2 - Theses

A report from the World Economic Forum (2019) stated loneliness as the third societal stressor in the world, mainly in western countries. Moreover, research shows that loneliness tends to be experienced more severely by young adults than other age groups (Rokach, 2000), which is the case of university students who face profound periods of loneliness when attending university in a new place (Diehl et al., 2018). Digital technology, especially mental health apps (MHapps), have been viewed as promising solutions to address this distress in universities, however, little evidence on this topic reveals uncertainty around how these resources impact individual well-being. Therefore, this research proposed to investigate how the gamified social mobile app Noneliness reduced loneliness rates and other associated mental health issues of students from a German university. As little work has focused on digital apps targeting loneliness, this project also proposed to describe and discuss the app’s design and development processes. A multimethod approach was adopted: literature review on high-efficacy MHapps design, gamification for mental health and loneliness interventions; User Experience Design and Human-centered Computing. Evaluations occurred according to the app’s development iterations, which assessed four versions (from prototype to Beta) through quantitative and qualitative studies with university students. The main results obtained regarding the design aspects were: users' preference for minimalistic interfaces; importance in maintaining privacy and establishing trust among users; students' willingness to use an online support space for emotional and educational support. Most used features were those related to group discussions, private chats and university social events. Preferred gamification elements were those that provided positive reinforcement to motivate social interactions (e.g. Points, Levels and Achievements). Results of a pilot randomized controlled trial with university students (N = 12), showed no statistically significant interactions in reducing loneliness among experimental group members (n = 7, x² = 3.500, p-value = 0.477, Cramer’s V = 0.27) who made continued use of the app for six weeks. On the other hand, the app showed effects of moderate magnitude on loneliness reduction in this group. The app also demonstrated relatively strong magnitude effects on other associated variables, such as depression and stress in the experimental group. In addition to motivating the conduct of further studies with larger samples, the findings point to a potential app effectiveness not only to reduce loneliness, but also other variables that may be associated with the distress.

Rapidly changing custom demands and increasing global competition require manufacturing companies to produce various products in a more adaptive and efficient manner by using more intelligent machinery. However, the maintenance of such advanced machinery is one of the major costs for manufacturing companies especially for asset-heavy industries. The inefficiency of traditional maintenance strategies leads to the desire for data-driven methods for predictive maintenance. As a classic unsupervised learning method, cluster analysis is able to group a given data set into different meaningful subsets without prior knowledge. It is easily adapted to different systems. But most clustering methods are based on the assumption of either the statistical distribution or the structure of given data. This assumption limits the applicability of clustering-based methods to solve problems like the condition monitoring and the predictive maintenance of complex industrial systems, which mostly have non-convex data. The main goal of this work is to develop a more general representation and similarity measure for clustering-based anomaly detection methods, which should improve the accuracy of clustering-based anomaly detection methods and should be applicable on data sets with different structures (shapes): both convex and non-convex. To achieve this, a non-convex hull-based representation and the corresponding similarity measure were introduced in this work. This solution makes no assumption on either the structure or the distribution of given data and therefore can be combined with any kind of clustering method. Furthermore, it can better reflect the natural structure of given data and thus has high generality. In order to learn a non-convex hull-based representation of given clusters, two novel algorithms were developed to compute $n$-dimensional non-convex hulls of given data. Furthermore, a new algorithm to determine the position of a point to an $n$-dimensional non-convex hull was also proposed as similarity measure between a test point and the normal behavior represented by non-convex hulls. The theoretical results in non-convex hull-based representation and the corresponding similarity measure were validated with four real world data sets, as well as two sets of artificial data. The obtained results show that the non-convex hull-based solution can significantly improve the accuracy of the cluster-based anomaly detection on non-convex data sets. Furthermore, the performance of the non-convex hull-based solution on convex data sets is as similar as the state-of-the-art cluster-based anomaly detection methods. Therefore, the experimental results testify to the high generality and applicability of the proposed approach in practice.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, mit dessen Hilfe die Bodenparameter nach Bekker abgeschätzt werden können. Zu diesem Zweck werden verschiedene Eingangsdaten, die bei der Fahrt eines Fahrzeugs auf nachgiebigem Boden erfasst werden, geeignet verarbeitet und als Eingangsgröße für Neuronale Netze zur Verfügung gestellt. Das Neuronale Netz liefert nach entsprechendem Training die Bodenparameter nach Bekker. Es werden verschiedene fahrzeugspezifische Kenngrößen als Eingangsgrößen verwendet, um eine gute Vorhersagefähigkeit zu erreichen. Für das Training des Netzes dienen fünf Basisbodenarten, über die das Fahrzeug fährt. Neben den Bodenparametern werden dabei die Antriebsmomente sowie Beladungen des Fahrzeugs variiert, um dem Netz eine große Bandbreite verschiedener fahrzeugspezifischer Größen zur Verfügung zu stellen. Dies ist notwendig, um eine gute Generalisierungsfähigkeit des Netzes auch für unbekannte Böden und Fahrzustände zu gewährleisten. Die Gewinnung der Trainingsdaten sowie die Anwendung auf unbekannte Böden wird in dieser Arbeit dokumentiert. Die Robustheit des Neuronalen Netzes bei leichten Schwankungen der Bodenparameter wird ebenfalls untersucht. Das Vorgehen wird angewendet auf ein Vierachs-Halbfahrzeug und auf ein Zweiachs-Halbfahrzeug.

OCT is a recently introduced method for non-destructive, non-contact, and multidimensional visualization of structures and interfaces with many applications for the investigation of biomedical specimen. Applications outside the fields of medicine and biology, however, have been scarcely described. One such application of OCT is the real-time control of process parameters in high resolution laser micromachining. A precise positioning and alignment accuracy of the used system and real-time control of parameters such as ablation rate and position are required here. --- Within this work the integration of OCT with the ability of surface representation into an existing F2-laser processing system is described and potential applications for alignment purposes and non-destructive characterization of micro-structured surfaces are demonstrated. It is shown that reliable detection of the sample surface for alignment purposes and subsequent position control with the help of OCT are possible as well as the determination of the laser ablation rate. The generated OCT surface images are quantitatively comparable to those of known analysis tools such as scanning electron, reflected light and confocal microscopy. An axial resolution of ~126 nm for surface detection and a lateral resolution

The approximate solution of convection-dominated transport problems obtained by standard finite element methods is characterized by unphysical oscillations. In general, there are two strategies in order to reduce this undesirable deviation from the exact solution. The first one is the calculation of the numerical solution on a highly refined grid, the second one is the use of stabilization techniques. The drawback of a global refinement strategy is given by the increasing number of degrees of freedom. For that reason, it is common to use adaptive refinement strategies based on a-posteriori error estimates. The conventional error estimates for convection-diffusion-reaction equations often depend on undetermined constants or even the reciprocal of the small diffusion coefficient which leads to tremendous impracticality of these error bounds. However, stabilization techniques on their own are also not sufficient to completely reduce the oscillations. For that reason, we take advantage of the concept of adaptivity and of stabilization by combining a goal--oriented error representation with stabilization techniques of streamline upwind type (SUPG) and shock-capturing. We present an error representation that is based on the dual weighted residual method that transfers information how to weight the residual terms with the solution of an associated adjoint linear problem which is convection-dominated as well. The error is given in terms of a user chosen quantity of interest such that point values or other application-related target quantities. The performance of the error representation which is exact except for negligible remainder terms and the corresponding adaptive strategy is presented for stationary nonlinear transport problems and different quantities of interest. The introduced method can be extended to transient convection-diffusion-reaction problems provided that a variational formulation in space as well as in time is available. The numerical results for stationary and nonstationary test cases illustrate that the presented goal-oriented error representation is capable to control the adaptive refinement process in such a manner that unphysical effects are avoided or, at least, clearly reduced in comparison to standard methods. The effectivity index, a measure for the quality of error estimates, tends to an optimal value with regard to reliability and precision. For that reason, the mesh adaption is carried out in an excellent way such that boundary layers, interior layers or sharp moving fronts are detected and the quantitative error in terms of the target functional decreases.

Die Steigerung des Komforts für den Menschen in Büros und Schlaf- oder Wohnräumen durch Lärmreduktion wird schnell problematisch, wenn die Lösung nicht mehr nur lokal an einem Ort einem Menschen zur Verfügung gestellt werden soll, sondern sich global auf einen ganzen Raum auswirken soll. Aktive Lärmreduktion erzeugt lokale Zonen der Ruhe mit begrenzter Ausdehnung, weshalb zur Beruhigung ganzer Räume, diese Räume in Gänze mit Sensoren und Aktoren belegt sein müssten und so die Nutzbarkeit und den Komfort des Raumes für den Menschen erheblich beeinträchtigten. Ein Lösungsansatz dazu ist es, das aktive Gegenschallsystem in den Transmissionspfad zu verschieben, den der Störschall in den Raum nimmt, es dort vollständig zu integrieren und so den Störschall am Eintritt in den Raum zu hindern. Bisherige Systeme, die diesen Ansatz verfolgen, sind, bezogen auf ein gekipptes, oder geöffnetes Fenster, nicht in den Fensterrahmen integriert, sondern erfordern Aufbauten vor dem Fenster in Form von Mikrophonen und Schallkanälen, oder Aufbauten über die gesamte Fensterfläche. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte System integriert alle Sensoren und Aktoren vollständig in den Fensterrahmen. Dazu wird der FB-FxLMS-Algorithmus genutzt, der, anhand des Fehlersignals, das Stör- bzw. Referenzsignal schätzt und so die Installation von Referenzmikrophonen außerhalb des Gebäudes vor dem Fenster überflüssig macht. Die größte Schwachstelle dieses Algorithmus ist die Signallaufzeit zwischen der Sensierung am Fehlermikrophon und der Ausgabe des entsprechenden Gegensignals am Gegenschalllautsprecher. Um diese zu reduzieren werden verschiedene Maßnahmen angewandt. Durch optimierte, kolokale Positionierung der Komponenten und die Weiterentwicklung des vollständigen MIMO-Ansatzes zum Ansatz der vernetzten und überlappenden SISOSysteme, können der längste Signalpfad von über 1,63 m auf 0,22 m und die Anzahl der erforderlichen Rechenoperationen auf 9 ‰ reduziert werden. Zusätzlich wird die digitale Abarbeitung des Algorithmus durch parallele Verarbeitung auf mehreren Kernen der MCU so weit beschleunigt, dass analoge Tiefpassfilter nicht mehr notwendig sind. Mit diesem System werden in einem Raum mit 25,2 m3 Volumen bei breitbandiger Anregung mit weißem Rauschen 16 dB Reduktion des Schalldruckpegels erreicht. Zur kostengünstigen und energiesparenden Implementierung des Algorithmus wird dieser als Hardware-Schaltung auf einem FPGA umgesetzt. Dabei wird darauf geachtet, dass die Schaltung zur Optimierung hinsichtlich geringer Latenz, oder hinsichtlich geringem Platzbedarf frei skalierbar ist. So kann die Schaltung abhängig von der gegebenen Problemstellung für jede Ziel-Hardware konfiguriert werden. Durch die Umsetzung auf einem FPGA können auf dem verwendeten Testsystem Filterlängen von bis zu 131072 Filterkoeffizienten und Abtastraten von bis zu 3,8 GHz erzielt werden. Um sowohl die rechenoperations-optimierte Umsetzung des FB-FxLMS für mehrdimensionale Anwendungen auf einem MCU, als auch die latenz- und platz-optimierte Umsetzung für FPGA schnell und universell anwendbar zu machen, werden abschließend noch Vorschriften zur Abschätzung der erforderlichen MAC/s und daraus abgeleitet des erforderlichen MCU, bzw. zur Abschätzung der, je nach Einstellung, erreichbaren Abtastrate und daraus abgeleitet der erforderlichen Anzahl an CLB-, RAM- und DSP-Bausteinen vorgestellt.

Gegenstand dieser Arbeit sind Verfahren zur Verbesserung der Kanalschätzung in mobilen, breitbandigen Mehrantennenfunksystemen mit codierter MIMO-OFDM Mo- dulation. Um größtmögliche Bandbreiteeffzienz zu erzielen, wird zur Kanalschätzung ein entscheidungsbasierter Ansatz gewählt: Die Kanalkoeffizienten werden nicht aus verteilten Pilotsymbolen, sondern aus bereits detektierten Symbolen geschätzt. Ein Recursive Least Squares-Schätzer gewährleistet die Adaptivität an zeit-veränderliche Kanäle. Aufgrund seiner Struktur ist der vorgeschlagene Algorithmus auch für verzögerungskritische Anwendungen, in denen nur sehr kurze Codes verwendet werden können, geeignet. --- Wesentlich verbessert wird die entscheidungsbasierte Kanalschätzung zusätzlich durch Verwendung von decodierten und rekonstruierten Symbolen, die durch den Einsatz moderner Kanalcodierungsverfahren (LDPC-Codes) einen hohen Codewort-Abstand aufweisen. Diese Symbole können anhand der Paritätskontrollsumme des verwendeten Blockcodes überprüft werden und führen im Falle einer positiven Prüfung zu einer Kanalschätzqualität wie bei einer pilotbasierten Schätzung mit erweitertem Pilotsymbol-Einsatz. --- Um Veränderungen des Kanals, die durch Bewegung des Empfängers entstehen, zu begegnen, werden zum einen verschiedene Filter-Algorithmen entwickelt und verglichen. Zum anderen eröffnet eine rückwärts gerichtete Ausführung des vorher beschriebenen adaptiven Kanalschätzalgorithmus ein Verbesserungspotential: Simulationen zeigen, dass durch diesen Zugewinn an Information derartige Veränderungen beinahe vollständig kompensiert werden können und trotz starken Rauschens ein relativ niedriger Schätzfehler erreicht wird.

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird das Konzept des adaptiven Randsystems vorgestellt und dessen Funktionsfähigkeit an zwei Versuchsständen nachgewiesen. Das Konzept ermöglicht durch Erzeugung dynamischer Randbedingungen eine aktive Lagerung von Flugzeugpaneelen oder Nachbauten dieser im tiefen Frequenzbereich. Dadurch kann an Transmissionsprüfständen ein realistischeres Schwingungsverhalten verwirklicht werden. Die dynamischen Randbedingungen werden dabei durch Schwingungserreger zusammen mit Beschleunigungsaufnehmern, einem adaptiven Algorithmus sowie Signalverarbeitungseinheiten erzeugt. Diese Komponenten ersetzen die dynamischen Einflüsse der weggeschnittenen Teile einer mechanischen Struktur, bei einem Transmissionsprüfstand folglich die übrige Flugzeugstruktur. Die Funktionsfähigkeit des Konzeptes wird zunächst an einem Balkenversuchsstand getestet. Die Wahl eines Balkenversuchsstandes geschieht aus drei Gründen: Die Versteifungselemente eines Paneels können als Balken modelliert werden. Bei Untersuchungen an einem Balkenversuchsstand benötigt man lediglich eine relativ geringe Anzahl an Sensoren und Aktoren. Der letzte Grund ist, dass für den Balkenversuchsstand analytische Lösungen für das Schwingungsverhalten bestimmt werden können. Es treten während der experimentellen Untersuchungen des Konzeptes Abweichungen auf, deren Ursache analytisch begründet werden kann. Anschließend wird das Konzept an einem Plattenversuchsstand angewendet. Die verwendeten Platten verfügen über Versteifungselemente ähnlich denen im Flugzeugbau und sind so konzipiert, dass sie ein ähnliches Schwingungsverhalten wie eine Flugzeugstruktur aufweisen. Bei Anregungsfrequenzen von bis zu 300 Hz treten an dem Versuchsstand hauptsächlich globale Schwingformen auf. Es werden mit dem Konzept des adaptiven Randsystems in einer Substruktur sehr ähnliche Schwingformen (MAC-Werte > 85 %) wie in dem baugleichen Ausschnitt einer größeren Referenzstruktur erzeugt. Diese Werte werden bei gleicher Anregung beider Strukturen mit den ersten Eigenfrequenzen der Referenzstruktur erzielt. Die guten bis sehr guten Korrelationswerte der Schwingformen der Strukturen belegen, dass das vorgestellte Konzept des adaptiven Randsystems funktionsfähig ist. Im Rahmen der Dissertation wird eine Fehlerbetrachtung durchgeführt und mögliche Verbesserungen des Konzeptes aufgezeigt. Das Konzept des adaptiven Randsystems bietet neben dem Einsatz an Transmissionsprüfständen zudem das Potential bei „Real time hybrid substructuring“-Untersuchungen eingesetzt zu werden. Die „Real time hybrid substructuring“-Methode wird bisher fast ausschließlich im Bereich des Bauingenieurwesens und bei Frequenzen von bis zu 30 Hz eingesetzt. Durch das hier vorgestellte Konzept kann, im Gegensatz zu den bisher verwendeten Regelungen, eine Steuerung bei derlei Untersuchungen genutzt werden. Somit könnten die unweigerlich auftretenden Zeitverzögerungen signifikant reduziert werden und die Methode somit bei deutlich höheren Frequenzen zum Einsatz kommen.

Carbon monoxide, hydrogen sulphide, ammonia and cyclohexane as volatile organic compounds pose significant health hazards when inhaled with ambient air. Adsorption is a very effective method of removing these pollutants and is made possible e.g. by means of silica gel which can be adapted to the respective application by functionalisation. This paper describes how a possible adsorption success can be investigated with regard to kinetics, maximum loading and breakthrough behaviour. Therefore, the investigations concern not only single-component adsorption but also multi-component adsorption of the respective target substance in combination with a defined air humidity. By means of targeted functionalizations, major improvements in the separation of substances were achieved for all considered air pollutants. In addition to substantial improvements in the possible maximum load and the kinetics achieved, this also applies to the breakthrough behaviour of the adsorbents. For the example of carbon monoxide with a volume flow of 100 mL/min and an added gas concentration of 10,000 ppmv, a breakthrough concentration of 100 ppmv was reached after 450 s when using the functionalized adsorbent HSU 001 075.2, while the same value was reached after 130 s and thus after only a third of the time when using the unfunctionalized starting material HSU 001-075. Using the example of air loaded with 1 % ammonia water in a volume flow of 300 mL/min, the time until the breakthrough concentration of 290 ppmv was reached could even be delayed more than 30 times from 7 min to 226 min by the targeted combination of two adsorbents. In addition, it is shown that the resistance of the adsorbent to corrosive substances such as hydrogen sulphide can be increased by appropriate functionalisation. Thus, considerable improvements could be achieved in the field of adsorptive material separation, which represent a significant step forward for later application in industry and also for rescue services.

This dissertation explores innovative advancements within the high-power electromagnetics (HPEM) domain, focusing on the optimization of electromagnetic sources, the development of compact and mechanically efficient systems, the rapid prototyping of advanced sensing techniques, and the conceptualization of effective protection methodologies. It adeptly bridges mechanical engineering and electromagnetics, enhancing conventional approaches and addressing existing challenges in the HPEM field. Key research methods span both computational and experimental modalities. First, a detailed stochastic analysis is conducted to optimize the design of Virtual Cathode Oscillators (Vircator), a type of HPEM source, with findings indicating a 30% increase in peak power output, accompanied by a minor frequency shift. A novel portable, cost-effective, and easily maintained switched oscillator (SWO) system is devised for susceptibility and vulnerability testing, employing mechanical integration and experimental validation. Furthermore, the dissertation employs additive manufacturing techniques to create a compact Luneburg lens, facilitating the design and validation of a portable direction-of-arrival estimation system. This innovative solution is not only more affordable than traditional counterparts, but its manufacturing process is streamlined and efficient. The research concludes with the prototyping of radar absorbing materials for stealth applications, utilizing intelligent rapid prototyping methodologies. This approach allows for enhanced production efficiency, thereby contributing to the field of protection techniques in HPEM. The implications of this thesis span the broad field of HPEM, encompassing electromagnetic sources, sensing, and protection techniques. The findings illuminate potential pathways for improving HPEM applications, integrating mechanical engineering insights, and emphasizing the importance of rapid prototyping methodologies.

Panzerbrechende flügelstabilisierte Geschosse mit Treibspiegel, kurz auch APFSDS-Geschosse genannt, sind durch außergewöhnlich hohe Schlankheitsgrade und bodennahen Flug bei Über- und Hyperschallgeschwindigkeiten gekennzeichnet. Die vorliegende Studie strebt an, die Aerodynamik eines solchen Geschosses mit bisher unerreichter Genauigkeit zu charakterisieren, um präzise Trajektorienberechnungen zu ermöglichen und die Entwicklung zukünftiger Wuchtgeschosse zu unterstützen. Dabei zeichnet sich die Arbeit durch die Charakterisierung der Aerodynamik im nichtlinearen Bereich, die Berücksichtigung der laminar-turbulenten Grenzschichttransition, die Untersuchung aerothermischer Effekte und die Analyse des Einflusses des Treibspiegelgewindes ─ eines gewindeartigen Rauheitselements auf dem Schaft des Geschosses ─ aus. Aus Platzgründen ist die Integration von Messtechnik in Projektilmodelle mit solch hohem Schlankheitsgrad nur begrenzt möglich, was insbesondere Windkanalmessungen mit gängigen Windkanalwaagen erschwert. Nicht-intrusive Messtechniken sind daher vom Vorteil. Die vorliegende Untersuchung zeigt einen neuen Ansatz für die Freiflugmethode auf, bei der die Modelle ungehindert durch die Windkanalteststrecke fliegen. Diese Methode ermöglicht die Ermittlung der quasi-stationären Widerstands-, Auftriebs- und Nickmomentbeiwerte und bis zu einem gewissen Grad auch des dynamischen Nickdämpfungsbeiwerts. Eine Alternative zur Freiflugmethode ist die Freischwingungsmethode, bei der die Bewegung auf eine Rotation um den Schwerpunkt beschränkt wird. Die Freischwingungsmethode führt zu einer präziseren Analyse der statischen und dynamischen Nickmomente. Beide Methoden basieren auf der Analyse von Beschleunigungen, die aus einer Flugbahnverfolgung abgeleitet werden. Dieser beschleunigungsbasierte Ansatz macht es möglich, die stark nichtlinearen aerodynamischen Eigenschaften zu bestimmen. Der hohe Schlankheitsgrad des untersuchten Geschosses führt zu einem erheblichen Beitrag der viskosen Kräfte zum Gesamtwiderstand. Diese viskosen Kräfte sind empfindlich gegenüber dem laminar-turbulenten Grenzschichtzustand sowie den thermischen Randbedingungen. Der Einsatz eines hochauflösenden Schlierensystems ermöglicht die Analyse der laminar-turbulenten Transition, während die Verwendung von Nieder- und Hochenthalpie-Testanlagen die Untersuchung des aerothermischen Einflusses erlaubt. Um die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zu reproduzieren, werden stationäre RANS-Simulationen durchgeführt, die eine Modellierung der laminar-turbulenten Transition berücksichtigen. Die aerodynamischen Eigenschaften von Projektilmodellen mit und ohne gewindeartigem Rauheitselement auf dem Schaft werden mit Hilfe von Windkanalwaagenmessungen und Freischwingungsmessungen untersucht. Es wird ein signifikanter Einfluss des Treibspiegelgewindes auf die Axialkraft des Vorkörpers und auf die Nickeigenschaften festgestellt, während die Normalkraft weniger beeinflusst wird. Der Einfluss des Treibspiegelgewindes erweist sich als empfindlich gegenüber dem Anstellwinkel. Schlierenvisualisierungen geben Einblicke in die Strömungsphysik, die für die Veränderungen der aerodynamischen Koeffizienten verantwortlich ist, wobei die Schlierensysteme eine Analyse auf der Skala einzelner Gewindegänge zulassen.

Für die aerodynamische Auslegung von Blattprofilen für Windkraftanlagen erfolgt die Bestimmung wichtiger Kenngrößen wie Auftriebs- und Widerstandswert in der Regel mit vereinfachten und empirischen Methoden. Ein Ziel ist die Minimierung des Widerstands-beiwertes, um die Energieausbeute der Anlage zu erhöhen. Die Größe des Widerstands-beiwertes hängt wesentlich vom Zustand der Grenzschicht am Blattprofil ab. Die am Blattprofil vorhandene Grenzschicht kann in einer gewissen Profiltiefe in eine turbulente Grenzschicht umschlagen. Dieser als Transition bezeichnete Prozess kann nach unterschiedlichen Mechanismen ablaufen. Aus ausführlichen experimentellen Untersuchungen an Segelflugzeugen ist bekannt, dass durch eine gezielte Profiloptimierung der Transitionspunkt zu höheren Profiltiefen verschoben wird und der Widerstandsbeiwert so verringert werden kann. Dazu sind detaillierte Kenntnisse der Grenzschicht am Profil sowie des stattfindenden Transitionsmechanismus notwendig. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein den Freiflugversuchen entsprechenden Versuchsaufbau zur Untersuchung der Grenzschicht an einem Blattprofil einer Windkraftanlage im Freifeld zu entwickeln und aufzubauen. Durch die experimentelle Untersuchung im Freifeld können die Rotationsbewegung des Blattes sowie die instationäre, atmosphärische Anströmung berücksichtigt werden. Die durch die Anströmung der Grenzschicht aufgeprägte Turbulenz hat einen wesentlichen Einfluss auf den Transitionsprozess. Zur Untersuchung der Grenzschicht und dort vorhandener Störungen wird an dem Blattprofil in der Rotormitte an der Blattoberseite ein Heißfilm angebracht. Des Weiteren befinden sich ein Prandtl-Rohr zur Bestimmung der Anströmgeschwindigkeit sowie Druckmessbohrungen zur Bestimmung des Druckverlaufes am Profil. Die Auswertung der Heißfilmmessungen, den Zeitreihen und der daraus erstellten spektralen Auswertung, ermöglicht den Grenzschichtzustand, laminar, transitionell oder turbulent zu bestimmen. Die so bestimmten Grenzschichtzustände konnten durch eine statistische Betrachtung bestätigt werden. Des Weiteren kann die Art des Transitionsmechanismus bestimmt werden. Im Gegensatz zu den Freiflugversuchen an Segelflugzeugen gibt es keine Anzeichen für das Vorhandensein von Tollmien-Schlichting-Wellen, die einen möglichen Transitionsmechanismus darstellen und die eine charakteristische sinusförmige Struktur besitzen. Die Transition findet wohl nach einem Bypass-Mechanismus statt, der bei höheren Turbulenzgraden auftritt. Bei der Druckmessung tritt ein signifikanter Messfehler auf, der trotz einer ausführlichen Fehlerbetrachtung nur geringfügig korrigiert werden kann. Es wird gezeigt, wie aus den korrigierten Drücken Druckverläufe bestimmt werden können, um einen effektiven Anstellwinkel für die Simulationsrechnung zu bestimmen. Die experimentelle Untersuchung wird durch zweidimensionale Simulationsrechnungen mit der Software FLOWer ergänzt. Die in FLOWer integrierte Stabilitätsanalyse ermöglicht die Untersuchung der in der Grenzschicht vorhandenen Störungen wie z.B. Tollmien-Schlichting-Wellen. Die Ergebnisse der Simulationsrechnung unterstützen die gemachten Aussagen zum Grenzschichtzustand und dem Transitionsmechanismus.

Unternehmen stehen im heutigen globalisierten Markt vor großen Herausforderungen. Die zunehmende Komplexität innerhalb von Produktion und Lieferketten sowie die Notwendigkeit, individualisierte Produkte innerhalb kurzer Zeit zu entwickeln, bringen traditionelle Organisationsformen der Produktion an ihre Gren-zen. Zusätzlich werden die Märkte zunehmend volatil und unsicher, was zu vermehrten Disruptionen und sich verändernder Marktbedingungen aufgrund institutioneller Vorgaben und Kundenpräferenzen führt. Es besteht also ein großer Bedarf nach flexiblen und robusten Organisations- und Steuerungskonzepten, um auf diese Herausforderungen zu reagieren. Industrie 4.0 als neues Produktionsparadigma postuliert die automatisierte und dezentrale Entscheidungsfindung von Produkten und Ressourcen innerhalb der Produk-tion. Dabei entscheiden Produkte und Ressourcen selbstständig, auf Basis digitaler Modelle und Vernet-zung, über die Zuteilung und Bearbeitung der Aufträge und reagieren dabei auch lokal auf Störungen. In-dustrie 4.0 bietet einen Referenzrahmen, um diesen Herausforderungen mittels Digitalisierung und compu-tergestützten Entwicklungen zu begegnen. Digitale Vernetzung von Produkten und Ressourcen ermöglicht die Bildung flexibler Produktionsnetzwerke, die innerhalb eines Unternehmens oder zwischen verschiede-nen Unternehmen entstehen können. Diese Netzwerke können aus einer Vielzahl von Entitäten bestehen, was die Bedeutung der Dezentralität zur Vermeidung von Kommunikationsengpässen, Single-Points-of-Failures und langer Rechenzeiten zentraler Algorithmen noch verstärkt. Da diese Flexibilität innerhalb der Produktion häufig nicht durch starre Förder- und unflexible Steuerungs-systeme abgebildet werden kann, entsteht der Bedarf, die Ressourcen flexibel zu verbinden und zu steuern und gleichzeitig die Skalierbarkeit des Steuerungssystems sicherzustellen. Transportmittel wie Brückenkrä-ne oder Verbünde autonomer mobiler Roboter ermöglichen den flexiblen Transport großer Werkstücke, welche für diese Arbeit aufgrund industrieller Anforderungen der Domänen Luftfahrt und Windenergie von besonderer Relevanz sind. Es besteht die Notwendigkeit, Prozesspläne zu erstellen, die die Flexibilität einer dezentral koordinierten Produktion nutzen können. Zudem müssen die Aufgaben dieser Transport – und Produktionsressourcen integriert geplant werden, um unnötige Stillstandszeiten und Verspätungen zu ver-meiden. Die Prozess- und Ablaufpläne müssen auch Handhabungskompatibilitäten, knappe Pufferungsmög-lichkeiten sowie die Aufrechterhaltung der Planstabilität berücksichtigen. In dieser Arbeit wird ein integrierter Prozess- und Ablaufplanungsansatz für Produktions- und Transportres-sourcen entwickelt. Er umfasst eine skalierbare Architektur sowie entsprechende Algorithmen, welche auf den dezentralen Entitäten ausgeführt werden. Die integrierte Planung und Skalierbarkeit wird durch eine Architektur erreicht, die ein skalierbares Kommunikationsprotokoll und das erforderliche Informationsmo-dell für die Prozess- und Terminplanung bereitstellt. Innerhalb dieser Architektur werden geeignete Algo-rithmen zur Ableitung flexibler Prozesspläne auf Basis eines schnittstellenorientierten Modellierungsansat-zes und zur integrierten Ablaufplanung der verschiedenen Ressourcentypen entwickelt. Darüber hinaus bindet der Ansatz, basierend auf der Abschätzung der Dauer von Störungen, dynamische Ereignisse in die Umplanung mit ein und stellt einen Ansatz zur Kollisionsvermeidung gemeinsam genutzter Ressourcen be-reit. Der Ansatz wird in verschiedenen industriellen Fallstudien validiert und hinsichtlich der Skalierbarkeit, der Ausführungszeit und der Möglichkeit gleichzeitiger Auftragsallokation bewertet. Die Kommunikation skaliert linear und die Koordination eines Auftrages schließt innerhalb weniger hundert Millisekunden ab.

Lärm sind Geräusche, die als unerwünscht, störend oder unangenehm durch den Menschen empfunden werden. Dabei kann dauerhaft einwirkender Lärm zur Beeinträchtigung des subjektiven Wohlbefindens und der Gesundheit führen. Diese Beeinflussung tritt bereits bei Dauerschalldruckpegeln von 65 dB(A) auf. Für Werte > 85 dB(A) kann es bereits zu irreparablen Beschädigungen des Innenohrs kommen. In einer Vielzahl von technischen Anwendungen wird Lärm von schwingenden Strukturen abgestrahlt. Ein Beispiel ist die Erzeugung von tonalen Schalldruckpegeln (SPL, engl. sound pressure level) im tieffrequenten Bereich in der Kabine von Propellerflugzeugen aufgrund der Blattfolgefrequenz (BPF, engl. blade passing frequency) der Triebwerke. Bestehende Lärm- schutzbestimmungen im Flugzeugbau stellen die Ingenieure somit vor die Aufgabe, den Einfluss der Schallemission auf den Menschen zu reduzieren. Zur Minimierung des Störschalls stehen aktive und passive Maßnahmen zur Verfügung. Insbesondere im tieffrequenten Bereich haben aktive gegenüber passiven Systemen Vorteile, da der Kostenaufwand und das Gewicht geringer sind, siehe. Bei aktiven Maßnahmen kommen mechatronische Systeme zum Einsatz. Dabei werden die Aktoren über ein Informationsverarbeitungssystem so angesteuert, um die durch Sensoren detektierten Mess- größen zu minimieren, siehe. Die aktive Reduktion der Schallabstrahlung von schwingenden Strukturen ist durch ver- schiedene aktive Maßnahmen möglich. Die Systeme sind sowohl in Aktorik und Sensorik als auch in ihren physikalischen Wirkprinzipien unterschiedlich. Welches System dabei zu bevorzugen ist, hängt von der Problemstellung, den Anforderungen und Limitierungen ab. Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, eine Maßnahme zur aktiven Reduktion der Schallabstrahlung von schwingenden Strukturen im Rahmen einer anwendungsorientierten Problemstellung zu entwickeln.

Die vorliegende Arbeit mit dem Titel „Aktorkonstruktion in der Mikrosystemtechnik: MikroQFD – ein transdisziplinärer Ansatz zur innovationsorientierten Entwicklung mikrotechnischer Aktorsysteme“ bietet einen Beitrag zur Entwicklung eines innovationsorientierten und kompetenz-berücksichtigenden Entwicklungsansatzes für die Entwicklung von Mikroaktorsystemen. Darüber hinaus wird das mehrstufige, schwarmfähige Aufklärungssystem WOERMS vorgestellt, welches das Referenzeinsatzsystem für die Entwicklung eines patentierten, elektrorheologischen Mikrostellsystems darstellt. Die Funktionalität des vorgestellten Entwicklungsansatzes wird anhand der konstruktions- und fertigungstechnischen Entwicklung des fluidischen Mikrostellsystems erläutert. Die Arbeit nähert sich dem komplexen Themenfeld der Mikroaktortechnik über eine Betrachtung der Mikrosystemtechnik als übergeordnete Ordnungsebene an. Weiterhin wird der Aktor als Element mechatronischer Systeme eingeführt und eine funktionelle Analyse in Primär- und Sekundäraktor vorgenommen. Fluidische und speziell hydraulische Mikroaktoren werden als beispielhafte technische Antriebslösungen herausgestellt. Die Möglichkeiten des Einsatzes von intelligenten Funktionswerkstoffen für die Energiewandlung in Mikroaktoren und das damit einhergehende Innovationspotenzial werden ebenfalls thematisiert. Weitere Kapitel der Arbeit adressieren die Innovationsdimensionen und die Entwicklungsbedingungen des Mikroraums und tragen dergestalt zu einem besseren Verständnis des Entwicklungsumfelds von Mikroaktoren bei. Mikroraum-spezifische Kriterien für die Bewertung etablierter Modelle und Vorgehensmethoden für die Erstellung mikroaktorischer Systeme werden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Ausgewählte Modelle werden analysiert und auf ihre Eignung zur Unterstützung des Entwicklungsprozesses mikroaktorischer Produkte untersucht. Das Mikro-QFD-Modell als ein synergetisches und methodenmodulares Vorgehensmodell für die Entwicklung von Mikroaktoren wird im Rahmen dieser Arbeit erstmals vorgestellt und das konstruktive Vorgehen expliziert. Abschliessend wird die Anwendung des Mikro-QFD-Modells bei der innovationsorientierten Entwicklung eines elektrorheologischen Mikroaktorsystems innerhalb des Bewegungssystems WOERMS (Wireless Optical Electrorheological Microsensor System) demonstriert.

Many distributed systems require coordination between the servers involved. At the same time, with increasing number of servers, these systems become more prone to single-server failures. Therefore, a high-quality service deployed on these systems must enable coordination, while tolerating failures. This can be achieved through state-machine replication. State-machine replication is fault tolerant through redundancy and coordination is achieved through strong consistency. This in turn requires ordering user requests and propagating them to all replicas, which execute them deterministically and sequentially, i.e., in total order. Guaranteeing this total order requires the execution of a distributed agreement algorithm, such as consensus or atomic broadcast. Consequently, strong consistency adds a considerable performance overhead, with typical state-machine replication request rates being orders of magnitude lower than the request rates of non-replicated services. The aim of this dissertation is to devise new efficient solutions that reduce this performance overhead. This dissertation presents three novel algorithms -- DARE, AllConcur, and AllConcur+ -- that stretch the performance boundaries of state-machine replication. The three algorithms target two contrasting use cases of replication -- replicating a service as a mechanism to achieve high availability and replicating a service as a requirement of the application. Replication is a well-known approach to high availability. Providing strong consistency among replicas, allows a distributed service to hide failures and appear to its users as a coherent and centralized service. In such cases, scaling out state-machine replication to more than a handful of servers is not necessary. However, most existing algorithms rely on message-passing for communication. DARE is a novel high-performance state-machine replication algorithm that replaces the message-passing mechanism with remote direct memory access (RDMA) one-sided primitives. Therefore, DARE enables operators to fully utilize the new capabilities of the growing number of RDMA-capable networks. Besides providing high availability, having multiple consistent replicas may be a requirement of the application, as is the case for distributed ledgers. In such cases, scaling out to hundreds of servers is not uncommon. Most practical state-machine replication approaches were designed mainly to enable highly available distributed services and they are not well suited for large-scale deployments. AllConcur is a novel leaderless concurrent atomic broadcast algorithm that enables state-machine replication to scale out to hundreds of servers, while achieving high performance. Besides adopting a decentralized approach, AllConcur reduces the work by replacing the traditional all-to-all communication pattern adopted by many existing algorithms with a digraph-based communication model that relies on a sparse digraph. This results in sublinear work per broadcast message and is the main reason for the high performance at scale. Moreover, AllConcur employs a novel early termination mechanism that reduces latency. As a result, AllConcur is highly competitive with regard to existing solutions at scale and outperforms standard leader-based approaches, such as Libpaxos. The sparse digraph used by AllConcur for communication reduces the work per broadcast message. However, to reliably disseminate messages, the digraph must also be resilient; this resiliency entails redundancy, which limits the reduction of work. AllConcur+ is a novel leaderless concurrent atomic broadcast algorithm that lifts this limitation by adopting a dual-digraph approach: During intervals with no failures, it achieves minimal work by using a redundancy-free digraph. When failures do occur, it automatically recovers by switching to the resilient digraph. As a result, by leveraging redundancy-free execution during intervals with no failures, AllConcur+ achieves significantly higher throughput and lower latency than both AllConcur and other state of the art atomic broadcast algorithms. Overall, this dissertation addresses the challenges of designing novel algorithms with the purpose of enhancing the performance of state-machine replication for both small- and large-scale deployments. We believe that the research contributions made by the three algorithms presented will serve as a good foundation for many use cases and furthermore facilitate the future improvements of state-machine replication.

This research is aimed to introduce a novel concept and a methodology for an adaptive and context-sensitive engineering workflow support system in an object-oriented, domain-independent, and model-driven virtual environment for process and automation engineering of plants. To understand the expectations from such a system, first an extensive empirical study of engineering workflows in more than 15 plant engineering companies in the USA, Europe, and Asia was undertaken and more than 180 interviews with engineers of diverse engineering disciplines were performed. Throughout this empirical study, various industrial engineering methods of process and automation engineering and utilized software tools were characterized and documented. An analysis of typical engineering workflows and tools was performed and cultural or technical parameters that have a significant impact on the execution of a project were identified. This study provided a solid fundament for comparison of industrial and scientific efforts in the domain of engineering workflow support systems. In addition to the empirical study, a review of various state-of-the-art technologies for engineering software tools which are widely utilized in industry, as well as latest technological trends in this field are discussed and capabilities of these software technologies for execution of engineering projects and support of engineers are analysed and presented. Based on these studies, a novel concept for an engineering execution support system in the field of process and automation engineering of production plants is introduced which covers the main expectations from such a system i.e. adaptability, context-sensitivity, and flexibility. This concept is based on the technology of object-oriented, model-driven engineering and the methodology which was developed and utilized based on this concept, is to use individual object’s life-paths (lifeflows) as a new aspect of objects within the project data model. Additionally, reference data models are used to analyse the project context and offer the next optimal engineering step for every user in every phase of a project depending on the context and state. Object’s lifeflow is a sequence of events and actions that should happen for an object instance in the plant data model depending on its class to reach its maturity i.e. fully engineered state. Such methodology can be deployed within any tool that is mounted above the new generation of engineering software platforms to enhance engineering support or creating new possibilities for optimized engineering methods such as learning and communication between mature and young objects with same lifeflows in the plant data model. For validation of the introduced concept, a prototype is developed based on a commercial process and automaton design engineering software, “Engineering Base” a product of AUCOTEC AG Above explained steps resulted in an adaptive, context-sensitive workflow support system in which its feasibility and benefits are verified and validated in a sample plant engineering project.

Many decisions in organizations, politics, and economics are made collectively by groups. Often, other people who are not part of the decision-making process are affected by the resulting outcomes. Therefore, it is important to understand how individual group members are held accountable for the collective decision. In a recent paper, Bartling et al. (2015) analyzed the attribution of responsibility for collective decisions in a sequential voting game, in which three decision makers sequentially decide on an equal or unequal allocation implemented for themselves and three other recipients. They found that the pivotal decision maker was punished significantly more than non-pivotal decision makers. However, it remains unclear what other factors influence the attribution of responsibility for collective decisions. Therefore, this study extends the work of Bartling et al. (2015) in two ways: first, the decision right is assigned through one of two different (legitimate) mechanisms, and second, one allocation is already preselected as the default. The assignment of individual responsibility is measured by eliciting the punishment choices of the recipients. Interestingly, the legitimacy of the group-building mechanism has no significant effect on the assigned responsibility. However, choosing the default is associated with less punishment, as long as other punishment motives are not controlled for. Additionally, the main result of Bartling et al. (2015), that the pivotal decision maker is punished significantly more, could not be replicated. Instead, the unkindness of a decision determines the punishment behavior of recipients.

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Verwendung der nichtlinearen Wellenausbreitung auf Basis der Generierung höher harmonischer Moden auf Grund von mikrostrukturellen Schäden in Faserverbundstrukturen analysiert. Es wird mit Hilfe experimenteller Untersuchungen gezeigt, dass die infolge zyklischer Zugbeanspruchung entstehende Werkstoffdegradation mit dem relativen akustischen Nichtlinearitätsparameter korreliert. Um die auf mikrostrukturellen Schäden beruhende Werkstoffdegradation und die daraus resultierende nichtlineare Wellenausbreitung numerisch abzubilden, wird ein hyperelastisches Materialmodell für faserverstärkte Kunststoffe entwickelt. Im Gegensatz zu den bekannten Formulierungen aus der Biomechanik werden dabei kompressible Effekte berücksichtigt und die Verwendung der modifizierten Invarianten vermieden. Ferner kann im Vergleich zu der nichtlinearen Potentialformulierung nach Murnaghan die Anzahl der benötigten Materialkonstanten auf sechs reduziert werden. Die durchgeführten numerischen Simulationen bestätigen die Anwendbarkeit dieses nichtlinearen Materialmodells zur Abbildung der Entstehung und Ausbreitung höher harmonischer Moden in unidirektionalen Faserverbundstrukturen bei der Wellenausbreitung entlang einer Symmetrieachse.