle zu einem großen Verlust an Lagerplätzen. Bei letzterem Vorgehen liegen die Versorgungskanäle senkrecht zu den Verfahrwegen der Bedientechnik. Das hat den Vorteil, dass die Versorgung der Übergabeplätze über die gleichen Ver- und Entsorgungskanäle erfolgt und somit erheblich weniger Lagerplatz benötigt wird. Dieses Vorgehen benötigt jedoch neben erhöhtem Steuerungsaufwand eine veränderte konstruktive Gestaltung der Gassenübergänge z. B. durch klappbare Brücken oder ein entsprechendes aus- und einfahrbares Gabelsystem. Da sich hierbei die RBG und das Lagergut behindern können, wurden Simulationsuntersuchungen zur Minimierung der Wartezeiten der RBG durchgeführt. Je mehr Kanäle für die Ein- und Auslagerung zur Verfügung stehen, umso kürzer sind die Wartezeiten der Bediengeräte. Dabei bieten sich insbesondere zwei Optimierungsstrategien an, die diese Wartezeiten minimieren können. Einerseits verursachen gassenreine Kanäle keine zusätzlichen Wartezeiten der RBG, da die benötigte Palette im jeweiligen Einlagerungskanal zur Verfügung steht. Zudem reduzieren sich die Einlagerungskanäle, je weiter die Mitte des Lagerblocks erreicht wird. Andererseits steigen die Wartezeiten der RBG schnell an, je ungünstiger das Verhältnis von Gassenanzahl zu Einlagerungskanälen wird. Dies gilt auch bei sinnvoller Begrenzung der Gassenanzahl pro Einlagerungskanal. Abbildung 6: Reihenfolgeoptimale Einschleusung der Einlagerpaletten, keine Beschränkung der Gassen pro Kanal Ist die Zahl der Gassen des Lagerblockes größer als die Zahl der Einschleuskanäle, so ist eine optimale Reihenfolge der Paletten umzusetzen, bei der die Paletten gleichmäßig auf alle Kanäle verteilt werden. Abbildung 6 zeigt die so erreichten mittleren Wartezeiten der RBG. Hier ist der Abstand zwischen zwei Paletten, die in den gleichen Gang eingelagert werden müssen, am größten. Dies führt zu minimalen Stillstandszeiten der RBG. Für die Ausschleusung der Paletten aus dem Lagerblock ist jedoch ein Kanal ausreichend. Eine technische Realisierbarkeit (auch hinsichtlich der Funktionssicherheit der Gassenbrücken) ist zu prüfen. Eine wirtschaftliche Umsetzung einer solchen Beschickung der RBG, so hat der Versuch gezeigt, macht Sinn. Es kann hierbei bei günstiger Lage der Übergabepunkte in der Regalwand nahezu 50 % der Fahrzeit eingespart werden. Bei vergleichsweise langen und hohen Gassen kann damit die mittlere Spielzeit teilweise um über 25 % gesenkt werden. 3.3. Lagerplatzstrategien Es wurden insbesondere zwei verschiedene Strategien untersucht. Einerseits wurde zur besseren Vergleichbarkeit die chaotische Lagerplatzauswahl (nachfolgend: Strategie „Chaotisch“) sowie die in der Literatur auch als „Kürzeste Fahrzeitregel (KFZ)“ bezeichnete Strategie [Gla05]. Letztere soll nachfolgend aufgrund der Auswahl des jeweils vordersten Lagerplatzes als Strategie „KFZ“ bezeichnet werden. In Abbildung 7 sind die bei zunehmender Gassengeometrie sich in Abhängigkeit der Strategien vergrößernden Fahrzeitunterschiede dargestellt. Damit ist bei höheren bzw. längeren Gassen die Strategie „KFZ�� empfehlenswert. Abbildung 7: Vergleich der Strategien „Chaotisch“ und „KFZ“ bei unzonierter Lagergasse In ist weiterhin zu erkennen, dass der Einfluss der Beschleunigung bei längeren Fahrstrecken abnimmt. Insbesondere bei kleinen Gassenabmessungen kann der Beschleunigungseinfluss nicht vernachlässigt werden. So sind in Abbildung 8 Gassenabmessungen angegeben, von wo ab die Beschleunigung der Bedientechnik der jeweiligen Richtungskomponente vernachlässigbar ist. Die Grenze des Beschleunigungseinflusses wurde mit 5 % der Gesamtfahrzeit willkürlich festgelegt. Es ist zu erkennen, dass der Beschleunigungseinfluss mit höherer Geschwindigkeit zunimmt, da das RBG eine längere Zeit und damit auch eine längere Fahrstrecke benötigt, um die Maximalgeschwindigkeit zu erreichen. Abbildung 8:Vernachlässigungsgrenzen der Beschleunigung Anhand des Diagramms ist weiterhin zu erkennen, dass die Beschleunigungen bei in der Praxis geläufigen Gassenlängen nicht zu vernachlässigen sind. Ein zur Validierung der Simulation genutztes Lager (ca. 80 x 40m, vx ≈ 1,8 m/s, vy ≈ 0,8 m/s) liegt hinsichtlich der Gassenlänge über der festgelegten Grenze, hinsichtlich seiner Höhe jedoch darunter. Somit sind auch hier die Beschleunigungen nicht zu vernachlässigen. 3.4. Zonierung Die häufigste und bekannteste Form der Zonierung in der Lagergasse ist die ABC-Zonierung. Diese geht davon aus, dass durch eine Platzierung der umsatzstarken Paletten (Schnelldreher) in der Nähe des Übergabeplatzes die mittleren Fahrstrecken der Bedientechnik vermindert werden. Abbildung 9 zeigt das Verhältnis der mittleren Anfahrpunkte in Abhängigkeit der Zonierungsart. Die Zahlenkombination (80/20) kennzeichnet bspw. 80 % des Gesamtumsatzes zu dem ihn verursachenden 20 % Mengenanteil der gesamten eingelagerten Palettenzahl [Pfo96]. Abbildung 9: Mittlere Anfahrpunkte relativ zu den Gesamtabmessungen, chaotische Lagerplatzvergabe Abbildung 10 stellt den Einfluss des Zusammenwirkens von Lagerplatzstrategien und der Zonierung dar. Dabei ist zu erkennen, dass sich bei ungünstiger Sortenverteilung von 80/80 (Umsatz-/ Mengenanteil) das Verhältnis der mittleren Fahrzeit gegenüber der unzonierten Gasse bei größeren Abmessungen erhöht. Bei günstigem Zonierungsfall (80/20) ist dieser Zusammenhang nicht zu beobachten. Hier bringt eine Zonierung Vorteile. Weiterhin ist zu erkennen, dass die Vorteile einer Zonierung bei gleichzeitig verbesserter Lagerplatzstrategie geringer sind. Abbildung 10: Zonierungsabhängige Auswirkungen der Lagerplatzstrategien auf die Fahrzeiten 3.5. Optimierung der Auftragsreihenfolge Die beschriebenen Lagerplatzvergabestrategien und Zonierungen haben das Ziel, durch Verminderung der Anfahr- und Rückwege der Bedientechnik die Fahrstrecken und damit die Fahr- und Spielzeiten zu verringern. Eine Optimierung der Reihenfolge bzw. der Zuordnung der Ein- und Auslageraufträge bei der Bildung von Doppelspielen soll dagegen die Strecken der Leerfahrten zwischen den kombinierten Lagerplätzen verringern. Auch hier konnten Auswirkungen bspw. der Zonierung nachgewiesen werden. Abbildung 11: Optimierung der Zwischenfahrzeit, Fahrzeit im Vergleich zu unoptimierter Fahrzeit Abbildung 11 zeigt die optimierten Zwischenfahrzeiten im Vergleich zu unoptimierten Zwischenfahrzeiten. Da eine Testung aller Möglichkeiten (Permutation) zu unzumutbarem Rechenaufwand führt, konnten hier nur Kombinationen von maximal 8 x 8 Aufträgen durchgeführt werden. Um dennoch auch größere Auftragspools berechnen zu können, wurde auf das Vogelsche Approximationsverfahren zurückgegriffen. Die dargestellten Kurvenverläufe stellen eine idealisierte Kennlinie der gefundenen Ergebnisse dar. Um in der Praxis eine solche Optimierung durchführen zu können, müssen die jeweils folgenden Aufträge bekannt sein. 3.6. Füllgrad Abbildung 12 zeigt Untersuchungen zum Füllgrad des Lagers. Minderungen der Umschlagleistungen waren ab einem Füllgrad von ca. 80% zu erkennen. Es konnten zwei Knickpunkte der Kurve der Umschlagleistung beobachtet werden. Der Punkt P1 stellt die Länge dar, unter der eine Verringerung der Leistung des Lagers eintritt. Der Punkt P2 beschreibt die Länge, unter der das Absinken der Umschlagleistung des Lagers verstärkt wird. Abbildung 12: Auswirkungen des Füllgrades des Lagers auf die Umschlagleistung 3.7. Berechnungsprogramm Um die Simulationsergebnisse auf beliebige Anwendungsfälle übertragen zu können, wurde ein Berechnungsprogramm erstellt. Durch Berechnung der wirksamen Gassenlänge werden die simulierten Fahrzeiten durch Interpolation auf die Daten des Anwendungsfalls übertragen. Es fließen insbesondere auch die untersuchten Auswirkungen der Lagerorganisation in die Berechnungen ein. Zur besseren Vergleichbarkeit der Berechnungsergebnisse sowie zur Definition der durch die Lagerorganisation erreichten Leistungserhöhung, wurden die Ergebnisse den Berechnungsnormen gegenübergestellt. Als weiteres Ergebnis des Programms können die Kosten des Lagers abgeschätzt werden. Dabei werden die Kosten für das Lager insgesamt, als auch die je Lagerplatz berechnet. Zunächst müssen bei zu projektierenden Lagern die Abmessungen, die Anzahl der Lagergassen und die technischen Daten der Bedientechnik festgelegt werden. Die Geometrie der Lagergasse bestimmt sich in diesem Stadium durch die Anzahl der benötigten Stellplätze und der räumlichen Restriktionen. Dabei werden unter Berücksichtigung der eingegebenen Grenzabmessungen für Breite, Tiefe und Höhe die Anzahl der Regalgassen berechnet. Hierzu werden durch den Einsatz von teuren RBG lange und hohe Gassen bevorzugt. Die Gassen werden so gestaltet, dass sowohl die Gassengeometrie optimal ist, als auch die maximale Bedienhöhe der Geräte erreicht wird. Um die geforderte Lagerplatzanzahl zu erlangen, werden Vielfache der so dimensionierten Regalgasse gebildet, bis die benötigte Stellplatzanzahl erstmals überschritten ist. Grenzen der Abmessungen können bspw. durch die einzusetzende Bedientechnik oder bereits bestehende Lagerhülle gegeben sein. 4. Zusammenfassung und Ausblick Anhand der Untersuchungen wurde eine Möglichkeit aufgezeigt, die es dem Anwender ermöglicht, ohne zusätzliche Hilfsmittel und spezielle Kenntnis von Simulationsprogrammen die Umschlagleistung eines Lagers zu berechnen. Er greift durch die Nutzung eines Berechnungsprogramms, das in MS Excel- VBA (Visual Basic for Applications) erstellt wurde auf eine Simulationsdatenbank zu. Diese Simulationsdatenbank berücksichtigt wesentliche organisatorische und technische Daten eines Lagersystems. Der Bediener kann somit die Umschlagleistung für seinen Planungsfall unter Berücksichtigung der Lagerorganisation sowie deren Wechselwirkungen berechnen. Um das Einsatzgebiet der Methode zu erweitern und allgemeiner zu gestalten sind weitere Vervollständigungen der Maßnahmenbibliothek sinnvoll. Zum Anderen ist es möglich, die Simulationsdatenbank um andere Lagertypen sowie mehrfachtiefe Einlagerungen zu erweitern.

Topologically Accurate Dual Isosurfacing Using Ray Intersection

“Dual contouring” approaches provide an alternative to standard Marching Cubes (MC) method to extract and approximate an isosurface from trivariate data given on a volumetric mesh. These dual approaches solve some of the problems encountered by the MC methods. We present a simple method based on the MC method and the ray intersection technique to compute isosurface points in the cell interior. One of the advantages of our method is that it does not require us to use Hermite interpolation scheme, unlike other dual contouring methods. We perform a complete analysis of all possible configurations to generate a look-up table for all configurations. We use the look-up table to optimize the ray-intersection method to obtain minimum number of points necessarily sufficient for defining topologically correct isosurfaces in all possible configurations. Isosurface points are connected using a simple strategy.

Algorithms For Automatic And Robust Registration Of 3D Head Scans

wo methods for registering laser-scans of human heads and transforming them to a new semantically consistent topology defined by a user-provided template mesh are described. Both algorithms are stated within the Iterative Closest Point framework. The first method is based on finding landmark correspondences by iteratively registering the vicinity of a landmark with a re-weighted error function. Thin-plate spline interpolation is then used to deform the template mesh and finally the scan is resampled in the topology of the deformed template. The second algorithm employs a morphable shape model, which can be computed from a database of laser-scans using the first algorithm. It directly optimizes pose and shape of the morphable model. The use of the algorithm with PCA mixture models, where the shape is split up into regions each described by an individual subspace, is addressed. Mixture models require either blending or regularization strategies, both of which are described in detail. For both algorithms, strategies for filling in missing geometry for incomplete laser-scans are described. While an interpolation-based approach can be used to fill in small or smooth regions, the model-driven algorithm is capable of fitting a plausible complete head mesh to arbitrarily small geometry, which is known as "shape completion". The importance of regularization in the case of extreme shape completion is shown.

A user supported object tracking framework for interactive video production

We present a user supported tracking framework that combines automatic tracking with extended user input to create error free tracking results that are suitable for interactive video production. The goal of our approach is to keep the necessary user input as small as possible. In our framework, the user can select between different tracking algorithms - existing ones and new ones that are described in this paper. Furthermore, the user can automatically fuse the results of different tracking algorithms with our robust fusion approach. The tracked object can be marked in more than one frame, which can significantly improve the tracking result. After tracking, the user can validate the results in an easy way, thanks to the support of a powerful interpolation technique. The tracking results are iteratively improved until the complete track has been found. After the iterative editing process the tracking result of each object is stored in an interactive video file that can be loaded by our player for interactive videos.

ANOVA kernels and RKHS of zero mean functions for model-based sensitivity analysis

Given a reproducing kernel Hilbert space (H,〈.,.〉)(H,〈.,.〉) of real-valued functions and a suitable measure μμ over the source space D⊂RD⊂R, we decompose HH as the sum of a subspace of centered functions for μμ and its orthogonal in HH. This decomposition leads to a special case of ANOVA kernels, for which the functional ANOVA representation of the best predictor can be elegantly derived, either in an interpolation or regularization framework. The proposed kernels appear to be particularly convenient for analyzing the effect of each (group of) variable(s) and computing sensitivity indices without recursivity.

Fabric-mechanical property relationships of trabecular bone allografts are altered by supercritical CO2 treatment and gamma sterilization

Tissue grafts are implanted in orthopedic surgery every day. In order to minimize infection risk, bone allografts are often delipidated with supercritical CO2 and sterilized prior to implantation. This treatment may, however, impair the mechanical behavior of the bone graft tissue. The goal of this study was to determine clinically relevant mechanical properties of treated/sterilized human trabecular bone grafts, e.g. the apparent modulus, strength, and the ability to absorb energy during compaction. They were compared with results of identical experiments performed previously on untreated/fresh frozen human trabecular bone from the same anatomical site (Charlebois, 2008). We tested the hypothesis that the morphology–mechanical property relationships of treated cancellous allografts are similar to those of fresh untreated bone. The morphology of the allografts was determined by μCT. Subsequently, cylindrical samples were tested in unconfined and confined compression. To account for various morphologies, the experimental data was fitted to phenomenological mechanical models for elasticity, strength, and dissipated energy density based on bone volume fraction (BV/TV) and the fabric tensor determined by MIL. The treatment/sterilization process does not appear to influence bone graft stiffness. However, strength and energy dissipation of the bone grafts were found to be significantly reduced by 36% to 47% and 66% to 81%, respectively, for a broad range of volume fraction (0.14 < BV/TV < 0.39) and degree of anisotropy (1.24 < DA < 2.18). Since the latter properties are strongly dominated by BV/TV, the clinical consequences of this reduction can be compensated by using grafts with lower porosity. The data of this study suggests that an increase of 5–10% in BV/TV is sufficient to compensate for the reduced post-yield mechanical properties of treated/sterilized bone in monotonic compression. In applications where graft stiffness needs to be matched and strength is not a concern, treated allograft with the same BV/TV as an appropriate fresh bone graft may be used.

Finite element analysis for prediction of bone strength

Article preview View full access options BoneKEy Reports | Review Print Email Share/bookmark Finite element analysis for prediction of bone strength Philippe K Zysset, Enrico Dall'Ara, Peter Varga & Dieter H Pahr Affiliations Corresponding author BoneKEy Reports (2013) 2, Article number: 386 (2013) doi:10.1038/bonekey.2013.120 Received 03 January 2013 Accepted 25 June 2013 Published online 07 August 2013 Article tools Citation Reprints Rights & permissions Abstract Abstract• References• Author information Finite element (FE) analysis has been applied for the past 40 years to simulate the mechanical behavior of bone. Although several validation studies have been performed on specific anatomical sites and load cases, this study aims to review the predictability of human bone strength at the three major osteoporotic fracture sites quantified in recently completed in vitro studies at our former institute. Specifically, the performance of FE analysis based on clinical computer tomography (QCT) is compared with the ones of the current densitometric standards, bone mineral content, bone mineral density (BMD) and areal BMD (aBMD). Clinical fractures were produced in monotonic axial compression of the distal radii, vertebral sections and in side loading of the proximal femora. QCT-based FE models of the three bones were developed to simulate as closely as possible the boundary conditions of each experiment. For all sites, the FE methodology exhibited the lowest errors and the highest correlations in predicting the experimental bone strength. Likely due to the improved CT image resolution, the quality of the FE prediction in the peripheral skeleton using high-resolution peripheral CT was superior to that in the axial skeleton with whole-body QCT. Because of its projective and scalar nature, the performance of aBMD in predicting bone strength depended on loading mode and was significantly inferior to FE in axial compression of radial or vertebral sections but not significantly inferior to FE in side loading of the femur. Considering the cumulated evidence from the published validation studies, it is concluded that FE models provide the most reliable surrogates of bone strength at any of the three fracture sites.

Derived Bedrock Elevations, Strain Rates and Stresses from Measured Surface Elevations and Velocities - Jakobshavns-Isbrae, Greenland

Jakobshavns Isbrae (69 degrees 10'N, 49 degrees 5'W) drains about 6.5% of the Greenland ice sheet and is the fastest ice stream known. The Jakobshavns Isbrae basin of about 10 000 km(2) was mapped photogrammetrically from four sets of aerial photography, two taken in July 1985 and two in July 1986. Positions and elevations of several hundred natural features on the ice surface were determined for each epoch by photogrammetric block-aerial triangulation, and surface velocity vectors were computed from the positions. The two flights in 1985 yielded the best results and provided most common points (716) for velocity determinations and are therefore used in the modeling studies. The data from these irregularly spaced points were used to calculate ice elevations and velocity vectors at uniformly spaced grid paints 3 km apart by interpolation. The field of surface strain rates was then calculated from these gridded data and used to compute the field of surface deviatoric stresses, using the flow law of ice, for rectilinear coordinates, X, Y pointing eastward and northward. and curvilinear coordinates, L, T pointing longitudinally and transversely to the changing ice-flow direction. Ice-surface elevations and slopes were then used to calculate ice thicknesses and the fraction of the ice velocity due to basal sliding. Our calculated ice thicknesses are in fair agreement with an ice-thickness map based on seismic sounding and supplied to us by K. Echelmeyer. Ice thicknesses were subtracted from measured ice-surface elevations to map bed topography. Our calculation shows that basal sliding is significant only in the 10-15 km before Jakobshavns Isbrae becomes afloat in Jakobshavns IsfJord.