Optical Characterization of Organic Gain Materials for UV-emitting Hybrid Complex Coupled VCSELs

In this thesis, optical gain measurement setup based on variable stripe length method is designed, implemented and improved. The setup is characterized using inorganic and organic samples. The optical gain of spiro-quaterphenyl is calculated and compared with measurements from the setup. Films with various thicknesses of spiro-quaterphenyl, methoxy-spiro-quaterphenyl and phenoxy-spiro-quaterphenyl are deposited by a vacuum vapor deposition technique forming asymmetric slab waveguides. The optical properties, laser emission threshold, optical gain and loss coefficient for these films are measured. Additionally, the photodegradation during pumping process is investigated.

Numerical Feasibility Study for Treated Wastewater Recharge as a Tool to Impede Saltwater Intrusion in the Coastal Aquifer of Gaza – Palestine

The ongoing depletion of the coastal aquifer in the Gaza strip due to groundwater overexploitation has led to the process of seawater intrusion, which is continually becoming a serious problem in Gaza, as the seawater has further invaded into many sections along the coastal shoreline. As a first step to get a hold on the problem, the artificial neural network (ANN)-model has been applied as a new approach and an attractive tool to study and predict groundwater levels without applying physically based hydrologic parameters, and also for the purpose to improve the understanding of complex groundwater systems and which is able to show the effects of hydrologic, meteorological and anthropogenic impacts on the groundwater conditions. Prediction of the future behaviour of the seawater intrusion process in the Gaza aquifer is thus of crucial importance to safeguard the already scarce groundwater resources in the region. In this study the coupled three-dimensional groundwater flow and density-dependent solute transport model SEAWAT, as implemented in Visual MODFLOW, is applied to the Gaza coastal aquifer system to simulate the location and the dynamics of the saltwater–freshwater interface in the aquifer in the time period 2000-2010. A very good agreement between simulated and observed TDS salinities with a correlation coefficient of 0.902 and 0.883 for both steady-state and transient calibration is obtained. After successful calibration of the solute transport model, simulation of future management scenarios for the Gaza aquifer have been carried out, in order to get a more comprehensive view of the effects of the artificial recharge planned in the Gaza strip for some time on forestall, or even to remedy, the presently existing adverse aquifer conditions, namely, low groundwater heads and high salinity by the end of the target simulation period, year 2040. To that avail, numerous management scenarios schemes are examined to maintain the ground water system and to control the salinity distributions within the target period 2011-2040. In the first, pessimistic scenario, it is assumed that pumping from the aquifer continues to increase in the near future to meet the rising water demand, and that there is not further recharge to the aquifer than what is provided by natural precipitation. The second, optimistic scenario assumes that treated surficial wastewater can be used as a source of additional artificial recharge to the aquifer which, in principle, should not only lead to an increased sustainable yield of the latter, but could, in the best of all cases, revert even some of the adverse present-day conditions in the aquifer, i.e., seawater intrusion. This scenario has been done with three different cases which differ by the locations and the extensions of the injection-fields for the treated wastewater. The results obtained with the first (do-nothing) scenario indicate that there will be ongoing negative impacts on the aquifer, such as a higher propensity for strong seawater intrusion into the Gaza aquifer. This scenario illustrates that, compared with 2010 situation of the baseline model, at the end of simulation period, year 2040, the amount of saltwater intrusion into the coastal aquifer will be increased by about 35 %, whereas the salinity will be increased by 34 %. In contrast, all three cases of the second (artificial recharge) scenario group can partly revert the present seawater intrusion. From the water budget point of view, compared with the first (do nothing) scenario, for year 2040, the water added to the aquifer by artificial recharge will reduces the amount of water entering the aquifer by seawater intrusion by 81, 77and 72 %, for the three recharge cases, respectively. Meanwhile, the salinity in the Gaza aquifer will be decreased by 15, 32 and 26% for the three cases, respectively.

Optimization-Based Robotic Manipulation for Safe Interaction with Human Operators

This thesis investigates a method for human-robot interaction (HRI) in order to uphold productivity of industrial robots like minimization of the shortest operation time, while ensuring human safety like collision avoidance. For solving such problems an online motion planning approach for robotic manipulators with HRI has been proposed. The approach is based on model predictive control (MPC) with embedded mixed integer programming. The planning strategies of the robotic manipulators mainly considered in the thesis are directly performed in the workspace for easy obstacle representation. The non-convex optimization problem is approximated by a mixed-integer program (MIP). It is further effectively reformulated such that the number of binary variables and the number of feasible integer solutions are drastically decreased. Safety-relevant regions, which are potentially occupied by the human operators, can be generated online by a proposed method based on hidden Markov models. In contrast to previous approaches, which derive predictions based on probability density functions in the form of single points, such as most likely or expected human positions, the proposed method computes safety-relevant subsets of the workspace as a region which is possibly occupied by the human at future instances of time. The method is further enhanced by combining reachability analysis to increase the prediction accuracy. These safety-relevant regions can subsequently serve as safety constraints when the motion is planned by optimization. This way one arrives at motion plans that are safe, i.e. plans that avoid collision with a probability not less than a predefined threshold. The developed methods have been successfully applied to a developed demonstrator, where an industrial robot works in the same space as a human operator. The task of the industrial robot is to drive its end-effector according to a nominal sequence of grippingmotion-releasing operations while no collision with a human arm occurs.

Anpassung und Entwicklung von Planungswerkzeugen für den sommerlichen Mindestwärmeschutz und zur Komfortbewertung des Sommerfalls

Im Rahmen der Dissertation erfolgt die rechnerische Bewertung des sommerlichen Wärmeverhaltens von Räumen ausgehend von den Festlegungen der DIN 4108-2:2003-07 zum sommerlichen Mindestwärmeschutz. Hierbei wird die Anwendung des sogenannten Sonneneintragskennwert-Verfahrens in einer weit angelegten Parameterstudie fallweise der Auswertung von korrespondierenden Simulationsrechnungen gegenübergestellt. Verbunden mit dem Ziel, die Anforderungen an den sommerlichen Mindestwärmeschutz für eine Neufassung der DIN 4108-2 zu überarbeiten und an aktuelle klimatische Verhältnisse anzupassen, gehen die Ergebnisse dieser Gegenüberstellung zum einen in die Entwicklung einer modifizierten Fassung des Sonneneintragskennwert-Verfahrens und zum anderen in die Formulierung einheitlicher Berechnungsrandbedingungen für den Fall der Nachweisführung durch Simulationsrechnungen ein. Aufbauend auf diesen Arbeiten zur Neuformulierung der Mindestanforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz in DIN 4108-2, die im Rahmen des „Zukunft Bau“ Forschungsvorhabens „Ermittlung aktueller Randbedingungen für den sommerlichen Wärmeschutz und weiterer Gebäudeeigenschaften im Lichte des Klimawandels. Teil 2: Entwicklung eines Gesamtkonzepts für ein künftiges technisches Regelwerk zum Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes.“ erfolgt sind, werden weitergehende Untersuchungen angestellt, die sich im Wesentlichen mit dem sommerlichen Wärmeverhalten von Gebäuden im Kontext des weiter voranschreitenden Klimawandels beschäftigen. Die Untersuchungen hierzu sind eingebunden in das „Zukunft Bau“ Forschungsvorhaben „Thermisches und energetisches Verhalten von Gebäuden im Lichte des Klimawandels. Anforderungen und Lösungen für den Sonnenschutz.“ Im Rahmen der Bearbeitung dieses Forschungsvorhabens erfolgen neben der Bewertung des thermischen Verhaltens unter sich weiter verschärfenden klimatischen Randbedingungen Komfortbewertungen des Sommerfalls auf Basis der DIN EN 15251. Hierbei werden die durch DIN 4108-2:2013-02 formulierten Mindestanforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz den Anforderungen zur Einhaltung der durch DIN EN 15251 definierten Komfortklassen gegenübergestellt und bewertet. Die Ergebnisse der Bearbeitung der genannten Forschungsvorhaben dienen schließlich als Grundlage für die Entwicklung eines erweiterten Kennwertverfahrens zur Komfort-bewertung des Sommerfalls auf Basis der DIN EN 15251.

Ermüdungsschädigung in gealterten Gasturbinenschaufeln

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die bauteil- und alterungsabhängige Rissausbreitung in Gasturbinenschaufeln der polykristallinen Gusslegierung Inconel 738LC sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 700°C analysiert. Für die Untersuchungen stand eine Sammlung von geometrisch gleichen Gasturbinenschaufeln mit unterschiedlich langen Einsatzzeiten in Kraftwerken zur Verfügung. Durch eine Gefüge- und Rissanalyse an den vorliegenden Turbinenschaufeln wird gezeigt, dass die Rissausbreitung unter thermischer und mechanischer Belastung in einem grobkörnigen Gussgefüge nur eingeschränkt mit der linear-elastischen Bruchmechanik beschrieben werden kann. Das Risswachstum ist vielmehr in hohem Maße von der lokalen Mikrostruktur, dem Grad der Werkstoffalterung und den lokalen Gegebenheiten an der Rissspitze abhängig. Dies hat zur Folge, dass sich Werkstoffkennwerte, die an konventionellen, feinkörnigen Laborproben ermittelt wurden, nicht auf den vorliegenden Schaufelwerkstoff übertragen lassen. Zunächst wird eine Versuchsmethodik entwickelt, die bruchmechanische Untersuchungen mit direkt aus Turbinenschaufeln entnommenen, miniaturisierten Werkstoffproben gestattet. Durch diese Vorgehensweise können die tatsächlichen Auswirkungen der betriebsbedingten Werkstoffalterung und der charakteristischen Mikrostruktur auf das Risswachstum analysiert werden. Die Risswachstumsversuche liefern alterungs- und temperaturabhängige Risswachstumsdaten und ermöglichen außerdem die Identifikation der relevanten Schädigungsmechanismen durch postexperimentelle Korrelationsbetrachtungen zwischen den Risswachstumskurven und den zugehörigen Risspfaden. Dabei liegt der Fokus sowohl auf lokalen als auch auf globalen werkstofflichen Veränderungen durch den Langzeitbetrieb und den daraus resultierenden alterungsabhängigen Wechselwirkungen von Rissausbreitungsgeschwindigkeit und Mikrostruktur. Zusätzlich zu den Untersuchungen an Laborrissen werden im Anlagenbetrieb entstandene Risse mit hochauflösender Rasterelektronenmikroskopie analysiert. In diesem Zusammenhang wird ein bisher in der Literatur unbekannter Schädigungsmechanismus beschrieben, der auf der Rekristallisation in der plastischen Zone vor der Rissspitze beruht und besonders für Turbinenschaufeln mit Wärmedämmschichten von Bedeutung ist. Der Schädigungsprozess sowie die relevanten Einflussparameter werden auf Basis mehrerer Hochtemperaturversuche identifiziert und der Einfluss auf das Risswachstum ermittelt.

Sensordatenfusionsansätze in der Thermografie zur Verbesserung der Messergebnisse

Thermografie hat sich als wichtiges Hilfsmittel für die Inspektion, Prüfung und Überwachung etabliert. Bei vielen Anwendungen ist eine einzelne Messung allein oft nicht aussagekräftig, z. B. weil Strukturen nicht deutlich genug wahrgenommen werden können, das Messobjekt größer als das Blickfeld der Optik ist oder sich Kenngrößen erst aus dem zeitlichen Verlauf von Messungen ergeben. Zudem erfasst der Bediener der Kamera mit seinen Sinnen und seiner Erfahrung noch viele weitere Einflussgrößen, die bei der Entscheidungsfindung berücksichtigt werden. Eine Automatisierung von Inspektionsaufgaben in unbekannten Umgebungen ist also sehr komplex. In dieser Arbeit werden daher verschiedene Sensordatenfusionsansätze untersucht, die in der Thermografie eingesetzt werden können. Das Ziel bei der Fusion ist dabei die Verbesserung der Qualität der Messung und die Vergrößerung der verfügbaren Menge an nutzbaren Informationen über ein Messobjekt. Die betrachteten Ansätze können entweder nur mit Messungen der Thermografiekamera durchgeführt werden: zur Rauschunterdrückung durch zeitliche Mittelwertbildung, zur Vergrößerung der Schärfentiefe durch Kombination von Aufnahmen mit unterschiedlichem Fokus, zur Vergrößerung der Dynamik (also des Temperaturmessbereichs) durch Kombination von Messungen mit unterschiedlichen Messbereichen und durch Veränderung von Filtereinstellungen zur Unterdrückung von Störungen und zum Ableiten von geometrischen Informationen und Oberflächeneigenschaften. Weiterhin kann durch Veränderung der Kameraausrichtung das Blickfeld vergrößert und die geometrische Auflösung verbessert werden. Die Datenfusion von Thermogrammen kann aber auch mit Daten von anderen bildgebenden Messgeräten durchgeführt werden. Betrachtet wird die Kombination mit normalen Kameras im sichtbaren Spektralbereich, Thermografiekameras in anderen Wellenlängenbereichen und Tiefenkameras/Entfernungsmessgeräten (3D-Scanner, Laserscanner). Dadurch lassen sich für einen Messpunkt mehr Informationen gewinnen und die Messdaten können geometrisch als 3D-Modelle interpretiert und analysiert werden. Die Vielzahl an Informationen soll eine solide Dokumentation und gute (automatische) Analyse ermöglichen. Neben den Grundlagen zur Thermografie, dem punktweisen Zusammenführen von Messdaten und den oben genannten Sensordatenfusionsansätzen, wird ein Anwendungsbeispiel gezeigt. Darin soll die Machbarkeit der automatisierten Inspektionsdurchführung und die Kombination und praktische Anwendung der verschiedenen Sensordatenfusionsansätze gezeigt werden.

Adaptive Real-time Anomaly-based Intrusion Detection using Data Mining and Machine Learning Techniques

Die zunehmende Vernetzung der Informations- und Kommunikationssysteme führt zu einer weiteren Erhöhung der Komplexität und damit auch zu einer weiteren Zunahme von Sicherheitslücken. Klassische Schutzmechanismen wie Firewall-Systeme und Anti-Malware-Lösungen bieten schon lange keinen Schutz mehr vor Eindringversuchen in IT-Infrastrukturen. Als ein sehr wirkungsvolles Instrument zum Schutz gegenüber Cyber-Attacken haben sich hierbei die Intrusion Detection Systeme (IDS) etabliert. Solche Systeme sammeln und analysieren Informationen von Netzwerkkomponenten und Rechnern, um ungewöhnliches Verhalten und Sicherheitsverletzungen automatisiert festzustellen. Während signatur-basierte Ansätze nur bereits bekannte Angriffsmuster detektieren können, sind anomalie-basierte IDS auch in der Lage, neue bisher unbekannte Angriffe (Zero-Day-Attacks) frühzeitig zu erkennen. Das Kernproblem von Intrusion Detection Systeme besteht jedoch in der optimalen Verarbeitung der gewaltigen Netzdaten und der Entwicklung eines in Echtzeit arbeitenden adaptiven Erkennungsmodells. Um diese Herausforderungen lösen zu können, stellt diese Dissertation ein Framework bereit, das aus zwei Hauptteilen besteht. Der erste Teil, OptiFilter genannt, verwendet ein dynamisches "Queuing Concept", um die zahlreich anfallenden Netzdaten weiter zu verarbeiten, baut fortlaufend Netzverbindungen auf, und exportiert strukturierte Input-Daten für das IDS. Den zweiten Teil stellt ein adaptiver Klassifikator dar, der ein Klassifikator-Modell basierend auf "Enhanced Growing Hierarchical Self Organizing Map" (EGHSOM), ein Modell für Netzwerk Normalzustand (NNB) und ein "Update Model" umfasst. In dem OptiFilter werden Tcpdump und SNMP traps benutzt, um die Netzwerkpakete und Hostereignisse fortlaufend zu aggregieren. Diese aggregierten Netzwerkpackete und Hostereignisse werden weiter analysiert und in Verbindungsvektoren umgewandelt. Zur Verbesserung der Erkennungsrate des adaptiven Klassifikators wird das künstliche neuronale Netz GHSOM intensiv untersucht und wesentlich weiterentwickelt. In dieser Dissertation werden unterschiedliche Ansätze vorgeschlagen und diskutiert. So wird eine classification-confidence margin threshold definiert, um die unbekannten bösartigen Verbindungen aufzudecken, die Stabilität der Wachstumstopologie durch neuartige Ansätze für die Initialisierung der Gewichtvektoren und durch die Stärkung der Winner Neuronen erhöht, und ein selbst-adaptives Verfahren eingeführt, um das Modell ständig aktualisieren zu können. Darüber hinaus besteht die Hauptaufgabe des NNB-Modells in der weiteren Untersuchung der erkannten unbekannten Verbindungen von der EGHSOM und der Überprüfung, ob sie normal sind. Jedoch, ändern sich die Netzverkehrsdaten wegen des Concept drif Phänomens ständig, was in Echtzeit zur Erzeugung nicht stationärer Netzdaten führt. Dieses Phänomen wird von dem Update-Modell besser kontrolliert. Das EGHSOM-Modell kann die neuen Anomalien effektiv erkennen und das NNB-Model passt die Änderungen in Netzdaten optimal an. Bei den experimentellen Untersuchungen hat das Framework erfolgversprechende Ergebnisse gezeigt. Im ersten Experiment wurde das Framework in Offline-Betriebsmodus evaluiert. Der OptiFilter wurde mit offline-, synthetischen- und realistischen Daten ausgewertet. Der adaptive Klassifikator wurde mit dem 10-Fold Cross Validation Verfahren evaluiert, um dessen Genauigkeit abzuschätzen. Im zweiten Experiment wurde das Framework auf einer 1 bis 10 GB Netzwerkstrecke installiert und im Online-Betriebsmodus in Echtzeit ausgewertet. Der OptiFilter hat erfolgreich die gewaltige Menge von Netzdaten in die strukturierten Verbindungsvektoren umgewandelt und der adaptive Klassifikator hat sie präzise klassifiziert. Die Vergleichsstudie zwischen dem entwickelten Framework und anderen bekannten IDS-Ansätzen zeigt, dass der vorgeschlagene IDSFramework alle anderen Ansätze übertrifft. Dies lässt sich auf folgende Kernpunkte zurückführen: Bearbeitung der gesammelten Netzdaten, Erreichung der besten Performanz (wie die Gesamtgenauigkeit), Detektieren unbekannter Verbindungen und Entwicklung des in Echtzeit arbeitenden Erkennungsmodells von Eindringversuchen.

Knowledge Building in Landscape Architecture

The objective of this study was to develop an internet-based seminar framework applicable for landscape architecture education. This process was accompanied by various aims. The basic expectation was to keep the main characteristics of landscape architecture education also in the online format. On top of that, four further objectives were anticipated: (1) training of competences for virtual team work, (2) fostering intercultural competence, (3) creation of equal opportunities for education through internet-based open access and (4) synergy effects and learning processes across institutional boundaries. This work started with the hypothesis that these four expected advantages would compensate for additional organisational efforts caused by the online delivery of the seminars and thus lead to a sustainable integration of this new learning mode into landscape architecture curricula. This rationale was followed by a presentation of four areas of knowledge to which the seminar development was directly related (1) landscape architecture as a subject and its pedagogy, (2) general learning theories, (3) developments in the ICT sector and (4) wider societal driving forces such as global citizenship and the increase of open educational resources. The research design took the shape of a pedagogical action research cycle. This approach was constructive: The author herself is teaching international landscape architecture students so that the model could directly be applied in practice. Seven online seminars were implemented in the period from 2008 to 2013 and this experience represents the core of this study. The seminars were conducted with varying themes while its pedagogy, organisation and the technological tools remained widely identical. The research design is further based on three levels of observation: (1) the seminar design on the basis of theory and methods from the learning sciences, in particular educational constructivism, (2) the seminar evaluation and (3) the evaluation of the seminars’ long term impact. The seminar model itself basically consists of four elements: (1) the taxonomy of learning objectives, (2) ICT tools and their application and pedagogy, (3) process models and (4) the case study framework. The seminar framework was followed by the presentation of the evaluation findings. The major findings of this study can be summed up as follows: Implementing online seminars across educational and national boundaries was possible both in term of organisation and technology. In particular, a high level of cultural diversity among the seminar participants has definitively been achieved. However, there were also obvious obstacles. These were primarily competing study commitments and incompatible schedules among the students attending from different academic programmes, partly even in different time zones. Both factors had negative impact on the individual and working group performances. With respect to the technical framework it can be concluded that the majority of the participants were able to use the tools either directly without any problem or after overcoming some smaller problems. Also the seminar wiki was intensively used for completing the seminar assignments. However, too less truly collaborative text production was observed which could be improved by changing the requirements for the collaborative task. Two different process models have been applied for guiding the collaboration of the small groups and both were in general successful. However, it needs to be said that even if the students were able to follow the collaborative task and to co-construct and compare case studies, most of them were not able to synthesize the knowledge they had compiled. This means that the area of consideration often remained on the level of the case and further reflections, generalisations and critique were largely missing. This shows that the seminar model needs to find better ways for triggering knowledge building and critical reflection. It was also suggested to have a more differentiated group building strategy in future seminars. A comparison of pre- and post seminar concept maps showed that an increase of factual and conceptual knowledge on the individual level was widely recognizable. Also the evaluation of the case studies (the major seminar output) revealed that the students have undergone developments of both the factual and the conceptual knowledge domain. Also their self-assessment with respect to individual learning development showed that the highest consensus was achieved in the field of subject-specific knowledge. The participants were much more doubtful with regard to the progress of generic competences such as analysis, communication and organisation. However, 50% of the participants confirmed that they perceived individual development on all competence areas the survey had asked for. Have the additional four targets been met? Concerning the competences for working in a virtual team it can be concluded that the vast majority was able to use the internet-based tools and to work with them in a target-oriented way. However, there were obvious differences regarding the intensity and activity of participation, both because of external and personal factors. A very positive aspect is the achievement of a high cultural diversity supporting the participants’ intercultural competence. Learning from group members was obviously a success factor for the working groups. Regarding the possibilities for better accessibility of educational opportunities it became clear that a significant number of participants were not able to go abroad during their studies because of financial or personal reasons. They confirmed that the online seminar was to some extent a compensation for not having been abroad for studying. Inter-institutional learning and synergy was achieved in so far that many teachers from different countries contributed with individual lectures. However, those teachers hardly ever followed more than one session. Therefore, the learning effect remained largely within the seminar learning group. Looking back at the research design it can be said that the pedagogical action research cycle was an appropriate and valuable approach allowing for strong interaction between theory and practice. However, some more external evaluation from peers in particular regarding the participants’ products would have been valuable.

Punching Shear Behavior of UHPC Flat Slabs

At the Institute of Structural Engineering of the Faculty of Civil Engineering, Kassel University, series tests of slab-column connection were carried out, subjected to concentrated punching load. The effects of steel fiber content, concrete compressive strength, tension reinforcement ratio, size effect, and yield stress of tension reinforcement were studied by testing a total of six UHPC slabs and one normal strength concrete slab. Based on experimental results; all the tested slabs failed in punching shear as a type of failure, except the UHPC slab without steel fiber which failed due to splitting of concrete cover. The post ultimate load-deformation behavior of UHPC slabs subjected to punching load shows harmonic behavior of three stages; first, drop of load-deflection curve after reaching maximum load, second, resistance of both steel fibers and tension reinforcement, and third, pure tension reinforcement resistance. The first shear crack of UHPC slabs starts to open at a load higher than that of normal strength concrete slabs. Typically, the diameter of the punching cone for UHPC slabs on the tension surface is larger than that of NSC slabs and the location of critical shear crack is far away from the face of the column. The angle of punching cone for NSC slabs is larger than that of UHPC slabs. For UHPC slabs, the critical perimeter is proposed and located at 2.5d from the face of the column. The final shape of the punching cone is completed after the tension reinforcement starts to yield and the column stub starts to penetrate through the slab. A numerical model using Finite Element Analysis (FEA) for UHPC slabs is presented. Also some variables effect on punching shear is demonstrated by a parametric study. A design equation for UHPC slabs under punching load is presented and shown to be applicable for a wide range of parametric variations; in the ranges between 40 mm to 300 mm in slab thickness, 0.1 % to 2.9 % in tension reinforcement ratio, 150 MPa to 250 MPa in compressive strength of concrete and 0.1 % to 2 % steel fiber content. The proposed design equation of UHPC slabs is modified to include HSC and NSC slabs without steel fiber, and it is checked with the test results from earlier researches.

Multi-Robot Task Allocation for Inspection Problems with Cooperative Tasks Using Hybrid Genetic Algorithms

In dieser Dissertation werden Methoden zur optimalen Aufgabenverteilung in Multirobotersystemen (engl. Multi-Robot Task Allocation – MRTA) zur Inspektion von Industrieanlagen untersucht. MRTA umfasst die Verteilung und Ablaufplanung von Aufgaben für eine Gruppe von Robotern unter Berücksichtigung von operativen Randbedingungen mit dem Ziel, die Gesamteinsatzkosten zu minimieren. Dank zunehmendem technischen Fortschritt und sinkenden Technologiekosten ist das Interesse an mobilen Robotern für den Industrieeinsatz in den letzten Jahren stark gestiegen. Viele Arbeiten konzentrieren sich auf Probleme der Mobilität wie Selbstlokalisierung und Kartierung, aber nur wenige Arbeiten untersuchen die optimale Aufgabenverteilung. Da sich mit einer guten Aufgabenverteilung eine effizientere Planung erreichen lässt (z. B. niedrigere Kosten, kürzere Ausführungszeit), ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von Lösungsmethoden für das aus Inspektionsaufgaben mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben folgende Such-/Optimierungsproblem. Ein neuartiger hybrider Genetischer Algorithmus wird vorgestellt, der einen teilbevölkerungbasierten Genetischen Algorithmus zur globalen Optimierung mit lokalen Suchheuristiken kombiniert. Zur Beschleunigung dieses Algorithmus werden auf die fittesten Individuen einer Generation lokale Suchoperatoren angewendet. Der vorgestellte Algorithmus verteilt die Aufgaben nicht nur einfach und legt den Ablauf fest, sondern er bildet auch temporäre Roboterverbünde für Zweiroboteraufgaben, wodurch räumliche und zeitliche Randbedingungen entstehen. Vier alternative Kodierungsstrategien werden für den vorgestellten Algorithmus entworfen: Teilaufgabenbasierte Kodierung: Hierdurch werden alle möglichen Lösungen abgedeckt, allerdings ist der Suchraum sehr groß. Aufgabenbasierte Kodierung: Zwei Möglichkeiten zur Zuweisung von Zweiroboteraufgaben wurden implementiert, um die Effizienz des Algorithmus zu steigern. Gruppierungsbasierte Kodierung: Zeitliche Randbedingungen zur Gruppierung von Aufgaben werden vorgestellt, um gute Lösungen innerhalb einer kleinen Anzahl von Generationen zu erhalten. Zwei Umsetzungsvarianten werden vorgestellt. Dekompositionsbasierte Kodierung: Drei geometrische Zerlegungen wurden entworfen, die Informationen über die räumliche Anordnung ausnutzen, um Probleme zu lösen, die Inspektionsgebiete mit rechteckigen Geometrien aufweisen. In Simulationsstudien wird die Leistungsfähigkeit der verschiedenen hybriden Genetischen Algorithmen untersucht. Dazu wurde die Inspektion von Tanklagern einer Erdölraffinerie mit einer Gruppe homogener Inspektionsroboter als Anwendungsfall gewählt. Die Simulationen zeigen, dass Kodierungsstrategien, die auf der geometrischen Zerlegung basieren, bei einer kleinen Anzahl an Generationen eine bessere Lösung finden können als die anderen untersuchten Strategien. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben, die entweder von einem einzelnen mobilen Roboter erledigt werden können oder die Zusammenarbeit von zwei Robotern erfordern. Eine Erweiterung des entwickelten Algorithmus zur Behandlung von Aufgaben, die mehr als zwei Roboter erfordern, ist möglich, würde aber die Komplexität der Optimierungsaufgabe deutlich vergrößern.

Designing a Robust Pitch Angle Controller for a 2‐Motor‐Pitch‐System in a Large Wind Turbine

Für große Windenergieanlagen werden neue Pitchregler wie Einzelblattregler oder Turmdämpfungsregler entwickelt. Während diese neuen Pitchregler die Elemente der Windenergieanlagen entlasten, wird das Pitchantriebssystem stärker belastet. Die Pitchantriebe müssen weitaus häufiger bei höherer Amplitude arbeiten. Um die neuen Pitchregler nutzen zu können, muss zunächst das Problem der Materialermüdung der Pitchantriebssysteme gelöst werden. Das Getriebespiel in Getrieben und zwischen Ritzeln und dem Zahnkranz erhöht die Materialermüdung in den Pitchantriebssystemen. In dieser Studie werden als Lösung zwei Pitchantriebe pro Blatt vorgeschlagen. Die beiden Pitchantriebe erzeugen eine Spannung auf dem Pitchantriebssystem und kompensieren das Getriebespiel. Drehmomentspitzen, die eine Materialermüdung verursachen, treten bei diesem System mit zwei Pitchmotoren nicht mehr auf. Ein Reglerausgang wird via Drehmomentverteiler auf die beiden Pitchantriebe übertragen. Es werden mehrere Methoden verglichen und der leistungsfähigste Drehmomentverteiler ausgewählt. Während die Pitchantriebe in Bewegung sind, ändert sich die Spannung auf den Getrieben. Die neuen Pitchregler verstellen den Pitchwinkel in einer sinusförmigen Welle. Der Profilgenerator, der derzeit als Pitchwinkelregler verwendet wird, kann eine Phasenverzögerung im sinusförmigen Pitchwinkel verursachen. Zusätzlich erzeugen große Windenergieanlagen eine hohe Last, die sich störend auf die Pitchbewegung auswirkt. Änderungen der viskosen Reibung und Nichtlinearität der Gleitreibung bzw. Coulombsche Reibung des Pitchregelsystems erschweren zudem die Entwicklung eines Pitchwinkelreglers. Es werden zwei robuste Regler (H∞ und μ–synthesis ) vorgestellt und mit zwei herkömmlichen Reglern (PD und Kaskadenregler) verglichen. Zur Erprobung des Pitchantriebssystems und des Pitchwinkelreglers wird eine Prüfanordnung verwendet. Da der Kranz nicht mit einem Positionssensor ausgestattet ist, wird ein Überwachungselement entwickelt, das die Kranzposition meldet. Neben den beiden Pitchantrieben sind zwei Lastmotoren mit dem Kranz verbunden. Über die beiden Lastmotoren wird das Drehmoment um die Pitchachse einer Windenergieanlage simuliert. Das Drehmoment um die Pitchachse setzt sich zusammen aus Schwerkraft, aerodynamischer Kraft, zentrifugaler Belastung, Reibung aufgrund des Kippmoments und der Beschleunigung bzw. Verzögerung des Rotorblatts. Das Blatt wird als Zweimassenschwinger modelliert. Große Windenergieanlagen und neue Pitchregler für die Anlagen erfordern ein neues Pitchantriebssystem. Als Hardware-Lösung bieten sich zwei Pitchantriebe an mit einem robusten Regler als Software.

Effect of Auger recombination and leakage on the droop in InGaN/GaN quantum well LEDs

We investigate the effect of the epitaxial structure and the acceptor doping profile on the efficiency droop in InGaN/GaN LEDs by the physics based simulation of experimental internal quantum efficiency (IQE) characteristics. The device geometry is an integral part of our simulation approach. We demonstrate that even for single quantum well LEDs the droop depends critically on the acceptor doping profile. The Auger recombination was found to increase stronger than with the third power of the carrier density and has been found to dominate the droop in the roll over zone of the IQE. The fitted Auger coefficients are in the range of the values predicted by atomistic simulations.

Untersuchung von mittel- und langfristigen Auswirkungen verschiedener Energie-Einsparstrategien von Wohnungsunternehmen auf die Wohnkosten

Die langfristig sichere und bezahlbare Versorgung von Mietern mit Wohnraum ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Entscheidung von Wohnungsunternehmen, welche Objekte in welchem Umfang und wann energiesparend modernisiert werden. Eine integrierte Analyse der Wohnkostenbelastung (= Quotient aus Bruttowarmmiete und Haushaltsnettoeinkommen) im Zeitverlauf wurde bislang für die GdW-Wohnungsunternehmen noch nicht vorgenommen. Diese Arbeit schafft ein Modell für die Darstellung der zeitlichen Entwicklung der Wohnkostenbelastung. Ziel ist es, die Auswirkungen von Investitionsentscheidungen für energetische Modernisierungen besser zu verstehen. Als Eingangsdaten wurden soweit wie möglich empirische Daten für alle Bestandteile der Wohnkosten sowie für die entsprechenden Preissteigerungsraten und Einkommensentwicklungen zusammengestellt, die nun auch für die weitere Forschung zur Verfügung stehen. Es werden in der Arbeit 18 Gebäudetypen definiert, die sich nach Stand der energetischen Modernisierung und nach Energieträger unterscheiden und die 97% der durch GdW-Unternehmen bewirtschafteten Wohnungen abbilden. Für diese Typen wird die Entwicklung der Wohnkostenbelastung in verschiedenen Szenarien diskutiert. Besonders ausführlich werden Entwicklungen der Wohnkostenbelastung bei überdurchschnittlicher Anfangswohnkostenbelastung analysiert.