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Sensor faults can affect the dependability and the accuracy of structural health monitoring (SHM) systems. Recent studies demonstrate that artificial neural networks can be used to detect sensor faults. In this paper, decentralized artificial neural networks (ANNs) are applied for autonomous sensor fault detection. On each sensor node of a wireless SHM system, an ANN is implemented to measure and to process structural response data. Structural response data is predicted by each sensor node based on correlations between adjacent sensor nodes and on redundancies inherent in the SHM system. Evaluating the deviations (or residuals) between measured and predicted data, sensor faults are autonomously detected by the wireless sensor nodes in a fully decentralized manner. A prototype SHM system implemented in this study, which is capable of decentralized autonomous sensor fault detection, is validated in laboratory experiments through simulated sensor faults. Several topologies and modes of operation of the embedded ANNs are investigated with respect to the dependability and the accuracy of the fault detection approach. In conclusion, the prototype SHM system is able to accurately detect sensor faults, demonstrating that neural networks, processing decentralized structural response data, facilitate autonomous fault detection, thus increasing the dependability and the accuracy of structural health monitoring systems.
Im Mittelpunkt der Dissertation steht die Theorie der Differenzenpotentiale, die eng mit der klassischen Potentialtheorie verbunden ist. Vorgestellt wird eine Methode zur Lösung von Randwertproblemen, die nicht auf der Diskretisierung einer Randintegralgleichung beruht, sondern von der Übertragung des Problems in ein Differenzenrandwertproblem ausgeht. Das diskrete Randwertproblem wird mit Hilfe einer Randreduktionsmethode auf eine Randoperatorgleichung transformiert, die detaillierter zu untersuchen ist. Voraussetzung für den Aufbau der Theorie ist die Existenz diskreter Fundamentallösungen. Die Definition der Differenzenpotentiale wird von Ryabenkij übernommen. Seine Herangehensweise führt jedoch zu überbestimmten linearen Gleichungssystemen auf dem Rand. Durch die Aufspaltung des Randpotentials in ein diskretes Einfach- und Doppelschichtpotential wird diese Schwierigkeit in der Dissertation überwunden. Bewiesen werden Eindeutigkeits- und Lösbarkeitsaussagen für Differenzenrandwertprobleme. Das onvergenzverhalten der diskreten Potentiale wird im Kapitel 3 untersucht. Im Kapitel 4 werden numerische Resultate vorgestellt.
Für eine beherrschbare Koordination und Durchführung von Planungsaufgaben in Bauprojekten wird der Planungsprozess zunehmend in formalisierten Modellen – Prozessmodellen – beschrieben. Die Produktmodellforschung ihrerseits widmet sich der Speicherung von Planungsdaten in Form von objektorientierten Modellen im Rechner. Hauptaugenmerk sind dabei die Wahrung der Konsistenz und die Modellierung von Abhängigkeiten innerhalb dieses Planungsmaterials. Der Bezug zu den Akteuren der Planung wird nicht direkt hergestellt. Ein formal beschriebener Planungsprozesses kann in der Praxis noch nicht derart realisiert werden, dass ein Zugriff auf Einzelobjekte des Planungsprozesses gewährleistet ist. Bestehende Planungsunterstützungs- und Workflowmanagement-Systeme abstrahieren und ordnen das Planungsmaterial nach wie vor auf Dateiebene. Der vorliegende Artikel beschreibt eine Methode für die geeignete Verbindung von formalisierten Prozessmodellen in der Bauplanung mit den Einzelobjekten, die in den modellorientierten Objektmengen kodiert sind. Dabei wird die Zugehörigkeit bestimmter Objekte zu Plänen und Dokumenten (zum Zwecke des Datenaustauschs) nicht länger durch die physische Zuordnung zu Dateien festgelegt. Es wird ein formales Beschreibungsmittel vorgestellt, welches die entsprechende Teilmengenbildung aus der Gesamtheit der Planungsobjekte ermöglicht. Für die bisherigen Formen des Datenaustausches werden aus den Objektmodellen der Planung Teilmengen herausgelöst und physikalisch zwischen den Planern transportiert. Das neue Beschreibungsmittel hingegen erlaubt es, die Bildungsvorschrift für Objektteilmengen statt der Mengen selbst zwischen den Planern auszutauschen. Der Zugriff auf die konkreten Objekte findet dann direkt modellbasiert statt.
Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, eine stetige Kopplung zwischen der ananlytischen und numerischen Lösung von Randwertaufgaben mit Singularitäten zu realisieren. Durch die inter-polationsbasierte gekoppelte Methode kann eine globale C0 Stetigkeit erzielt werden. Für diesen Zweck wird ein spezielle finite Element (Kopplungselement) verwendet, das die Stetigkeit der Lösung sowohl mit dem analytischen Element als auch mit den normalen CST Elementen gewährleistet.
Die interpolationsbasierte gekoppelte Methode ist zwar für beliebige Knotenanzahl auf dem Interface ΓAD anwendbar, aber es konnte durch die Untersuchung von der Interpolationsmatrix und numerische Simulationen festgestellt werden, dass sie schlecht konditioniert ist. Um das Problem mit den numerischen Instabilitäten zu bewältigen, wurde eine approximationsbasierte Kopplungsmethode entwickelt und untersucht. Die Stabilität dieser Methode wurde anschließend anhand der Untersuchung von der Gramschen Matrix des verwendeten Basissystems auf zwei Intervallen [−π,π] und [−2π,2π] beurteilt. Die Gramsche Matrix auf dem Intervall [−2π,2π] hat einen günstigeren Konditionszahl in der Abhängigkeit von der Anzahl der Kopplungsknoten auf dem Interface aufgewiesen. Um die dazu gehörigen numerischen Instabilitäten ausschließen zu können wird das Basissystem mit Hilfe vom Gram-Schmidtschen Orthogonalisierungsverfahren auf beiden Intervallen orthogonalisiert. Das orthogonale Basissystem lässt sich auf dem Intervall [−2π,2π] mit expliziten Formeln schreiben. Die Methode des konsistentes Sampling, die häufig in der Nachrichtentechnik verwendet wird, wurde zur Realisierung von der approximationsbasierten Kopplung herangezogen. Eine Beschränkung dieser Methode ist es, dass die Anzahl der Sampling-Basisfunktionen muss gleich der Anzahl der Wiederherstellungsbasisfunktionen sein. Das hat dazu geführt, dass das eingeführt Basissys-tem (mit 2 n Basisfunktionen) nur mit n Basisfunktion verwendet werden kann.
Zur Lösung diese Problems wurde ein alternatives Basissystems (Variante 2) vorgestellt. Für die Verwendung dieses Basissystems ist aber eine Transformationsmatrix M nötig und bei der Orthogonalisierung des Basissystems auf dem Intervall [−π,π] kann die Herleitung von dieser Matrix kompliziert und aufwendig sein. Die Formfunktionen wurden anschließend für die beiden Varianten hergeleitet und grafisch (für n = 5) dargestellt und wurde gezeigt, dass diese Funktionen die Anforderungen an den Formfunktionen erfüllen und können somit für die FE- Approximation verwendet werden.
Anhand numerischer Simulationen, die mit der Variante 1 (mit Orthogonalisierung auf dem Intervall [−2π,2π]) durchgeführt wurden, wurden die grundlegenden Fragen (Beispielsweise: Stetigkeit der Verformungen auf dem Interface ΓAD, Spannungen auf dem analytischen Gebiet) über-
prüft.
Within the scheduling of construction projects, different, partly conflicting objectives have to be considered. The specification of an efficient construction schedule is a challenging task, which leads to a NP-hard multi-criteria optimization problem. In the past decades, so-called metaheuristics have been developed for scheduling problems to find near-optimal solutions in reasonable time. This paper presents a Simulated Annealing concept to determine near-optimal construction schedules. Simulated Annealing is a well-known metaheuristic optimization approach for solving complex combinatorial problems. To enable dealing with several optimization objectives the Pareto optimization concept is applied. Thus, the optimization result is a set of Pareto-optimal schedules, which can be analyzed for selecting exactly one practicable and reasonable schedule. A flexible constraint-based simulation approach is used to generate possible neighboring solutions very quickly during the optimization process. The essential aspects of the developed Pareto Simulated Annealing concept are presented in detail.
Rapid advancements of modern technologies put high demands on mathematical modelling of engineering systems. Typically, systems are no longer “simple” objects, but rather coupled systems involving multiphysics phenomena, the modelling of which involves coupling of models that describe different phenomena. After constructing a mathematical model, it is essential to analyse the correctness of the coupled models and to detect modelling errors compromising the final modelling result. Broadly, there are two classes of modelling errors: (a) errors related to abstract modelling, eg, conceptual errors concerning the coherence of a model as a whole and (b) errors related to concrete modelling or instance modelling, eg, questions of approximation quality and implementation. Instance modelling errors, on the one hand, are relatively well understood. Abstract modelling errors, on the other, are not appropriately addressed by modern modelling methodologies. The aim of this paper is to initiate a discussion on abstract approaches and their usability for mathematical modelling of engineering systems with the goal of making it possible to catch conceptual modelling errors early and automatically by computer assistant tools. To that end, we argue that it is necessary to identify and employ suitable mathematical abstractions to capture an accurate conceptual description of the process of modelling engineering systems.
Discrete function theory in higher-dimensional setting has been in active development since many years. However, available results focus on studying discrete setting for such canonical domains as half-space, while the case of bounded domains generally remained unconsidered. Therefore, this paper presents the extension of the higher-dimensional function theory to the case of arbitrary bounded domains in Rn. On this way, discrete Stokes’ formula, discrete Borel–Pompeiu formula, as well as discrete Hardy spaces for general bounded domains are constructed. Finally, several discrete Hilbert problems are considered.
Die Behandlung von geometrischen Singularitäten bei der Lösung von Randwertaufgaben der Elastostatik stellt erhöhte Anforderungen an die mathematische Modellierung des Randwertproblems und erfordert für eine effiziente Auswertung speziell angepasste Berechnungsverfahren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der systematischen Verallgemeinerung der Methode der komplexen Spannungsfunktionen auf den Raum, wobei der Schwerpunkt in erster Linie auf der Begründung des mathematischen Verfahrens unter besonderer Berücksichtigung der praktischen Anwendbarkeit liegt. Den theoretischen Rahmen hierfür bildet die Theorie quaternionenwertiger Funktionen. Dementsprechend wird die Klasse der monogenen Funktionen als Grundlage verwendet, um im ersten Teil der Arbeit ein räumliches Analogon zum Darstellungssatz von Goursat zu beweisen und verallgemeinerte Kolosov-Muskhelishvili Formeln zu konstruieren. Im Hinblick auf die vielfältigen Anwendungsbereiche der Methode beschäftigt sich der zweite Teil der Arbeit mit der lokalen und globalen Approximation von monogenen Funktionen. Hierzu werden vollständige Orthogonalsysteme monogener Kugelfunktionen konstruiert, infolge dessen neuartige Darstellungen der kanonischen Reihenentwicklungen (Taylor, Fourier, Laurent) definiert werden. In Analogie zu den komplexen Potenz- und Laurentreihen auf der Grundlage der holomorphen z-Potenzen werden durch diese monogenen Orthogonalreihen alle wesentlichen Eigenschaften bezüglich der hyperkomplexen Ableitung und der monogenen Stammfunktion verallgemeinert. Anhand repräsentativer Beispiele werden die qualitativen und numerischen Eigenschaften der entwickelten funktionentheoretischen Verfahren abschließend evaluiert. In diesem Kontext werden ferner einige weiterführende Anwendungsbereiche im Rahmen der räumlichen Funktionentheorie betrachtet, welche die speziellen Struktureigenschaften der monogenen Potenz- und Laurentreihenentwicklungen benötigen.
Grundidee der Arbeit ist es, Lösungen von Randwertaufgaben durch Linearkombinationen exakter klassischer Lösungen der Differentialgleichung zu approximieren. Die freien Koeffizienten werden dabei durch die Bestimmung der besten Approximation der Randwerte berechnet. Als Basis der Approximation werden vollständige orthogonale und nahezu orthogonale Funktionensysteme verwendet. Anhand ausgewählter Beispiele mit Randvorgaben unterschiedlicher Glattheit wird am Beispiel der Kugel die prinzipielle Anwendbarkeit der Methode getestet und hinsichtlich der Entwicklung des Fehlers der Näherungslösung, der Stabilität des Verfahrens und des numerischen Aufwandes untersucht. Die erhaltenen Resultate geben einen begründeten Anlass, die Anwendung der Methode als Bestandteil einer hybriden analytisch-numerischen Methode, insbesondere der Verknüpfung mit der FEM, weiterzuverfolgen.