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- D-1250-2010 (1)
The ongoing and evolving usage of networks presents two critical challenges for current and future networks that require attention: (1) the task of effectively managing the vast and continually increasing data traffic and (2) the need to address the substantial number of end devices resulting from the rapid adoption of the Internet of Things. Besides these challenges, there is a mandatory need for energy consumption reduction, a more efficient resource usage, and streamlined processes without losing service quality. We comprehensively address these efforts, tackling the monitoring and quality assessment of streaming applications, a leading contributor to the total Internet traffic, as well as conducting an exhaustive analysis of the network performance within a Long Range Wide Area Network (LoRaWAN), one of the rapidly emerging LPWAN solutions.
The ongoing and evolving usage of networks presents two critical challenges for current and future networks that require attention: (1) the task of effectively managing the vast and continually increasing data traffic and (2) the need to address the substantial number of end devices resulting from the rapid adoption of the Internet of Things. Besides these challenges, there is a mandatory need for energy consumption reduction, a more efficient resource usage, and streamlined processes without losing service quality. We comprehensively address these efforts, tackling the monitoring and quality assessment of streaming applications, a leading contributor to the total Internet traffic, as well as conducting an exhaustive analysis of the network performance within a Long Range Wide Area Network (LoRaWAN), one of the rapidly emerging LPWAN solutions.
This work aims at elucidating chemical processes involving homogeneous catalysis and photo–physical relaxation of excited molecules in the solid state. Furthermore, compounds with supposedly small singlet–triplet gaps and therefore biradicaloid character are investigated with respect to their electro–chemical behavior. The work on hydroboration catalysis via a reduced 9,10–diboraanthracene (DBA) was preformed in collaboration with the Wagner group in Frankfurt, more specifically Dr. Sven Prey, who performed all laboratory experiments. The investigation of delayed luminescence properties in arylboronic esters in their solid state was conducted in collaboration with the Marder group in Würzburg. The author of this work took part in the synthesis of the investigated compounds while being supervised by Dr. Zhu Wu. The final project was a collaboration with the group of Anukul Jana from Hyderabad, India who provided the experimental data.
Verschiedene Konzepte der Röntgenmikroskopie haben sich mittlerweile im Labor etabliert und ermöglichen heute aufschlussreiche Einblicke in eine Vielzahl von Probensystemen. Der „Labormaßstab“ bezieht sich dabei auf Analysemethoden, die in Form von einem eigenständigen Gerät betrieben werden können. Insbesondere sind sie unabhängig von der Strahlerzeugung an einer Synchrotron-Großforschungseinrichtung und einem sonst kilometergroßen Elektronen-speicherring. Viele der technischen Innovationen im Labor sind dabei ein Transfer der am Synchrotron entwickelten Techniken. Andere wiederum basieren auf der konsequenten Weiterentwicklung etablierter Konzepte. Die Auflösung allein ist dabei nicht entscheidend für die spezifische Eignung eines Mikroskopiesystems im Ganzen. Ebenfalls sollte das zur Abbildung eingesetzte Energiespektrum auf das Probensystem abgestimmt sein. Zudem muss eine Tomographieanalage zusätzlich in der Lage sein, die Abbildungsleistung bei 3D-Aufnahmen zu konservieren.
Nach einem Überblick über verschiedene Techniken der Röntgenmikroskopie konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf quellbasierte Nano-CT in Projektionsvergrößerung als vielversprechende Technologie zur Materialanalyse. Hier können höhere Photonenenergien als bei konkurrierenden Ansätzen genutzt werden, wie sie von stärker absorbierenden Proben, z. B. mit einem hohen Anteil von Metallen, zur Untersuchung benötigt werden. Das bei einem ansonsten idealen CT-Gerät auflösungs- und leistungsbegrenzende Bauteil ist die verwendete Röntgen-quelle. Durch konstruktive Innovationen sind hier die größten Leistungssprünge zu erwarten. In diesem Zuge wird erörtert, ob die Brillanz ein geeignetes Maß ist, um die Leistungsfähigkeit von Röntgenquellen zu evaluieren, welchen Schwierigkeiten die praktische Messung unterliegt und wie das die Vergleichbarkeit der Werte beeinflusst. Anhand von Monte-Carlo-Simulationen wird gezeigt, wie die Brillanz verschiedener Konstruktionen an Röntgenquellen theoretisch bestimmt und miteinander verglichen werden kann. Dies wird am Beispiel von drei modernen Konzepten von Röntgenquellen demonstriert, welche zur Mikroskopie eingesetzt werden können. Im Weiteren beschäftigt sich diese Arbeit mit den Grenzen der Leistungsfähigkeit von Transmissionsröntgenquellen. Anhand der verzahnten Simulation einer Nanofokus-Röntgenquelle auf Basis von Monte-Carlo und FEM-Methoden wird untersucht, ob etablierte Literatur¬modelle auf die modernen Quell-konstruktionen noch anwendbar sind. Aus den Simulationen wird dann ein neuer Weg abgeleitet, wie die Leistungsgrenzen für Nanofokus-Röntgenquellen bestimmt werden können und welchen Vorteil moderne strukturierte Targets dabei bieten.
Schließlich wird die Konstruktion eines neuen Nano-CT-Gerätes im Labor-maßstab auf Basis der zuvor theoretisch besprochenen Nanofokus-Röntgenquelle und Projektionsvergrößerung gezeigt, sowie auf ihre Leistungsfähigkeit validiert. Es ist spezifisch darauf konzipiert, hochauflösende Messungen an Materialsystemen in 3D zu ermöglichen, welche mit bisherigen Methoden limitiert durch mangelnde Auflösung oder Energie nicht umsetzbar waren. Daher wird die praktische Leistung des Gerätes an realen Proben und Fragestellungen aus der Material¬wissenschaft und Halbleiterprüfung validiert. Speziell die gezeigten Messungen von Fehlern in Mikrochips aus dem Automobilbereich waren in dieser Art zuvor nicht möglich.
Development, Simulation and Evaluation of Mobile Wireless Networks in Industrial Applications
(2023)
Manyindustrialautomationsolutionsusewirelesscommunicationandrelyontheavail-
ability and quality of the wireless channel. At the same time the wireless medium is
highly congested and guaranteeing the availability of wireless channels is becoming
increasingly difficult. In this work we show, that ad-hoc networking solutions can be
used to provide new communication channels and improve the performance of mobile
automation systems. These ad-hoc networking solutions describe different communi-
cation strategies, but avoid relying on network infrastructure by utilizing the Peer-to-
Peer (P2P) channel between communicating entities.
This work is a step towards the effective implementation of low-range communication
technologies(e.g. VisibleLightCommunication(VLC), radarcommunication, mmWave
communication) to the industrial application. Implementing infrastructure networks
with these technologies is unrealistic, since the low communication range would neces-
sitate a high number of Access Points (APs) to yield full coverage. However, ad-hoc
networks do not require any network infrastructure. In this work different ad-hoc net-
working solutions for the industrial use case are presented and tools and models for
their examination are proposed.
The main use case investigated in this work are Automated Guided Vehicles (AGVs)
for industrial applications. These mobile devices drive throughout the factory trans-
porting crates, goods or tools or assisting workers. In most implementations they must
exchange data with a Central Control Unit (CCU) and between one another. Predicting
if a certain communication technology is suitable for an application is very challenging
since the applications and the resulting requirements are very heterogeneous.
The proposed models and simulation tools enable the simulation of the complex inter-
action of mobile robotic clients and a wireless communication network. The goal is to
predict the characteristics of a networked AGV fleet.
Theproposedtoolswereusedtoimplement, testandexaminedifferentad-hocnetwork-
ing solutions for industrial applications using AGVs. These communication solutions
handle time-critical and delay-tolerant communication. Additionally a control method
for the AGVs is proposed, which optimizes the communication and in turn increases the
transport performance of the AGV fleet. Therefore, this work provides not only tools
for the further research of industrial ad-hoc system, but also first implementations of
ad-hoc systems which address many of the most pressing issues in industrial applica-
tions.
The fact that photovoltaics is a key technology for climate-neutral energy production can be taken as a given. The question to what extent perovskite will be used for photovoltaic technologies has not yet been fully answered. From a photophysical point of view, however, it has the potential to make a useful contribution to the energy sector. However, it remains to be seen whether perovskite-based modules will be able to compete with established technologies in terms of durability and cost efficiency. The additional aspect of ionic migration poses an additional challenge. In the present work, primarily the interaction between ionic redistribution, capacitive properties and recombination dynamics was investigated. This was done using impedance spectroscopy, OCVD and IV characteristics as well as extensive numerical drift-diffusion simulations. The combination of experimental and numerical methods proved to be very fruitful. A suitable model for the description of solar cells with respect to mobile ions was introduced in chapter 4.4. The formal mathematical description of the model was transferred by a non-dimensionalization and suitable numerically solvable form. The implementation took place in the Julia language. By intelligent use of structural properties of the sparse systems of equations, automatic differentiation and the use of efficient integration methods, the simulation tool is not only remarkably fast in finding the solution, but also scales quasi-linearly with the grid resolution. The software package was released under an open source license. In conventional semiconductor diodes, capacitance measurements are often used to determine the space charge density. In the first experimental chapter 5, it is shown that although this is also possible for the ionic migration present in perovskites, it cannot be directly understood as doping related, since the space charge distribution strongly depends on the preconditions and can be manipulated by an externally applied voltage. The exact form of this behavior depends on the perovskite composition. This shows, among other things, that experimental results can only be interpreted within the framework of conventional semiconductors to a very limited extent. Nevertheless, the built-in 99 potential of the solar cell can be determined if the experiments are carried out properly. A statement concerning the type and charge of the mobile ions is not possible without further effort, while their number can be determined. The simulations were applied to experimental data in chapter 6. Thus, it could be shown that mobile ions make a significant contribution to the OCVD of perovskite solar cells. j-V characteristics and OCVD transients measured as a function of temperature and illumination intensities could be quantitatively modeled simultaneously using a single global set of parameters. By the simulations it was further possible to derive a simple experimental procedure to determine the concentration and the diffusivity of the mobile ions. The possibility of describing different experiments in a uniform temperaturedependent manner strongly supports the model of mobile ions in perovskites. In summary, this work has made an important contribution to the elucidation of ionic contributions to the (photo)electrical properties of perovskite solar cells. Established experimental techniques for conventional semiconductors have been reinterpreted with respect to ionic mass transport and new methods have been proposed to draw conclusions on the properties for ionic transport. As a result, the published simulation tools can be used for a number of further studies.
In this doctoral thesis we cover the performance evaluation of next generation data plane architectures, comprised of complex software as well as programmable hardware components that allow fine granular configuration. In the scope of the thesis we propose mechanisms to monitor the performance of singular components and model key performance indicators of software based packet processing solutions. We present novel approaches towards network abstraction that allow the integration of heterogeneous data plane technologies into a singular network while maintaining total transparency between control and data plane. Finally, we investigate a full, complex system consisting of multiple software-based solutions and perform a detailed performance analysis. We employ simulative approaches to investigate overload control mechanisms that allow efficient operation under adversary conditions. The contributions of this work build the foundation for future research in the areas of network softwarization and network function virtualization.
We consider a multi-species gas mixture described by a kinetic model. More precisely, we are interested in models with BGK interaction operators. Several extensions to the standard BGK model are studied.
Firstly, we allow the collision frequency to vary not only in time and space but also with the microscopic velocity. In the standard BGK model, the dependence on the microscopic velocity is neglected for reasons of simplicity. We allow for a more physical description by reintroducing this dependence. But even though the structure of the equations remains the same, the so-called target functions in the relaxation term become more sophisticated being defined by a variational procedure.
Secondly, we include quantum effects (for constant collision frequencies). This approach influences again the resulting target functions in the relaxation term depending on the respective type of quantum particles.
In this thesis, we present a numerical method for simulating such models. We use implicit-explicit time discretizations in order to take care of the stiff relaxation part due to possibly large collision frequencies. The key new ingredient is an implicit solver which minimizes a certain potential function. This procedure mimics the theoretical derivation in the models. We prove that theoretical properties of the model are preserved at the discrete level such as conservation of mass, total momentum and total energy, positivity of distribution functions and a proper entropy behavior. We provide an array of numerical tests illustrating the numerical scheme as well as its usefulness and effectiveness.
Die Narbenhernie stellt eine häufige Komplikation nach Laparotomien dar. Die Therapie der Narbenhernie erfolgt mittels chirurgischer Netzimplantation. Dieses Verfahren erfordert detaillierte anatomische Kenntnisse. Dem ethischen Imperativ folgend, wurde ein kosten-effizientes Modell entwickelt, welches den humanen Situs imitiert und an dem sich eine retromuskuläre Netzimplantation durchführen lässt. Das High-Fidelity-Modell besteht zum Hauptteil aus 2-Komponenten-Silikon. Das Modell wurde entwickelt und im Rahmen dieser Studie validiert. Zur Ermittlung der Testpersonenanzahl wurde die Methodik des sequentiellen Dreieckstests genutzt. Nachdem 6 Anfänger (PJ-Studierende) und 6 Könner (Fachärzte für Viszeralchirurgie) jeweils ein Modell operiert hatten, wurde die Kontent-, die Konstrukt- und die Kriterienvalidität untersucht. Anschließend wurde das Modell und die Operationsdurchführung mit drei Methoden untersucht. Zum einen füllten die Teilnehmenden einen Fragebogen bezüglich der Realitätsnahe des Modells direkt nach der Operation aus. Außerdem bewerteten drei verblindete Bewerter die Operationen anhand des Competency assessment tool (CAT), welcher eine modifizierte Version des Fragebogens nach Miskovic darstellt, nach den folgenden Subskalen: „Instrumentengebrauch“, „Umgang mit dem Gewebe“, „Mängel und Fehler“, „Qualität des Endprodukts“. Zuletzt wurden die operierten Modelle bezüglicher der „Endergebnisse“ autopsiert und bewertet.
Die Ergebnisse zeigen, dass am SUBsON-Modell eine Narbenhernienoperation mit Netzimplantation authentisch durchgeführt werden kann. Die Testpersonen bewerteten das Modell als realitätsnah. Die Reliabilität war in allen Kategorien gut bis exzellent. Die Könner waren in allen Subskalen des CATs den Anfängern überlegen. Bei Betrachtung der Kriterienvalidität zeigte sich ein paradoxer Effekt: Bei der Präparation des Fatty Triangles erbrachten die Anfänger eine signifikant (p< 0,05) höhere Leistung als die Könner. Mögliche Erklärungen dafür sind mannigfaltig.
Die Leistungsunterschiede zwischen Anfängern und Könnern bestätigen die Konstruktvalidität von Modell und Fragebogen sowie die Realitätsnähe des Modells. In dieser Studie konnten Defizite vor allem unter Könnern bezüglich anatomischer Kenntnisse bei der Präparation des Fatty Triangles aufgezeigt werden. Das Modell kann zukünftig genutzt werden, um die Netzimplantation und die Präparation des Fatty Triangles zu üben als auch um die chirurgischen Leistungen zu evaluieren.
Einleitung
Platzwunden im Gesicht machen nahezu ein Drittel aller Platzwunden in der Notaufnahme aus (Singer et al., 2006). Diese werden zum Großteil nicht von Plastischen Chirurginnen und Chirurgen versorgt (Lee, Cho, et al., 2015), weshalb eine gute Grundausbildung junger Ärztinnen und Ärzte unabdingbar ist. Eine gängige Lehrmethode zur Vermittlung praktischer Fertigkeiten ist der konventionelle Ansatz „see one, do one“, welcher oft als unzureichend bewertet wird (Zahiri et al., 2015). Hingegen sind für die Vierschrittmethode nach Peyton zahlreiche Vorzüge dokumentiert (Herrmann-Werner et al., 2013; Krautter et al., 2015). Anhand eines eigens entwickelten Gesichtsmodells aus Silikon wurden beide Lehrmethoden im Hinblick auf ihren Lernerfolg bezüglich kommunikativer Fähigkeiten und handwerklicher Fertigkeiten, die Verankerung im Langzeitgedächtnis, die Dauer des Eingriffs sowie eine korrekte prozedurale Abfolge beim Versorgen von Gesichtswunden überprüft.
Material und Methoden
Zum Zeitpunkt der Teilnahme an der Studie befanden sich die Studierenden (n=20 bei einer Power von 0,8) entweder im Praktischen Jahr (11./12. Fachsemester) (n=10) oder im Blockpraktikum (10. Fachsemester) (n=10). Ausschlusskriterium war eine bereits selbstständig durchgeführte ambulante Naht im Gesichtsbereich.
Die Kohorte der konventionellen Methode als Kontrollgruppe (KG) und die der Peyton Methode als Experimentalgruppe (EG) wurden mittels Video-Tutorial angeleitet, bevor sie die Naht in Lokalanästhesie am Gesichtsmodell durchführten. Nach 7 Tagen erfolgte die Operation ein zweites Mal ohne Anleitung. Die Operationen wurden gefilmt und durch drei verblindete Bewertende anhand der Skalen „Instrumentengebrauch“, „Umgang mit dem Gewebe“, „Knappe Versäumnisse und Fehler“ sowie „Qualität des Endergebnisses“ des Competency Assessment Tools (CAT) bewertet (1 = Anfänger/in bis 4 = Erfahrene/r), welche wiederum in 12 Items eingeteilt waren (Miskovic et al., 2013). Die Berechnung der Unterschiede bezog handwerkliche Fertigkeiten, die Verankerung im Langzeitgedächtnis, die Kommunikation sowie Unterschiede zwischen den Ausbildungsständen ein. Zusätzlich wurde das Einhalten des korrekten prozeduralen Ablaufes überprüft, sowie die Zeit zur Durchführung gemessen und zwischen den Lehrmethoden verglichen. Zur Validierung des CAT wurde die Reliabilität der Skalen und die Interrater-Reliabilität berechnet.
Ergebnisse
Sowohl die Reliabilität der Skalen als auch die Interrater-Reliabilität zeigten zufriedenstellende Ergebnisse.
Bezüglich der Unterschiede auf Skalenebene zeigte die EG im Vergleich zur KG signifikant bessere Ergebnisse für die Mittelwerte aller vier Skalen (p < 0,05). Diese Ergebnisse bestätigten sich auch bei der Analyse einzelner Items. Bei Betrachtung der Unterschiede zwischen den OP Tagen zeigte sich bei der EG ein signifikanter Zuwachs der Leistung (p < 0,05). Bezüglich der kommunikativen Fähigkeiten berechnete sich für eines der beiden zugehörigen Items eine Überlegenheit der EG (p < 0,05). Bei detaillierter Betrachtung des Ausbildungsstandes ließ sich ein insgesamt besseres Abschneiden der Studierenden im Praktischen Jahr verglichen zu jenen im Blockpraktikum feststellen. Außerdem hielt die Kohorte der EG signifikant häufiger eine korrekte prozedurale Abfolge ein (p < 0,05) und benötigte deskriptiv weniger Zeit zur Durchführung der Prozedur.
Fazit
Die Peyton-Methode zeigte sich der konventionellen Methode im Hinblick auf das Erlernen einer Gesichtsnaht sowohl in der Qualität als auch in Bezug auf das Durchführen der Schritte in korrekter Reihenfolge überlegen. Zudem gibt es Evidenz, dass die Peyton Methode eine Verankerung des Gelernten im Langzeitgedächtnis fördert und die Durchführungsgeschwindigkeit erhöht. Die Ergebnisse sprechen somit für den Einsatz der Peyton Methode beim Erlernen komplexer chirurgischer Fähigkeiten.
Ausblick
Zukünftig könnte die feste Integration der Peyton Methode in das Curriculum die ärztliche Ausbildung verbessern. Insbesondere im Hinblick auf nachhaltiges und (Zeit-) effizientes Lernen besteht weiterer Forschungsbedarf. Außerdem wären weitere Untersuchungen zum Erlernen von Kommunikation mittels Vierschrittmethode nach Peyton wünschenswert.