Experimental and modeling study of the filtration and oxidation characteristics of a diesel oxidation catalyst and a catalyzed particulate filter

A diesel oxidation catalyst (DOC) with a catalyzed diesel particulate filter (CPF) is an effective exhaust aftertreatment device that reduces particulate emissions from diesel engines, and properly designed DOC-CPF systems provide passive regeneration of the filter by the oxidation of PM via thermal and NO2/temperature-assisted means under various vehicle duty cycles. However, controlling the backpressure on engines caused by the addition of the CPF to the exhaust system requires a good understanding of the filtration and oxidation processes taking place inside the filter as the deposition and oxidation of solid particulate matter (PM) change as functions of loading time. In order to understand the solid PM loading characteristics in the CPF, an experimental and modeling study was conducted using emissions data measured from the exhaust of a John Deere 6.8 liter, turbocharged and after-cooled engine with a low-pressure loop EGR system and a DOC-CPF system (or a CCRT® - Catalyzed Continuously Regenerating Trap®, as named by Johnson Matthey) in the exhaust system. A series of experiments were conducted to evaluate the performance of the DOC-only, CPF-only and DOC-CPF configurations at two engine speeds (2200 and 1650 rpm) and various loads on the engine ranging from 5 to 100% of maximum torque at both speeds. Pressure drop across the DOC and CPF, mass deposited in the CPF at the end of loading, upstream and downstream gaseous and particulate emissions, and particle size distributions were measured at different times during the experiments to characterize the pressure drop and filtration efficiency of the DOCCPF system as functions of loading time. Pressure drop characteristics measured experimentally across the DOC-CPF system showed a distinct deep-bed filtration region characterized by a non-linear pressure drop rise, followed by a transition region, and then by a cake-filtration region with steadily increasing pressure drop with loading time at engine load cases with CPF inlet temperatures less than 325 °C. At the engine load cases with CPF inlet temperatures greater than 360 °C, the deep-bed filtration region had a steep rise in pressure drop followed by a decrease in pressure drop (due to wall PM oxidation) in the cake filtration region. Filtration efficiencies observed during PM cake filtration were greater than 90% in all engine load cases. Two computer models, i.e., the MTU 1-D DOC model and the MTU 1-D 2-layer CPF model were developed and/or improved from existing models as part of this research and calibrated using the data obtained from these experiments. The 1-D DOC model employs a three-way catalytic reaction scheme for CO, HC and NO oxidation, and is used to predict CO, HC, NO and NO2 concentrations downstream of the DOC. Calibration results from the 1-D DOC model to experimental data at 2200 and 1650 rpm are presented. The 1-D 2-layer CPF model uses a ‘2-filters in series approach’ for filtration, PM deposition and oxidation in the PM cake and substrate wall via thermal (O2) and NO2/temperature-assisted mechanisms, and production of NO2 as the exhaust gas mixture passes through the CPF catalyst washcoat. Calibration results from the 1-D 2-layer CPF model to experimental data at 2200 rpm are presented. Comparisons of filtration and oxidation behavior of the CPF at sample load-cases in both configurations are also presented. The input parameters and selected results are also compared with a similar research work with an earlier version of the CCRT®, to compare and explain differences in the fundamental behavior of the CCRT® used in these two research studies. An analysis of the results from the calibrated CPF model suggests that pressure drop across the CPF depends mainly on PM loading and oxidation in the substrate wall, and also that the substrate wall initiates PM filtration and helps in forming a PM cake layer on the wall. After formation of the PM cake layer of about 1-2 µm on the wall, the PM cake becomes the primary filter and performs 98-99% of PM filtration. In all load cases, most of PM mass deposited was in the PM cake layer, and PM oxidation in the PM cake layer accounted for 95-99% of total PM mass oxidized during loading. Overall PM oxidation efficiency of the DOC-CPF device increased with increasing CPF inlet temperatures and NO2 flow rates, and was higher in the CCRT® configuration compared to the CPF-only configuration due to higher CPF inlet NO2 concentrations. Filtration efficiencies greater than 90% were observed within 90-100 minutes of loading time (starting with a clean filter) in all load cases, due to the fact that the PM cake on the substrate wall forms a very efficient filter. A good strategy for maintaining high filtration efficiency and low pressure drop of the device while performing active regeneration would be to clean the PM cake filter partially (i.e., by retaining a cake layer of 1-2 µm thickness on the substrate wall) and to completely oxidize the PM deposited in the substrate wall. The data presented support this strategy.

Reducing main memory access latency through SDRAM address mapping techniques and access reordering mechanisms

As the performance gap between microprocessors and memory continues to increase, main memory accesses result in long latencies which become a factor limiting system performance. Previous studies show that main memory access streams contain significant localities and SDRAM devices provide parallelism through multiple banks and channels. These locality and parallelism have not been exploited thoroughly by conventional memory controllers. In this thesis, SDRAM address mapping techniques and memory access reordering mechanisms are studied and applied to memory controller design with the goal of reducing observed main memory access latency. The proposed bit-reversal address mapping attempts to distribute main memory accesses evenly in the SDRAM address space to enable bank parallelism. As memory accesses to unique banks are interleaved, the access latencies are partially hidden and therefore reduced. With the consideration of cache conflict misses, bit-reversal address mapping is able to direct potential row conflicts to different banks, further improving the performance. The proposed burst scheduling is a novel access reordering mechanism, which creates bursts by clustering accesses directed to the same rows of the same banks. Subjected to a threshold, reads are allowed to preempt writes and qualified writes are piggybacked at the end of the bursts. A sophisticated access scheduler selects accesses based on priorities and interleaves accesses to maximize the SDRAM data bus utilization. Consequentially burst scheduling reduces row conflict rate, increasing and exploiting the available row locality. Using a revised SimpleScalar and M5 simulator, both techniques are evaluated and compared with existing academic and industrial solutions. With SPEC CPU2000 benchmarks, bit-reversal reduces the execution time by 14% on average over traditional page interleaving address mapping. Burst scheduling also achieves a 15% reduction in execution time over conventional bank in order scheduling. Working constructively together, bit-reversal and burst scheduling successfully achieve a 19% speedup across simulated benchmarks.

Human and embodied energy analysis applied to water source protection and household water treatment interventions used in Mali, West Africa

As water quality interventions are scaled up to meet the Millennium Development Goal of halving the proportion of the population without access to safe drinking water by 2015 there has been much discussion on the merits of household- and source-level interventions. This study furthers the discussion by examining specific interventions through the use of embodied human and material energy. Embodied energy quantifies the total energy required to produce and use an intervention, including all upstream energy transactions. This model uses material quantities and prices to calculate embodied energy using national economic input/output-based models from China, the United States and Mali. Embodied energy is a measure of aggregate environmental impacts of the interventions. Human energy quantifies the caloric expenditure associated with the installation and operation of an intervention is calculated using the physical activity ratios (PARs) and basal metabolic rates (BMRs). Human energy is a measure of aggregate social impacts of an intervention. A total of four household treatment interventions – biosand filtration, chlorination, ceramic filtration and boiling – and four water source-level interventions – an improved well, a rope pump, a hand pump and a solar pump – are evaluated in the context of Mali, West Africa. Source-level interventions slightly out-perform household-level interventions in terms of having less total embodied energy. Human energy, typically assumed to be a negligible portion of total embodied energy, is shown to be significant to all eight interventions, and contributing over half of total embodied energy in four of the interventions. Traditional gender roles in Mali dictate the types of work performed by men and women. When the human energy is disaggregated by gender, it is seen that women perform over 99% of the work associated with seven of the eight interventions. This has profound implications for gender equality in the context of water quality interventions, and may justify investment in interventions that reduce human energy burdens.

Electronic medical record systems, data quality and loss to follow-up: survey of antiretroviral therapy programmes in resource-limited settings

OBJECTIVE: To describe the electronic medical databases used in antiretroviral therapy (ART) programmes in lower-income countries and assess the measures such programmes employ to maintain and improve data quality and reduce the loss of patients to follow-up. METHODS: In 15 countries of Africa, South America and Asia, a survey was conducted from December 2006 to February 2007 on the use of electronic medical record systems in ART programmes. Patients enrolled in the sites at the time of the survey but not seen during the previous 12 months were considered lost to follow-up. The quality of the data was assessed by computing the percentage of missing key variables (age, sex, clinical stage of HIV infection, CD4+ lymphocyte count and year of ART initiation). Associations between site characteristics (such as number of staff members dedicated to data management), measures to reduce loss to follow-up (such as the presence of staff dedicated to tracing patients) and data quality and loss to follow-up were analysed using multivariate logit models. FINDINGS: Twenty-one sites that together provided ART to 50 060 patients were included (median number of patients per site: 1000; interquartile range, IQR: 72-19 320). Eighteen sites (86%) used an electronic database for medical record-keeping; 15 (83%) such sites relied on software intended for personal or small business use. The median percentage of missing data for key variables per site was 10.9% (IQR: 2.0-18.9%) and declined with training in data management (odds ratio, OR: 0.58; 95% confidence interval, CI: 0.37-0.90) and weekly hours spent by a clerk on the database per 100 patients on ART (OR: 0.95; 95% CI: 0.90-0.99). About 10 weekly hours per 100 patients on ART were required to reduce missing data for key variables to below 10%. The median percentage of patients lost to follow-up 1 year after starting ART was 8.5% (IQR: 4.2-19.7%). Strategies to reduce loss to follow-up included outreach teams, community-based organizations and checking death registry data. Implementation of all three strategies substantially reduced losses to follow-up (OR: 0.17; 95% CI: 0.15-0.20). CONCLUSION: The quality of the data collected and the retention of patients in ART treatment programmes are unsatisfactory for many sites involved in the scale-up of ART in resource-limited settings, mainly because of insufficient staff trained to manage data and trace patients lost to follow-up.

Remote sensing of volcanic plumes using the Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER).

The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) has been used to quantify SO2 emissions from passively degassing volcanoes. This dissertation explores ASTER’s capability to detect SO2 with satellite validation, enhancement techniques and extensive processing of images at a variety of volcanoes. ASTER is compared to the Mini UV Spectrometer (MUSe), a ground based instrument, to determine if reasonable SO2 fluxes can be quantified from a plume emitted from Lascar, Chile. The two sensors were in good agreement with ASTER proving to be a reliable detector of SO2. ASTER illustrated the advantages of imaging a plume in 2D, with better temporal resolution than the MUSe. SO2 plumes in ASTER imagery are not always discernible in the raw TIR data. Principal Component Analysis (PCA) and Decorrelation Stretch (DCS) enhancement techniques were compared to determine how well they highlight a variety of volcanic plumes. DCS produced a consistent output and the composition of the plumes was easy to identify from explosive eruptions. As the plumes became smaller and lower in altitude they became harder to distinguish using DCS. PCA proved to be better at identifying smaller low altitude plumes. ASTER was used to investigate SO2 emissions at Lascar, Chile. Activity at Lascar has been characterized by cyclic behavior and persistent degassing (Matthews et al. 1997). Previous studies at Lascar have primarily focused on changes in thermal infrared anomalies, neglecting gas emissions. Using the SO2 data along with changes in thermal anomalies and visual observations it is evident that Lascar is at the end an eruptive cycle that began in 1993. Declining gas emissions and crater temperatures suggest that the conduit is sealing. ASTER and the Ozone Monitoring Instrument (OMI) were used to determine the annual contribution of SO2 to the troposphere from the Central and South American volcanic arcs between 2000 and 2011. Fluxes of 3.4 Tg/a for Central America and 3.7 Tg/a for South America were calculated. The detection limits of ASTER were explored. The results a proved to be interesting, with plumes from many of the high emitting volcanoes, such as Villarrica, Chile, not being detected by ASTER.

EVALUATING INFRASTRUCTURE PERFORMANCE TO ASSIST FACILITY MANAGEMENT TOWARD SUSTAINABLE SYSTEMS

Civil infrastructure provides essential services for the development of both society and economy. It is very important to manage systems efficiently to ensure sound performance. However, there are challenges in information extraction from available data, which also necessitates the establishment of methodologies and frameworks to assist stakeholders in the decision making process. This research proposes methodologies to evaluate systems performance by maximizing the use of available information, in an effort to build and maintain sustainable systems. Under the guidance of problem formulation from a holistic view proposed by Mukherjee and Muga, this research specifically investigates problem solving methods that measure and analyze metrics to support decision making. Failures are inevitable in system management. A methodology is developed to describe arrival pattern of failures in order to assist engineers in failure rescues and budget prioritization especially when funding is limited. It reveals that blockage arrivals are not totally random. Smaller meaningful subsets show good random behavior. Additional overtime failure rate is analyzed by applying existing reliability models and non-parametric approaches. A scheme is further proposed to depict rates over the lifetime of a given facility system. Further analysis of sub-data sets is also performed with the discussion of context reduction. Infrastructure condition is another important indicator of systems performance. The challenges in predicting facility condition are the transition probability estimates and model sensitivity analysis. Methods are proposed to estimate transition probabilities by investigating long term behavior of the model and the relationship between transition rates and probabilities. To integrate heterogeneities, model sensitivity is performed for the application of non-homogeneous Markov chains model. Scenarios are investigated by assuming transition probabilities follow a Weibull regressed function and fall within an interval estimate. For each scenario, multiple cases are simulated using a Monte Carlo simulation. Results show that variations on the outputs are sensitive to the probability regression. While for the interval estimate, outputs have similar variations to the inputs. Life cycle cost analysis and life cycle assessment of a sewer system are performed comparing three different pipe types, which are reinforced concrete pipe (RCP) and non-reinforced concrete pipe (NRCP), and vitrified clay pipe (VCP). Life cycle cost analysis is performed for material extraction, construction and rehabilitation phases. In the rehabilitation phase, Markov chains model is applied in the support of rehabilitation strategy. In the life cycle assessment, the Economic Input-Output Life Cycle Assessment (EIO-LCA) tools are used in estimating environmental emissions for all three phases. Emissions are then compared quantitatively among alternatives to support decision making.

MARVIN: a medical research application framework based on open source software

This paper describes the open source framework MARVIN for rapid application development in the field of biomedical and clinical research. MARVIN applications consist of modules that can be plugged together in order to provide the functionality required for a specific experimental scenario. Application modules work on a common patient database that is used to store and organize medical data as well as derived data. MARVIN provides a flexible input/output system with support for many file formats including DICOM, various 2D image formats and surface mesh data. Furthermore, it implements an advanced visualization system and interfaces to a wide range of 3D tracking hardware. Since it uses only highly portable libraries, MARVIN applications run on Unix/Linux, Mac OS X and Microsoft Windows.

OUT-OF-STEP DETECTION BASED ON ZUBOV’S APPROXIMATION BOUNDARY METHOD

Disturbances in power systems may lead to electromagnetic transient oscillations due to mismatch of mechanical input power and electrical output power. Out-of-step conditions in power system are common after the disturbances where the continuous oscillations do not damp out and the system becomes unstable. Existing out-of-step detection methods are system specific as extensive off-line studies are required for setting of relays. Most of the existing algorithms also require network reduction techniques to apply in multi-machine power systems. To overcome these issues, this research applies Phasor Measurement Unit (PMU) data and Zubov’s approximation stability boundary method, which is a modification of Lyapunov’s direct method, to develop a novel out-of-step detection algorithm. The proposed out-of-step detection algorithm is tested in a Single Machine Infinite Bus system, IEEE 3-machine 9-bus, and IEEE 10-machine 39-bus systems. Simulation results show that the proposed algorithm is capable of detecting out-of-step conditions in multi-machine power systems without using network reduction techniques and a comparative study with an existing blinder method demonstrate that the decision times are faster. The simulation case studies also demonstrate that the proposed algorithm does not depend on power system parameters, hence it avoids the need of extensive off-line system studies as needed in other algorithms.

The influence of PVC wrapping on the performance of two laser fluorescence devices on occlusal surfaces in vitro

OBJECTIVE: The aim of this study was to determine the influence of polyvinyl chloride (PVC) wrapping on the performance of two laser fluorescence devices (LF and LFpen) by assessing tooth occlusal surfaces. BACKGROUND DATA: Protection of their tips may influence LF measurements. To date there are no studies evaluating the influence of this protection on the performance of the LFpen on permanent teeth, or comparing it to the original LF device. MATERIALS AND METHODS: One hundred nineteen permanent molars were assessed by two experienced dentists using the LF and the LFpen devices, both with and without PVC wrapping. The teeth were histologically prepared and assessed for caries extension. RESULTS: The LF values with and without PVC wrapping were significantly different. For both LF devices, the sensitivity and accuracy were lower when the PVC wrapping was used. The specificity was statistically significantly higher for the LFpen with PVC. No difference was found between the areas under the ROC curves with and without PVC wrapping. The ICC showed excellent interexaminer agreement. The Bland and Altman method showed a range between the upper and the lower limits of agreement of 63.4 and 57.8 units for the LF device, and 49.4 and 74.2 for the LFpen device, with and without PVC wrapping, respectively. CONCLUSIONS: We found an influence of the PVC wrapping on the performance of the LF and LFpen devices. However, since its influence on detection of occlusal caries lesions is considered for, the use of one PVC layer is suggested to avoid cross-contamination in clinical practice.

Simulating in vivo-like Synaptic Input Patterns in Multicompartmental Models

In the laboratory of Dr. Dieter Jaeger at Emory University, we use computer simulations to study how the biophysical properties of neurons—including their three-dimensional structure, passive membrane resistance and capacitance, and active membrane conductances generated by ion channels—affect the way that the neurons transfer synaptic inputs into the action potential streams that represent their output. Because our ultimate goal is to understand how neurons process and relay information in a living animal, we try to make our computer simulations as realistic as possible. As such, the computer models reflect the detailed morphology and all of the ion channels known to exist in the particular neuron types being simulated, and the model neurons are tested with synaptic input patterns that are intended to approximate the inputs that real neurons receive in vivo. The purpose of this workshop tutorial was to explain what we mean by ‘in vivo-like’ synaptic input patterns, and how we introduce these input patterns into our computer simulations using the freely available GENESIS software package (http://www.genesis-sim.org/GENESIS). The presentation was divided into four sections: first, an explanation of what we are talking about when we refer to in vivo-like synaptic input patterns

Offenes Baukastensystem zur effizienten Dimensionierung von Materialflusssystemen

Die optimale Gestaltung logistischer Systeme und Prozesse bekommt eine immer größere Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen. Für Einzelkomponenten von Materi-alflusssystemen sind neben exakten analytischen Verfahren auch Näherungslösungen und Ersatzmodelle in Form von Polynomen, neuronalen Netzen oder zeitdiskreten Verfahren vorhanden, mit denen eine gute Nachbildung des Verhaltens dieser Komponenten möglich ist. Ziel des Baukastensystems ist es, für diese Vielzahl von Methoden mit ihren spezifischen Ein- und Aus-gangsgrößen eine übergeordnete, einheitliche Kommunikations- und Datenschnittstelle zu definieren. In einem grafischen Editor kann ein Modell eines Materialflusssystems aus solchen Bausteinen gebildet und parametriert werden. Durch Verbindungen zwischen den Bausteinen werden Informationen ausge-tauscht. Die Berechnungen der Bausteine liefern Aussagen zu Auslastungen, Warteschlangen bzw. Warte-zeiten vor den Bausteinen sowie Flussgrößen zur Beschreibung der Abgangströme. The optimal arrangement of logistical systems and operations gets an increased importance for the economicalness and competitiveness of enterprises. For individual components of material flow systems there are also existing approximate solutions and substitute models besides exact analytical calculations in the form of polynomials, neural nets or time-discrete analysis which allows a good analytical description of the behaviour of these components. It is aim of the module system to define a superordinate and unified communication and data interface for all of these variety of methods with her specific input and output quantities. By using a graphic editor, the material flow system can be modelled of such components with specified functions and parameters. Connections between the components allows exchange of information. The calculations of the components provide statements concerning utilization, queue size or waiting time ahead of the components as well as parameters for the description of the departure process. Materialflusssysteme sind Träger innerbetrieblicher Transportprozesse und elementarer Bestandteil logistischer Systeme. Die optimale Gestaltung logistischer Systeme und Prozesse bekommt eine immer größere Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen. Die effiziente Dimensionierung von Materialflusssystemen ist für Planer, Hersteller und Betreiber solcher Anlagen von grundsätzlicher Bedeutung. Für viele bei der Planung materialflusstechnischer Anlagen auftretende Fragestellungen steht noch immer kein Berechnungsverfahren oder -werkzeug zur Verfügung, welches allen drei folgenden Anforderungen gleicherma-ßen gerecht wird: Die Handhabung soll einfach, unkompliziert und schnell sein. Die Berechnungsergebnisse sollen eine hohe Genauigkeit haben. Die Berechnung soll allgemein gültige Ergebnisse liefern. Dabei handelt es sich um Fragestellungen, die durchaus grundlegender Natur sind. Beispielsweise nach den (statistisch) zu erwartenden minimalen und maximalen Auftragsdurchlaufzeiten, nach dem Einfluss von Belas-tungsschwankungen auf die Anlagenleistung, nach vorzusehenden Puffern (Stauplätze) und Leistungsreserven (Auslastung). Für die oben genannten Aufgaben der Materialflussplanung stehen heute hauptsächlich drei Verfahren zur Verfügung (Abb. 1): Faustformeln (gekennzeichnet mit f) sind einfach aber ungenau. Das Systemverhalten von Materialfluss-komponenten beschreiben sie selten über den gesamten Bereich möglicher Betriebsbedingungen und Konfi-gurationen. Das Verhalten von gesamten Materialflusssystemen ist zu komplex, als dass es mit Faustformeln adäquat beschreibbar wäre. Bedienungstheoretische Ansätze erlauben die Beschreibung von Materialflusskomponenten (kleines b) sehr genau und sehr umfassend, soweit Standardmethoden und -modelle der Bedienungstheorie anwendbar sind. Ist diese Voraussetzung nicht gegeben, kann der Aufwand zur Modellbildung schnell erheblich werden. Die Beschreibung von Materialflusssystemen (großes B) als Bedienungsnetzwerke ist nur unter (zum Teil stark) vereinfachenden Annahmen möglich. Solche Vereinfachungen gehen zu Lasten von Genauigkeit und All-gemeingültigkeit der Aussagen. Die Methoden sind häufig sehr komplex, ihre Anwendung erfordert vertief-te Kenntnisse in der Statistik und Stochastik. Simulationsuntersuchungen liefern für Materialflusskomponenten (kleines s) und für Materialflusssysteme (großes S) gleichermaßen genaue Aussagen. Der für die Untersuchungen erforderliche Aufwand hängt dabei weit weniger von den Eigenschaften und der Größe des Systems ab, als es bei bedienungstheoretischen An-sätzen der Fall ist. Die Aussagen der Simulation sind nie universell. Sie betreffen immer nur ein System in einer bestimmten Konfiguration. Die Anwendung der Simulation erfordert Spezialsoftware und vertiefte Kenntnisse in der Modellierung und Programmierung. Verfahren, die genaue und allgemein gültige Aussagen über das Verhalten komplexer Materialflusssysteme liefern können, sind insbesondere in der Phase der Angebotserstellung bzw. in der Phase der Grobplanung von besonderer Wichtigkeit. Andererseits sind heute verfügbare Verfahren aber zu kompliziert und damit unwirt-schaftlich. Gerade in der Phase der Systemgrobplanung werden häufig Änderungen in der Struktur des Systems notwendig, welche z.B. beim Einsatz der Simulation zu erheblichem Änderungsaufwand am Modell führt. Oftmals können solche Änderungen nicht schnell genug ausgeführt werden. Damit bleiben in der Praxis oft erhebliche Planungsunsicherheiten bestehen. Der Grundgedanke des Baukastensystems besteht in der Modularisierung von Materialflusssystemen in einzelne Bausteine und Berechnungen zum Verhalten dieser Komponenten. Die betrachteten Module sind Materialfluss-komponenten, die eine bestimmte logistische Funktion in einer konstruktiv bzw. steuerungstechnisch bedingten, definierten Weise ausführen. Das Verhalten einer Komponente wird durch Belastungen (Durchsatz) und techni-sche Parameter (Geschwindigkeit, Schaltzeit o.ä.) beeinflusst und kann durch ein adäquates mathematisches Modell quantifiziert werden. Das offene Baukastensystem soll dabei vor allem einen konzeptionellen Rahmen für die Integration derartiger Modellbausteine bilden. Es umfasst neben der Bausteinmodularisierung die Problematik der Kommunikation zwischen den Bausteinen (Schnittstellen) sowie Möglichkeiten zur Visualisierung von Ergebnissen. Das daraus abgeleitete softwaretechnische Konzept berücksichtigt neben der einheitlichen Integration der zum Teil stark unterschiedlichen Berechnungsverfahren für einzelne Materialflusskomponenten auch einheitliche Definitionen zur Beschreibung von benötigten Eingangsparametern einschließlich der Randbedingungen (Defini-tionsbereich) und Plausibilitätskontrollen sowie zur Ergebnisbereitstellung. Äußerst wichtig war die Zielstellung, das System offen und erweiterbar zu gestalten: Prototypisch wurden zwar einzelne vorliegende Bausteine integ-riert, es ist aber jederzeit möglich, weitere Verfahren in Form eines Bausteines zu implementieren und in das Baukastensystem einzubringen. Die Ergebnisse der Berechnungen für ein einzelnes Element (Output) fließen zugleich als Input in das nachfol-gende Element ein: Genau wie im realen Materialflusssystem durch Aneinanderreihung einzelner fördertechni-scher Elemente der Materialfluss realisiert wird, kommt es im Baukasten durch Verknüpfung der Bausteine zur Übertragung der relevanten Informationen, mit denen der Fluss beschrieben werden kann. Durch die Weitergabe der Ergebnisse kann trotz Modularisierung in einzelne Bausteine das Verhalten eines gesamten Materialflusssys-tems bestimmt werden. Daher sind auch hier einheitliche Festlegungen zu Art und Umfang der Übergabeparame-ter zwischen den Bausteinen erforderlich. Unter einem Baustein soll ein Modell einer Materialflusskomponente verstanden werden, welches das Verhalten dieser Komponente beim Vorliegen bestimmter Belastungen beschreibt. Dieses Verhalten ist insbesondere gekennzeichnet durch Warteschlangen und Wartezeiten, die vor der Komponente entstehen, durch Auslastung (Besetztanteil) der Komponente selbst und durch die Verteilung des zeitlichen Abstand (Variabilität) des die Komponente verlassenden Stroms an Transporteinheiten. Maßgeblich bestimmt wird dieses Verhalten durch Intensität und Variabilität des ankommenden Stroms an Transporteinheiten, durch die Arbeitsweise (z.B. stetig / unstetig, stochastisch / deterministisch) und zeitliche Inanspruchnahme der Komponente sowie durch Steuerungsregeln, mit denen die Reihenfolge (Priorisierung / Vorfahrt) und/oder Dauer der Abarbeitung (z.B. Regalbediengerät mit Strategie „Minimierung des Leerfahrtan-teils“) verändert werden. Im Grunde genommen beinhaltet ein Baustein damit ein mathematisches Modell, das einen oder mehrere an-kommende Ströme von Transporteinheiten in einen oder mehrere abgehende Ströme transformiert (Abb. 2). Derartige Modelle gibt es beispielsweise in Form von Bedienmodellen ([Gnedenko1984], [Fischer1990 u.a.]), zeitdiskreten Modellen ([Arnold2005], [Furmans1992]), künstlichen neuronalen Netzen ([Schulze2000], [Markwardt2003]), Polynomen ([Schulze1998]). Die zu Grunde liegenden Verfahren (analytisch, simulativ, numerisch) unterscheiden sich zwar erheblich, genü-gen aber prinzipiell den genannten Anforderungen. Die Fixierung auf ein mathematisches Modell ist aber nicht hinreichend, vielmehr bedarf es für einen Baustein auch definierter Schnittstellen, mit denen der Informationsaustausch erfolgen kann (Abb. 3). Dazu zählen neben der einheitlichen Bereitstellung von Informationen über die ankommenden und abgehenden Materialströme auch die Berücksichtigung einer individuellen Parametrierung der Bausteine sowie die Möglichkeit zur Interaktion mit dem Bediener (Anordnung, Parametrierung und Visualisierung). Das offene Konzept erlaubt das eigenständige Entwickeln und Aufnehmen neuer Bausteine in den Baukasten. Dazu ergibt sich als weitere Anforderung die einfache Konfigurierbarkeit eines Bausteins hinsichtlich Identifika-tion, Aussehen und Leistungsbeschreibung. An einen Baustein innerhalb des Baukastensystems werden weiter-hin die folgenden Anforderungen gestellt: Jeder Baustein ist eine in sich abgeschlossene Einheit und kann nur über die Ein- und Ausgänge mit seiner Umgebung kommunizieren. Damit ist ausgeschlossen, dass ein Baustein den Zustand eines ande-ren Bausteins beeinflussen kann. Das führt zu den beiden Lokalitätsbedingungen: Es gibt keine �����bergeordnete Steuerung, die in Abhängigkeit vom aktuellen Systemzustand dispositive Entscheidungen (z.B. zur Routenplanung) trifft. Blockierungen in Folge von Warteschlangen haben keine Auswirkungen auf die Funktion an-derer Bausteine. Bausteine beinhalten in sich abgeschlossene Verfahren zur Dimensionierung einer Komponente (Klas-se) des Materialflusssystems (z.B. Einschleusung auf einen Sorter, Drehtisch als Verzweigungselement oder als Eckumsetzer). Dabei werden auf Grund von technischen Parametern, Steuerungsstrategien und Belastungsannahmen (Durchsatz, Zeitverteilungen) Ergebnisse ermittelt. Ergebnisse im Sinne dieses Bausteinkonzepts sind Auslastungen, Warteschlangen bzw. Wartezeiten vor dem Baustein sowie Flussgrößen zur Beschreibung des Abgangstroms. Als Beschreibung eignen sich sowohl einzelne Kennwerte (Mittelwert, Varianz, Quantile) als auch statische Verteilungsfunktionen. Die Lokalitätsbedingungen stellen Einschränkungen in der Anwendbarkeit des Baukastensystems dar: Systeme mit übergeordneten Steuerungsebenen wie Routenplanung oder Leerfahrzeugsteuerung, die Entscheidungen auf Grund der vorhandenen Transportaufträge und des aktuellen Systemzustands treffen (Fahrerlose Transportsys-teme, Elektrohängebahn), können mit dem Baukasten nicht bearbeitet werden. Diese auf Unstetigförderern basierenden Systeme unterscheiden sich aber auch in ihren Einsatzmerkmalen grundlegend von den hier betrach-teten Stetigförderersystemen. Das Problem der Blockierungen vorgelagerter Bereiche durch zu große Warteschlangen kann dagegen bereits mit dem Baukasten betrachtet und zumindest visualisiert werden. Dazu ist den Verbindungen zwischen den Bausteinen eine Kapazität zugeordnet, so dass durch Vergleich mit den berechneten Warteschlangenlängen eine generelle Einschätzung zur Blockierungsgefahr möglich wird: Ist die Streckenkapazität kleiner als die mittlere Warteschlange, muss von einer permanenten Blockierung ausgegangen werden. In diesem Fall kann der vorhergehende Baustein seine gerade in Bearbeitung befindli-che Transporteinheit nach dem Ende der „Bedienung“ nicht sofort abgeben und behindert damit auch seine weiteren ankommenden Transporteinheiten. Für die Transporteinheiten bedeutet das eine Verlustzeit, die auch nicht wieder aufgeholt werden kann, für das gesamte Transportsystem ist von einer Leistungsminde-rung (geringerer Durchsatz, größere Transport- / Durchlaufzeit) auszugehen. Da bei der Berechnung der Bausteine von einer Blockierfreiheit ausgegangen wird, sind die Berechnungser-gebnisse in aller Regel falsch. Ist die Streckenkapazität zwar größer als die mittlere Warteschlange, aber kleiner als beispielsweise das 90%-Quantil der Warteschlange, ist mit teilweisen Blockierungen (in dem Fall mit mehr als 10% Wahr-scheinlichkeit) zu rechnen. Dann tritt der o.g. Effekt nur zeitweise auf. Die Ergebnisse der Berechungen sind dann zumindest für einzelne Bausteine ungenau. In beiden Fällen wird das Problem erkannt und dem Anwender signalisiert. Es wird davon ausgegangen, dass die geplante Funktionalität und Leistungsfähigkeit des Materialflusssystems nur dann gewährleistet ist, wenn keine Blockierungen auftreten. Durch Änderung der Parameter des kritischen Bausteins, aber auch durch Änderung der Materialströme muss daher eine Anpassung vorgenommen werden. Erst bei Vorliegen der Blockierfreiheit ist die Voraussetzung der Lokalität der Berechnungen erfüllt. Die Berechnungsverfahren in den Bausteinen selbst können wegen der Modularisierung (Lokalität) sehr unter-schiedlicher Art sein. Dabei ist es prinzipiell möglich, die einzelnen Ergebnisse eines Bausteins mit verschiede-nen Verfahren zu ermitteln, insbesondere dann, wenn auf Grund eines eingeschränkten Definitionsbereichs der Eingangsparameter die Anwendung eines bestimmten Verfahrens nicht zulässig ist. Bausteine, die einen Materialfluss auf Grund äußerer, nicht aus dem Verhalten des Bausteins resultierende Einflüsse generieren (Quelle) oder verändern (Service-Station), sind durch eine Flussgröße  parametriert. Die Flussgröße ist eine statistische Verteilungsfunktion zur Beschreibung der Ankunfts- und Abgangsströme (Zwi-schenankunftszeiten). In der Praxis, insbesondere in der Planungsphase, ist aber eine solche Verteilungsfunktion meist nicht bekannt. Zudem erweist sich das Rechnen mit Verteilungsfunktionen als numerisch aufwändig. Untersuchungen in [Markwardt2003] haben gezeigt, dass eine Parametrisierung als Abstraktion über statistische Verteilungsfunktionen mit gleichen Erwartungswerten, Minima und Streuungen ausreichend genaue Ergebnisse liefert. Daher wird die Flussgröße beschrieben durch die Parameter Ankunftsrate (=Durchsatz), Mindestzeitabstand tmind und Variationskoeffizient c (als Maß für die Variabilität des Stroms). Zur Visualisierung der Ergebnisse kann die dreiparametrige Gammaverteilung zu Grunde gelegt werden, die eine gute Anpassung an reale Prozessverläufe bietet und durch die genannten Parameter eindeutig beschrieben ist: Weitere leistungsbestimmende Größen wie technische Parameter, Zeitbedarfe u.ä. werden als Parametertupel (k) der jeweiligen Klasse zugeordnet. So ist z.B. bei einer Einschleusung auf einen Sorter zu garantieren, dass der Strom auf der Hauptstrecke nicht angehalten wird. Das erfordert bei einer Einschleusung von der Nebenstrecke eine Lücke im Gutstrom auf der Hauptstrecke mit der Länge Mindestabstand und Fördergeschwindigkeit sind Parameter der ankommenden Förderstrecken, demnach ist lediglich die Größe ttr als Transferzeit ein leistungsbestimmender Parameter der Einschleusung. Förderstrecken stellen die Verbindungen zwischen den Bausteinen her und realisieren den eigentlichen Material-fluss durch das System. Die technische Realisierung kann dabei prinzipiell durch verschiedenartige Bauformen von Stetig- und Unstetigförderern erfolgen. Systeme, die aber vollständig auf der Basis von Unstetigförderern arbeiten wie fahrerlose Transportsysteme (FTS) oder Elektrohängebahn (EHB), werden im Rahmen des Baukas-tens nicht betrachtet, weil die Lokalitätsbedingungen nicht gelten und beispielsweise eine übergeordnete Sys-temsteuerung (Fahrzeugdisposition, Leerfahrtoptimierung) einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems hat. Förderstrecken im hier verwendeten Sinne sind Rollen-, Ketten-, Bandförderer oder ähnliches, deren maximaler Durchsatz im Wesentlichen durch zwei Parameter bestimmt wird: Fördergeschwindigkeit (vF) und Mindestab-stand zwischen den Transporteinheiten (smind). Der Mindestabstand ergibt sich aus der Länge der Transportein-heit in Transportrichtung (sx) und einem Sicherheitsabstand (s0), der für ein sicheres und gefahrloses Transportie-ren erforderlich ist. Die Mindestzeit tmind,S zwischen zwei Fördereinheiten auf einer Förderstrecke bestimmt sich demnach zu Ist das verbindende Förderelement nicht staufähig (nicht akkumulierend, z.B. Gurtbandförderer), so kann sich der Abstand zwischen den Fördergütern während des Förder- oder Transportvorgangs nicht verändern: Muss das Band angehalten werden, weil eine Abgabe an das nachfolgende Förderelement nicht möglich ist, bleiben alle Einheiten stehen. In diesem Fall ist es also nicht möglich, die Lücken im Transportstrom zu schließen, die bereits bei der Aufgabe auf das Förderelement entstehen. Für die Berechnung der Mindestzeit tmind,S bedeutet das, dass dann auch die Mindestzeit tmind,B des vorhergehenden Bausteins berücksichtigt werden muss. Die Mindestzeit des Streckenelements nach (6) bzw. (7) wird als einer der Parameter der Flussgröße zur Be-schreibung des am nachfolgenden Baustein ankommenden Stroms verwendet. Als Parameter der Förderstrecke werden neben der Fördergeschwindigkeit daher auch Angaben zum Transportgut (Abmessungen, Sicherheitsab-stand, Transportrichtung) benötigt. Es bot sich ferner an, eine Typisierung der Förderstrecken hinsichtlich ihrer technischen Realisierung (Rollenförderer, Kettenförderer, Bandförderer usw. mit zugeordneten Parametern) vorzunehmen, um den Aufwand für die Beschreibung der Förderstrecken gering zu halten. Weitere Parameter der Förderstrecken dienen der Aufnahme der Berechnungsergebnisse von vor- bzw. nachge-lagerten Bausteinen und beinhalten: die Länge der Warteschlange (einzelne Kenngrößen wie Mittelwert, 90%-, 95% bzw. 99%-Quantil oder - falls ermittelbar - als statistische Verteilung) die Wartezeit (ebenfalls Kenngrößen oder statistische Verteilung) die (Strecken-)Auslastung Variationskoeffizient für den Güterstrom Für die Darstellung des Materialflusses in einem System werden jeweils einzelne Materialfluss-Relationen betrachtet. Dabei wird angenommen, dass jede Relation an einer Quelle beginnt, an einer Senke endet, dabei mehrere Materialfluss-Komponenten (Bausteine) durchläuft und über den gesamten Verlauf in seiner Größe (Transportmenge) konstant bleibt. Einziger leistungsbestimmender Parameter einer Materialfluss-Relation ist die Transportmenge. Sie wird als zeitabhängige Größe angegeben und entspricht damit dem Durchsatz. Mindestabstand und Variationskoeffizient werden vom erzeugenden Baustein (Quelle) bestimmt, von den weiteren durchlaufenen Bausteinen verändert und über die Förderstrecken jeweils an den nachfolgenden Baustein übertragen. Die verbindenden Förderstrecken werden mit dem jeweiligen Durchsatz „belastet“. Bei Verbindungen, die von mehreren Relationen benutzt werden, summieren sich die Durchsätze, so dass sich unterschiedliche Strecken- und Bausteinbelastungen ergeben. Im Kontext des Baukastensystems werden Metadaten1 verwendet, um die in einem Baustein enthaltenen Infor-mationen über Anwendung, Verfahren und Restriktionen transparent zu machen. Ziel des Baukastensystems ist es je gerade, einfache und leicht handhabbare Berechnungsmodule für einen breiteren Anwenderkreis zur Verfü-gung zu stellen. Dazu sind Beschreibungen erforderlich, mit denen das Leistungsspektrum, mögliche Ergebnisse und Anwendungs- bzw. Einsatzkriterien dokumentiert werden. Aufgabe der Baustein-Bibliothek ist die Sammlung, Verwaltung und Bereitstellung von Informationen über die vorhandenen Bausteine. Damit soll dem Nutzer die Möglichkeit gegeben werden, für seine konkret benötigte Materialflusskomponente einen geeigneten Baustein zur Abbildung zu finden. Mit der Entwicklung weiterer Bausteine für ähnliche Funktionen, aber unterschiedliche Realisierungen (z. B. Regalbediengerät: einfach- oder doppeltiefe Lagerung, mit oder ohne Schnellläuferzone usw.) wächst die Notwendigkeit, die Einsatz- und Leis-tungsmerkmale des Bausteins in geeigneter Weise zu präsentieren. Die Baustein-Bibliothek enthält demnach eine formalisierte Beschreibung der vorhandenen und verfügbaren Bausteine. Die Informationen sind im Wesentlichen unter dem Aspekt einer einheitlichen Identifikation, Infor-mation, Visualisierung und Implementierung der unterschiedlichen Bausteine zusammengestellt worden. Einige der in der Baustein-Bibliothek enthaltenen Metadaten lassen sich durchaus mehreren Rubriken zuordnen. Identifikation und Information Ein Baustein wird durch eine eindeutige Ident-Nummer fixiert. Daneben geben Informationen zum Autor (Ent-wicklung und/oder Implementierung des Verfahrens) und eine Funktionsbeschreibung eine verbale Auskunft über den Baustein. Zusätzlich ist jeder Baustein einem bestimmten Typ zugeordnet entsprechend der Baustein-Klassifizierung (Bearbeiten, Verzweigen, Zusammenführen usw.), über den die Baustein-Auswahl eingegrenzt werden kann. Visualisierung Die Parameter für die Visualisierung beschreiben die Darstellung des Bausteins innerhalb des Baukastensystems (Form, Farbe, Lage der Ein- und Ausgänge des Bausteins, Icons). Implementierung Der Klassenname verweist auf die Implementierung des Bausteins. Zusätzlich benötigte Programm-Ressourcen (externe Bibliotheken wie *.dll , *.tcl o.ä.) können angegeben werden. Weiterhin sind Bezeichnungen und Erläuterungen der erforderlichen technischen Parameter für den Eingabedialog enthalten. Für die Förderstrecken wird ebenfalls eine formalisierte Beschreibung verwendet. Sie verweist jedoch nicht wie die Baustein-Bibliothek auf Software-Ressourcen, sondern enthält nur eine Reihe technischer Parameter, die für das Übertragungsverhalten der Förderstrecke eine Rolle spielen (Fördergeschwindigkeit, Arbeitsweise akkumu-lierend, Ausrichtung des Transportguts). Die Einträge lassen sich als Musterdatensätze (Template) für die Bau-stein-Verbindungen auffassen, um bestimmte, häufig vorkommende fördertechnische Lösungen diesen Verbin-dungen in einfacher Weise zuordnen zu können. Die Angaben sind aber im konkreten Anwendungsfall änderbar. Angaben zum Transportgut beschränken sich auf die Abmessungen der Transporteinheiten (Länge, Breite) und den erforderlichen Sicherheitsabstand (s0). Als Grundform wird von einer Standard-Euro-Palette (1200x800 mm) ausgegangen, es lassen sich aber auch Güter mit anderen Maßen hinzufügen. Die Angaben zum Transportgut werden in Verbindung mit den Parametern der Förderstrecken (Ausrichtung des Gutes längs oder quer) ausgewertet, so dass sich die jeweiligen Mindestabstände (Gleichung 6 bzw. 7) sowie der maximale Durchsatz Qmax als Grundlage für die Berechnung der Streckenauslastung bestimmen lassen. Das Gesamtkonzept des Baukastensystems ist in Abbildung 4 dargestellt. Es besteht im Wesentlichen aus drei Bereichen: Bausteinerstellung Bausteinverwaltung (Bibliotheken) Baukasten (Benutzeroberfläche) Dabei ist der Bereich der Bausteinerstellung nicht unmittelbarer Bestandteil der realisierten Lösung. Sie ist vielmehr die Quelle für die Bausteine, die über die jeweiligen Metadaten in einer Baustein-Bibliothek verwaltet und bereitgestellt werden. Die Verwaltung von Bausteinen und Förderstrecken ist die Umsetzung der Baustein-Bibliothek und (im erwei-terten Sinne) der Definitionen für die Förderstrecken. Der Modellbaukasten selbst stellt die Grafische Nutzeroberfläche dar (Abb. 11) und enthält den interaktiven, grafischen Modelleditor, die Auswahlelemente (Werkzeugkoffer bzw. -filter) für Bausteine und Förderstrecken, tabellarische Übersichten für alle Bausteine, Förderstrecken und Materialflussrelationen sowie Eingabedialoge für Bausteine, Förderstrecken und Materialflussrelationen. Die Entwicklung eines Modells mit dem Baukastensystem erfolgt prinzipiell in drei Schritten: Schritt eins umfasst die Anordnung und Definition der Bausteine. Der Modellbaukasten bietet die Möglich-keit, einen bestimmten Baustein direkt (z.B. Ausschleusung) oder unter Nutzung eines Bausteinfilters (z.B. alle Verzweigungselemente) auszuwählen und im grafischen Editor mittels Mausklick zu platzieren . An-schließend erfolgt im Dialog die notwendige Parametrierung des Bausteins. Dies beinhaltet sowohl die An-gaben zur Visualisierung (Drehung, Spiegelung) als auch die für die Dimensionierung erforderlichen techni-schen Parameter. Die für jeden Baustein benötigten Leistungsanforderungen (Durchsatz, lokale Transport-matrix) werden allerdings nicht direkt angegeben, sondern aus den Beziehungen zu den vor- und nachgela-gerten Bausteinen automatisch ermittelt (Übertragungsfunktion der Förderstrecken). Danach erfolgt in einem zweiten Schritt die Definition von Verbindung zwischen den Bausteinen (Förder-strecken): Das Erzeugen der Bausteinverbindungen ist ebenfalls ganz einfach zu realisieren. Nach Auswahl der zu Grunde liegenden Fördertechnik (z.B. Rollenförderer) wird durch Ziehen des Mauszeigers von einem nicht belegten Ausgang zu einem nicht belegten Eingang eines Bausteins die entsprechende Förderstrecke erzeugt. In einem abschließenden Dialog können die gewählten Voreinstellungen zum Transportgut, zum Förderertyp usw. bestätigt oder gegebenenfalls korrigiert werden. Außerdem kann die Kapazität der Förder-strecke definiert werden. Dabei geht es weniger um die Länge des Förderers als viel mehr um die Anzahl der vorgesehenen Puffer- oder Stauplätze im Zusammenhang mit den zu berechnenden Warteschlangenlän-gen. Abschließend wird im dritten Schritt der Materialfluss definiert: Ein Materialstrom ist jeweils eine Relation, die an einer Quelle beginnt, an einer Senke endet und dabei mehrere Bausteine durchläuft. Da die Förder-strecken zu diesem Zeitpunkt bereits definiert sein müssen, kann automatisch ein möglicher Weg zwischen Quelle und Senke gefunden werden. Ähnlich wie bei Routenplanungssystemen kann dabei durch zusätzliche Angabe von Zwischenpunkten (via) der automatisch vorgeschlagene Transportweg verändert und angepasst werden (Abb. 5). Nach Bestätigung des Transportweges und damit der unterwegs zu passierenden Bausteine erfolgt in einem Dialog die Parametrierung (Transportmenge pro Stunde) für diese Relation. Die Elemente des Transportweges (die benutzten Förderstrecken) werden mit dem entsprechenden Durchsatz „belastet“. Nach Abschluss der Modellierung kann die Berechnung ausgeführt werden. Im Ergebnis werden Kennzahlen bestimmt und im Baukasten in verschiedener Form visualisiert, um eine Bewertung der Ergebnisse vornehmen zu können. Eine Übersicht Fehlermeldungen listet die Problemelemente auf. Dabei wird die Schwere eines Problems farb-lich hervorgehoben: fataler Fehler (rot): entsteht z.B. bei Überlastung eines Bausteins – die geforderte Leistung für einen Bau-stein (und damit die des Gesamtsystems) kann nicht erbracht werden. lokaler Fehler (orange): entsteht z.B. bei permanenter Blockierung – die mittlere Warteschlange vor einem Baustein ist größer als dessen vorgesehene Kapazität. Warnung (hellgelb): bei teilweiser Blockierung – das 90%-Quantil der Warteschlange ist größer als die Ka-pazität der Förderstrecke, es ist daher zeitweise mit Blockierungen (und damit Behinderungen des vorherge-henden Bausteins) zu rechnen. Information (weiß): wird immer dann erzeugt, wenn Erwartungswerte für die Wartezeit oder Warteschlange mit einem G/G/1-Bedienmodell berechnet werden. Die Lösungen dieser Näherungsgleichungen sind im All-gemeinen nicht sehr genau, dienen aber als Abschätzung für die sonst fehlenden Kennwerte. Entsprechend der berechneten Auslastung werden die Bausteine im Modelleditor mit einer Farbabstufung von Grün nach Rot markiert, Bausteine und Förderstrecken leuchten rot bei Überlastung. Die dargestellten Ergebnisse im Modelleditor zu Bausteinen und Förderstrecken sind umschaltbar durch den Nutzer (Abb. 6). Je nach den in den Bausteinen hinterlegten Berechnungen sind jedoch nicht immer alle Kenn-größen verfügbar. Die Implementierung des Baukastensystems wurde mit Java (Release 1.5) vorgenommen. Für das Kernsystem wird dabei das in Abbildung 7 dargestellte Klassen-Konzept umgesetzt. Ausgehend von einer allgemeinen Klasse (Object3D) für Visualisierung von und Interaktionen mit grafischen Objekten wurden für Bausteine (AbstractNode) und Förderstrecken (Connection) die jeweiligen Klassen abgelei-tet. Für die Förderstecken ergibt sich dabei eine weitgehend einheitliche Beschreibungsform, die lediglich durch die Parametrierung (Vorlagen in der Förderstrecken-Bibliothek als XML-Datei) auf den konkreten Einsatz im Modell des Materialflusssystems angepasst werden muss. Anders verhält es sich mit den Bausteinen: Durch die mögliche Vielfalt von Bausteinen und den ihnen zu Grunde liegenden Berechnungsverfahren muss es auch eine Vielzahl von Klassen geben. Um jedoch für jeden belie-bigen Baustein den Zugriff (Bereitstellung von Eingangsdaten, Berechnung und Bereitstellung der Ergebnisse) in einer identischen Weise zu gewährleisten, muss es dafür eine nach außen einheitliche Schnittstelle geben. Die Java zu Grunde liegende objektorientierte Programmierung bietet mit dem Konzept der „abstrakten Klasse“ eine Möglichkeit, dies in einfacher Weise zu realisieren. Dazu wird mit AbstractNode quasi eine Vorlage entwi-ckelt, von der alle implementierten Baustein-Klassen abgeleitet sind. AbstractNode selbst enthält alle Methoden, mit denen Baustein-Daten übernommen oder übergeben, die jeweiligen Visualisierungen vorgenommen, die baustein-internen Verbindungen (lokale Transportmatrix) verwaltet und Ein- und Ausgänge mit den zugehörigen Förderstrecken verbunden werden. Die für den Aufruf der eigentlichen Berechnungen in den Bausteinen ver-wendeten Methoden sind deklariert, aber nicht implementiert (sogenannte abstrakte Methoden). Ein Baustein wird von AbstractNode abgeleitet und erbt damit die implementierten Methoden, lediglich die abstrakten Methoden, die die Spezifik des Bausteins ausmachen, sind noch zu implementieren. Um neue Bausteine zu erzeugen, wird Unterstützung in Form eines Bildschirmdialogs angeboten (Abb. 8). Danach sind die entsprechenden Angaben zu den Metadaten, zur Struktur und zur Visualisierung des Bausteins, die Eingangsparameter (Name und Erläuterung) sowie die berechenbaren Ergebnisse (z.B. Auslastung, Quantile der Warteschlangenlänge, aber keine Aussage zu Wartezeiten usw.) anzugeben. Nach Bestätigung der Daten und diversen Syntax- bzw. Semantik-Kontrollen wird der Baustein in der Bibliothek registriert, ein Sourcecode für den neuen Baustein generiert und kompiliert. Der Baustein selbst ist damit formal korrekt und kann sofort verwendet werden, liefert aber noch keine verwertbaren Ergebnisse, weil natürlich die Implementierung des Berechnungsverfahrens selbst noch aussteht. Das muss in einem zweiten Schritt im Rah-men der üblichen Software-Entwicklung nachgeholt werden. Dazu sind die Berechnungsverfahren zu implemen-tieren und die Bausteinschnittstellen zu bedienen. Der generierte Java-Code enthält in den Kommentaren eine Reihe von Hinweisen für den Programmierer, so dass sich problemlos die Schnittstellen des Bausteins program-mieren lassen (Abb. 9). In einem Beispiel werden ein Hochregallager (3 Regalbediengeräte) und zwei Kommissionierplätze durch ein Transportsystem verbunden. Mit der Einlastung von Kommissionieraufträgen werden im Simulationsmodell die entsprechenden Transportaufträge generiert und abgearbeitet (Abb. 10). Dabei können Systemzustände (z.B. Warteschlangen) protokolliert und statistisch ausgewertet werden. Ein entsprechendes Modell für den Baukasten ist in Abbildung 11 dargestellt. Der Vorteil des Baukastensystems liegt selbst bei diesem recht einfachen Beispiel im Zeitvorteil: Für Erstellung und Test des Simulationsmodells und anschließende Simulationsläufe und Auswertungen wird ein Zeitaufwand von ca. 4-5 Stunden benötigt, das Baukastenmodell braucht für Erstellung und korrekte Parametrierung weniger als 0,5 Stunden, die Rechenzeit selbst ist vernachlässigbar gering. Sollte im Ergebnis der Untersuchungen eine Änderung des Materialflusssystems notwendig werden, so führt das im Simulationsmodell teilweise zu erheblichen Änderungen (Abläufe, Steuerungsstrategien, Auswertungen) mit entsprechendem Zeitaufwand. Im Baukasten können dagegen in einfacher Weise zusätzliche Bausteine eingefügt oder vorhandene ersetzt werden durch Bausteine mit geänderter Funktion oder Steuerung. Strukturelle Änderungen am Materialflusssys-tem sind also mit deutlich geringerem Aufwand realisierbar. In [Markwardt2003] werden für mehrere Strukturen von Materialflusskomponenten Fehlerbetrachtungen über die Genauigkeit der mittels neuronaler Netze untersuchten Systeme gegenüber den Simulationsergebnissen vorge-nommen. Danach ergibt sich beispielsweise für das 90%-Quantil der Warteschlange eine Abweichung, die mit 90% Sicherheit kleiner als 0,3 Warteplätze ist. Bei den Variationskoeffizienten des Abgangsstroms betragen die absoluten Abweichungen mit 90% Sicherheit nicht mehr als 0,02 bis 0,05 (in Abhängigkeit vom betrachteten Baustein). Daraus wird die Schlussfolgerung abgeleitet, dass die durch Verknüpfung neuronaler Netze gewonne-nen Aussagen sehr gut mit statistischen Ergebnissen diskreter Simulation übereinstimmen und eine Planungssi-cherheit ermöglichen, die für einen Grobentwurf von Materialflusssystemen weit über die heute gebräuchlichen statischen Berechnungsverfahren hinausgehen. Im konkreten Beispiel wurde die Zahl der Pufferplätze vor den Kommissionierern (Work1 bzw. Work2) zu-nächst auf 3 begrenzt. Die Berechnung im Baukasten ergab dabei in beiden Fällen Fehlermeldungen mit dem Hinweis auf Blockierungen (Abb. 12, links). Diese bestätigten sich auch im Simulationsmodell (Abb. 12, rechts). Nach Vergr��ßerung der Pufferstrecken auf 7 Plätze ist die Blockierungsgefahr auf ein vertretbares Minimum reduziert, und die mit dem Baukasten berechneten Kenngrößen können durch die Simulation prinzipiell bestätigt werden. it dem offenen Baukastensystem ist eine schnelle, einfache, sichere und damit wirtschaftlichere Dimensionie-rung von Materialflusssystemen möglich. Für den Anwender sind sofort statistisch abgesicherte und ausreichend genaue Ergebnisse ohne aufwändige Berechnungen verfügbar, womit sich die Planungsqualität erhöht. Besonde-re Anforderungen an Hard- und Software sind dabei nicht erforderlich. Für die Dimensionierung der einzelnen Bausteine stehen Informationen aus der Bedienungstheorie, Simulati-onswissen und numerische Verfahren direkt und anwendungsbereit zur Verfügung. Es erlaubt eine deutlich vereinfachte Berechnung von statistischen Kenngrößen wie Quantile (statistische Obergrenzen) der Pufferbelegung, Auslastung von Einzelelementen und mittlere Auftragsdurchlaufzeit bei gleichzeitig erhöhter Genauigkeit. Ferner ist das Baukastensystem offen für eine Erweiterung um neue Bausteine, die neue oder spezielle fördertechnische Elemente abbilden oder zusätzliche Informationen liefern können. Da auch komplexe Materialflusssysteme immer wieder aus einer begrenzten Anzahl unterschiedlicher Kompo-nenten bestehen, können durch die Verknüpfung der Einzelbausteine auch Gesamtsysteme abgebildet werden. Die Verknüpfung der Bausteine über eine einheitliche Schnittstelle erlaubt Aussagen über das Verhalten der Gesamtanlage. Bei Einsatz des Baukastensystems sind in einer solchen Verknüpfung jederzeit Parameterände-rungen möglich, deren Folgen sofort sichtbar werden. Die Zeit bis zum Vorliegen gesicherter, ausreichend genauer Ergebnisse wird dadurch drastisch verkürzt. Damit erwächst Variantenuntersuchungen bereits in frühen Planungsphasen neues Potential und kann zum entscheidenden Wettbewerbsvorteil werden.

Investigating the consistency between proxy-based reconstructions and climate models using data assimilation: a mid-Holocene case study

The mid-Holocene (6 kyr BP; thousand years before present) is a key period to study the consistency between model results and proxy-based reconstruction data as it corresponds to a standard test for models and a reasonable number of proxy-based records is available. Taking advantage of this relatively large amount of information, we have compared a compilation of 50 air and sea surface temperature reconstructions with the results of three simulations performed with general circulation models and one carried out with LOVECLIM, a model of intermediate complexity. The conclusions derived from this analysis confirm that models and data agree on the large-scale spatial pattern but the models underestimate the magnitude of some observed changes and that large discrepancies are observed at the local scale. To further investigate the origin of those inconsistencies, we have constrained LOVECLIM to follow the signal recorded by the proxies selected in the compilation using a data-assimilation method based on a particle filter. In one simulation, all the 50 proxy-based records are used while in the other two only the continental or oceanic proxy-based records constrain the model results. As expected, data assimilation leads to improving the consistency between model results and the reconstructions. In particular, this is achieved in a robust way in all the experiments through a strengthening of the westerlies at midlatitude that warms up northern Europe. Furthermore, the comparison of the LOVECLIM simulations with and without data assimilation has also objectively identified 16 proxy-based paleoclimate records whose reconstructed signal is either incompatible with the signal recorded by some other proxy-based records or with model physics.

Focal white matter changes in spasmodic dysphonia: a combined diffusion tensor imaging and neuropathological study.

Spasmodic dysphonia is a neurological disorder characterized by involuntary spasms in the laryngeal muscles during speech production. Although the clinical symptoms are well characterized, the pathophysiology of this voice disorder is unknown. We describe here, for the first time to our knowledge, disorder-specific brain abnormalities in these patients as determined by a combined approach of diffusion tensor imaging (DTI) and postmortem histopathology. We used DTI to identify brain changes and to target those brain regions for neuropathological examination. DTI showed right-sided decrease of fractional anisotropy in the genu of the internal capsule and bilateral increase of overall water diffusivity in the white matter along the corticobulbar/corticospinal tract in 20 spasmodic dysphonia patients compared to 20 healthy subjects. In addition, water diffusivity was bilaterally increased in the lentiform nucleus, ventral thalamus and cerebellar white and grey matter in the patients. These brain changes were substantiated with focal histopathological abnormalities presented as a loss of axonal density and myelin content in the right genu of the internal capsule and clusters of mineral depositions, containing calcium, phosphorus and iron, in the parenchyma and vessel walls of the posterior limb of the internal capsule, putamen, globus pallidus and cerebellum in the postmortem brain tissue from one patient compared to three controls. The specificity of these brain abnormalities is confirmed by their localization, limited only to the corticobulbar/corticospinal tract and its main input/output structures. We also found positive correlation between the diffusivity changes and clinical symptoms of spasmodic dysphonia (r = 0.509, P = 0.037). These brain abnormalities may alter the central control of voluntary voice production and, therefore, may underlie the pathophysiology of this disorder.

THE INTERACTION BETWEEN INTERNAL AND EXTERNAL INFORMATION ON RELATIONAL DATA SEARCH

People often use tools to search for information. In order to improve the quality of an information search, it is important to understand how internal information, which is stored in user’s mind, and external information, represented by the interface of tools interact with each other. How information is distributed between internal and external representations significantly affects information search performance. However, few studies have examined the relationship between types of interface and types of search task in the context of information search. For a distributed information search task, how data are distributed, represented, and formatted significantly affects the user search performance in terms of response time and accuracy. Guided by UFuRT (User, Function, Representation, Task), a human-centered process, I propose a search model, task taxonomy. The model defines its relationship with other existing information models. The taxonomy clarifies the legitimate operations for each type of search task of relation data. Based on the model and taxonomy, I have also developed prototypes of interface for the search tasks of relational data. These prototypes were used for experiments. The experiments described in this study are of a within-subject design with a sample of 24 participants recruited from the graduate schools located in the Texas Medical Center. Participants performed one-dimensional nominal search tasks over nominal, ordinal, and ratio displays, and searched one-dimensional nominal, ordinal, interval, and ratio tasks over table and graph displays. Participants also performed the same task and display combination for twodimensional searches. Distributed cognition theory has been adopted as a theoretical framework for analyzing and predicting the search performance of relational data. It has been shown that the representation dimensions and data scales, as well as the search task types, are main factors in determining search efficiency and effectiveness. In particular, the more external representations used, the better search task performance, and the results suggest the ideal search performance occurs when the question type and corresponding data scale representation match. The implications of the study lie in contributing to the effective design of search interface for relational data, especially laboratory results, which are often used in healthcare activities.

Adolescent Sexual Behavior: Examining Data from Texas and the US

Background: The US has higher rates of teen births and sexually transmitted infections (STI) than other developed countries. Texas youth are disproportionately impacted. Purpose: To review local, state, and national data on teens’ engagement in sexual risk behaviors to inform policy and practice related to teen sexual health. Methods: 2009 middle school and high school Youth Risk Behavior Survey (YRBS) data, and data from All About Youth, a middle school study conducted in a large urban school district in Texas, were analyzed to assess the prevalence of sexual initiation, including the initiation of non-coital sex, and the prevalence of sexual risk behaviors among Texas and US youth. Results: A substantial proportion of middle and high school students are having sex. Sexual initiation begins as early as 6th grade and increases steadily through 12th grade with almost two-thirds of high school seniors being sexually experienced. Many teens are not protecting themselves from unintended pregnancy or STIs – nationally, 80% and 39% of high school students did not use birth control pills or a condom respectively the last time they had sex. Many middle and high school students are engaging in oral and anal sex, two behaviors which increase the risk of contracting an STI and HIV. In Texas, an estimated 689,512 out of 1,327,815 public high school students are sexually experienced – over half (52%) of the total high school population. Texas students surpass their US peers in several sexual risk behaviors including number of lifetime sexual partners, being currently sexually active, and not using effective methods of birth control or dual protection when having sex. They are also less likely to receive HIV/AIDS education in school. Conclusion: Changes in policy and practice, including implementation of evidence-based sex education programs in middle and high schools and increased access to integrated, teen-friendly sexual and reproductive health services, are urgently needed at the state and national levels to address these issues effectively.