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Traffic simulation is a valuable tool for the design and evaluation of road networks. Over the years, the level of detail to which urban and freeway traffic can be simulated has increased steadily, shifting from a merely qualitative macroscopic perspective to a very detailed microscopic view, where the behavior of individual vehicles is emulated realistically. With the improvement of behavioral models, however, the computational complexity has also steadily increased, as more and more aspects of real-life traffic have to be considered by the simulation environment. Despite the constant increase in computing power of modern personal computers, microscopic simulation stays computationally expensive, limiting the maximum network size than can be simulated on a single-processor computer in reasonable time. Parallelization can distribute the computing load from a single computer system to a cluster of several computing nodes. To this end, the exisiting simulation framework had to be adapted to allow for a distributed approach. As the simulation is ultimately targeted to be executed in real-time, incorporating real traffic data, only a spatial partition of the simulation was considered, meaning the road network has to be partitioned into subnets of comparable complexity, to ensure a homogenous load balancing. The partition process must also ensure, that the division between subnets does only occur in regions, where no strong interaction between the separated road segments occurs (i.e. not in the direct vicinity of junctions). In this paper, we describe a new microscopic reasoning voting strategy, and discuss in how far the increasing computational costs of these more complex behaviors lend themselves to a parallelized approach. We show the parallel architecture employed, the communication between computing units using MPIJava, and the benefits and pitfalls of adapting a single computer application to be used on a multi-node computing cluster.
The use of process models in the analysis, optimization and simulation of processes has proven to be extremely beneficial in the instances where they could be applied appropriately. However, the Architecture/Engineering/Construction (AEC) industries present unique challenges that complicate the modeling of their processes. A simple Engineering process model, based on the specification of Tasks, Datasets, Persons and Tools, and certain relations between them, have been developed, and its advantages over conventional techniques have been illustrated. Graph theory is used as the mathematical foundation mapping Tasks, Datasets, Persons and Tools to vertices and the relations between them to edges forming a directed graph. The acceptance of process modeling in AEC industries not only depends on the results it can provide, but the ease at which these results can be attained. Specifying a complex AEC process model is a dynamic exercise that is characterized by many modifications over the process model's lifespan. This article looks at reducing specification complexity, reducing the probability for erroneous input and allowing consistent model modification. Furthermore, the problem of resource leveling is discussed. Engineering projects are often executed with limited resources and determining the impact of such restrictions on the sequence of Tasks is important. Resource Leveling concerns itself with these restrictions caused by limited resources. This article looks at using Task shifting strategies to find a near-optimal sequence of Tasks that guarantees consistent Dataset evolution while resolving resource restrictions.
In this paper we consider three different methods for generating monogenic functions. The first one is related to Fueter's well known approach to the generation of monogenic quaternion-valued functions by means of holomorphic functions, the second one is based on the solution of hypercomplex differential equations and finally the third one is a direct series approach, based on the use of special homogeneous polynomials. We illustrate the theory by generating three different exponential functions and discuss some of their properties. Formula que se usa em preprints e artigos da nossa UI&D (acho demasiado completo): Partially supported by the R\&D unit \emph{Matem\'atica a Aplica\c\~es} (UIMA) of the University of Aveiro, through the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT), co-financed by the European Community fund FEDER.
We establish the basis of a discrete function theory starting with a Fischer decomposition for difference Dirac operators. Discrete versions of homogeneous polynomials, Euler and Gamma operators are obtained. As a consequence we obtain a Fischer decomposition for the discrete Laplacian. For the sake of simplicity we consider in the first part only Dirac operators which contain only forward or backward finite differences. Of course, these Dirac operators do not factorize the classic discrete Laplacian. Therefore, we will consider a different definition of a difference Dirac operator in the quaternionic case which do factorizes the discrete Laplacian.
LIFETIME-ORIENTED OPTIMIZATION OF BRIDGE TIE RODS EXPOSED TO VORTEX-INDUCED ACROSS-WIND VIBRATIONS
(2006)
In recent years, damages in welded connections plates of vertical tie rods of several arched steel bridges have been reported. These damages are due to fatigue caused by wind-induced vibrations. In the present study, such phenomena are examined, and the corresponding lifetime of a reference bridge in Münster-Hiltrup, Germany, is estimated, based on the actual shape of the connection plate. Also, the results obtained are compared to the expected lifetime of a connection plate, whose geometry has been optimized separately. The structural optimization, focussing on the shape of the cut at the hanger ends, has been carried out using evolution strategies. The oscillation amplitudes have been computed by means of the Newmark-Wilson time-step method, using an appropriate load model, which has been validated by on-site experiments on the selected reference bridge. Corresponding stress-amplitudes are evaluated by multiplying the oscillation amplitudes with a stress concentration factor. This factor has been computed on the basis of a finite element model of the system "hanger-welding-connection plate", applying solid elements, according to the notch stress approach. The damage estimation takes into account the stochastics of the exciting wind process, as well as the stochastics of the material parameters (fatigue strength) given in terms of Woehler-curves. The shape optimization results in a substantial increase of the estimated hanger lifetime. The comparison of the lifetimes of the bulk plate and of the welding revealed that, in the optimized structure, the welding, being the most sensitive part in the original structure, shows much more resistance against potential damages than the bulk material.
The mathematical and technical foundations of optimization have been developed to a large extent. In the design of buildings, however, optimization is rarely applied because of insufficient adaptation of this method to the needs of building design. The use of design optimization requires the consideration of all relevant objectives in an interactive and multidisciplinary process. Disciplines such as structural, light, and thermal engineering, architecture, and economics impose various objectives on the design. A good solution calls for a compromise between these often contradictory objectives. This presentation outlines a method for the application of Multidisciplinary Design Optimization (MDO) as a tool for the designing of buildings. An optimization model is established considering the fact that in building design the non-numerical aspects are of major importance than in other engineering disciplines. A component-based decomposition enables the designer to manage the non-numerical aspects in an interactive design optimization process. A façade example demonstrates a way how the different disciplines interact and how the components integrate the disciplines in one optimization model. In this grid-based façade example, the materials switch between a discrete number of materials and construction types. For light and thermal engineering, architecture, and economics, analysis functions calculate the performance; utility functions serve as an important means for the evaluation since not every increase or decrease of a physical value improves the design. For experimental purposes, a genetic algorithm applied to the exemplary model demonstrates the use of optimization in this design case. A component-based representation first serves to manage non-numerical characteristics such as aesthetics. Furthermore, it complies with usual fabrication methods in building design and with object-oriented data handling in CAD. Therefore, components provide an important basis for an interactive MDO process in building design.
We propose a new approach to the numerical solution of quasi-static elastic-plastic problems based on the Moreau-Yosida theorem. After the time discretization, the problem is expressed as an energy minimization problem for unknown displacement and plastic strain fields. The dependency of the minimization functional on the displacement is smooth whereas the dependency on the plastic strain is non-smooth. Besides, there exists an explicit formula, how to calculate the plastic strain from a given displacement field. This allows us to reformulate the original problem as a minimization problem in the displacement only. Using the Moreau-Yosida theorem from the convex analysis, the minimization functional in the displacements turns out to be Frechet-differentiable, although the hidden dependency on the plastic strain is non-differentiable. The seconds derivative exists everywhere apart from the elastic-plastic interface dividing elastic and plastic zones of the continuum. This motivates to implement a Newton-like method, which converges super-linearly as can be observed in our numerical experiments.
RESEARCH OF DEFORMATION OF MULTILAYERED PLATES ON UNDEFORMABLE BASIS BY UNFLEXURAL SPECIFIED MODEL
(2006)
Stress-strain state (SSS) of multilayered plates on undeformable foundation is investigated. The settlement circuit of transverse loaded plate is formed by symmetrical attaching of a plate concerning a surface of contact to the foundation. The plate of the double thickness becomes bilateral symmetrically loaded concerning its median surface. It allows to model only unflexural deformation that reduces amount of unknown and the general order of differentiation of resolving system of the equations. The developed refined continual model takes into account deformations of transverse shear and transverse compression in high iterative approximation. Rigid contact between the foundation and a plate, and also shear without friction on a surface of contact of a plate with the foundation is considered. Calculations confirm efficiency of such approach, allowing to receive decisions which is qualitative and quantitatively close to three-dimensional solutions.
Ausgehend von den fundierten Erfahrungen, die für das Schweißen von verschiedensten Metallen vorliegen, wird an der Professur Stahlbau der Bauhaus-Universität Weimar ein neuartiges Verfahren zum CO2-Laserstrahlschweißen von Quarzglas numerisch untersucht. Dabei kommt die kommerzielle FE-Software SYSWELD® zum Einsatz. Die erforderlichen Versuche werden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH aus Jena realisiert. Die numerische Analyse wird eingesetzt, um geeignete Prozessparameter zu bestimmen und deren Auswirkungen auf die transienten thermischen und mechanischen Vorgänge, die während des Schweißvorgangs ablaufen abzubilden. Um die aus der Simulation erhaltenen Aussagen zu überprüfen, ist es erforderlich, das Berechnungsmodell mittels Daten aus Versuchsschweißungen zu kalibrieren. Dabei sind die verwendeten Materialmodelle sowie die der Simulation zugrunde gelegten Materialkennwerte zu validieren. Es stehen verschiedene rheologische Berechnungsmodelle zur Auswahl, die die viskosen Materialeigenschaften des Glases abbilden. Dabei werden die drei mechanischen Grundelemente, die HOOKEsche Feder, der NEWTONsche Dämpfungszylinder und das ST.-VENANT-Element miteinander kombiniert. Die Möglichkeit, thermische und mechanische Vorgänge innerhalb des Glases während des Schweißvorgangs und nach vollständiger Abkühlung, vorhersagen zu können, gestattet es den Schweißvorgang über eine Optimierung der Verfahrensparameter gezielt dahingehend zu beeinflussen, die Wirtschaftlichkeit des Schweißverfahrens zu verbessern, und ein zuverlässiges Schweißergebnis zu erhalten. Dabei können auch nur unter hohem experimentellen Aufwand durchführbare Versuche simuliert werden, um eine Vorhersage zu treffen, ob es zweckmäßig ist, den Versuch auch in der Praxis zu fahren. Dies führt zu einer Reduzierung des experimentellen Aufwandes und damit zu einer Verkürzung des Entwicklungszeitraumes für das angestrebte Verfahren.
Solid behavior as well as liquid behavior characterizes the flow of granular material in silos. The presented model is based on an appropriate interaction of a displacement field and a velocity field. The constitutive equations and the applied algorithm are developed from the exact solution for a standard case. The standard case evolves from a very tall vertical plane strain silo containing material that flows at a constant speed. No horizontal displacements and velocities take place. No changes regarding the field values arise in the vertical direction and in time. Tension is not allowed at any point. Coulomb friction represents the effects of the vertical walls. The interaction between the flowing material and the walls is covered by a forced boundary condition resulting in an additional matrix for the solid component as well as for the liquid component. The resulting integral equations are designed to be solved directly. Three coefficients describe the properties of the granular material. They govern elastic solid behavior in combination with viscous liquid behavior.
Der Entwurf einfacher Konstruktionen stellt für den Tragwerksplaner zumeist eine Routineaufgabe dar. Üblicherweise werden Statik, Zeichnungen sowie Elementelisten separat voneinander erstellt. Das Programmsystem ICAD bietet die Möglichkeit, diese Arbeiten in einer Bearbeitungsstufe durchzuführen. Die Programmierung der Bemessung, Darstellung und Auswertung von Bauteilen wird mit dem Editor Emacs vorgenommen, die grafische Umsetzung des compilierten Quelltextes erfolgt im ICAD-Browser. Innerhalb dieser Benutzeroberfläche steht eine Reihe von Werkzeugen für die Eingabe und Visualisierung von Daten zur Verfügung. Betrachtet man die zu bearbeitenden Bauteile und Anschlüsse als bekannte Konstruktionen des Ingenieurholzbaus, für die es eine festgelegte Anzahl von Abmessungen und Kennwerten gibt, so läßt sich jede dieser Konstruktionen als eigenständiger Modul programmieren. Der Tragwerksplaner ist somit in der Lage, aus einem Katalog an Bauteilen und Anschlüssen die Gesamtkonstruktion zusammenzustellen. Allgemeingültige Kennwerte, Berechnungsverfahren und häufig verwendete Unterprogramme stehen modular als Wissensbasis zur Verfügung und werden von den einzelnen Tragelementen bedarfsgerecht eingebunden. Eine weitere Möglichkeit der wissensbasierten Tragwerksplanung stellt die sogenannte Multi-Criteria-Analyse dar. Bei diesem Verfahren nimmt das Programm selbständig eine Entscheidungsfindung für eine oder mehrere günstige Konstruktionslösungen vor. Dazu sind lediglich Wichtungen verschiedener Randbedingungen durch den Anwender erforderlich.
Adopting the European laws concerning environmental protection will require sustained efforts of the authorities and communities from Romania; implementing modern solutions will become a fast and effective option for the improvement of the functioning systems, in order to prevent disasters. As a part of the urban infrastructure, the drainage networks of pluvial and residual waters are included in the plan of promoting the systems which protect the environmental quality, with the purpose of integrated and adaptive management. The paper presents a distributed control system for sewer network of Iasi town. Unsatisfactory technical state of the actual sewer system is exposed, focusing on objectives related to implementation of the control system. The proposed distributed control system of Iasi drainage network is based on the implementation of the hierarchic control theory for diagnose, sewer planning and management. There are proposed two control levels: coordinating and local execution. Configuration of the distributed control system, including data acquisition and conversion equipment, interface characteristics, local data bus, data communication network, station configuration are widely described. The project wish to be an useful instrument for the local authorities in the preventing and reducing the impact of future natural disasters over the urban areas by means of modern technologies.
Der Fokus des Projektes liegt auf einer besseren Unterstützung der kooperativen Aspekte im Bauwerksentwurf und der Anwendung von ComponentWare-Techniken in der Architektur des Entwurfssystems. Es muß festgestellt werden, daß die Kooperation der Beteiligten im Entwurfsprozeß von Bauwerken durch die heute praktizierten Datenaustauschverfahren nicht oder nur unbefriedigend unterstützt wird und das keine Lösung dieses Problems durch die Weiterentwicklung von filebasierten Datenaustauschformaten zu erwarten ist. Im Rahmen des Projektes wird mit einer CORBA-Umgebung für Smalltalk-80 ein verteilbares Objektsystem realisiert. Als Architektur des Systems wurde eine hybride Herangehensweise gewählt, bei der allgemeine Informationen auf einem zentralen Server verwaltet werden und die eigentlichen Projektinformationen bei Bedarf repliziert werden. Wie allgemein in GroupWare - orientierten Systemen notwendig, müssen effektive Mechanismen der Nebenläufigkeitskontrolle und zur Sperrung bestimmter Modellbereiche realisiert werden. Wichtig ist für kooperative Entwurfssysteme die Systemunterstützung der Beseitigung der Folgen von kollidierenden Entwurfsintensionen durch die Bearbeiter. Dazu werden unter anderem Remote-Pointer-Mechanismen realisiert. In Abhängigkeit von der Rolle eines Bearbeiters werden diesem Sichten auf des Objektmodell (Partialmodelle) zugeordnet. Es werden Mechanismen zur Autorisierung des Zugriffs auf Partialmodelle implementiert, zu diesem Zweck erfolgt eine Nutzerauthentifizierung. Beziehungen zwischen Partialmodellen werden durch eine spezielle Relation im Objektsystem abgebildet. Die Konzeption des Objektsystems lehnt sich an die PREPLAN-Philosophie an. Das impliziert die Unterstützung von Entwurfshandlungen sowohl in Bottom-Up- als auch in Top-Down - Richtung. Benutzer können das Objektsystem um eigene Klassen erweitern bzw. existierende Klassen modifizieren und Attribute mit Defaultwerten belegen, um das System inkrementell mit Domänenwissen anreichern zu können. Von großer Bedeutung für kooperative Entwurfssysteme sind eine Versionsverwaltung und die Bereitstellung von Undo - und Redo - Mechanismen. Es ist möglich, multimediale Daten im Objektmodell abzulegen und diese in Abhängigkeit von ihrem Format wiederzugeben bzw. zu bearbeiten. Das beschriebene System befindet sich derzeit in der Implementierung.
Entwurfsprozesse im Bauwesen sind hochgradig kooperative Prozesse mit alternierenden Phasen asynchroner und synchroner Teamarbeit. Die Informationen über den aktuellen Entwurfsgegenstand können als Objektstrukturen modelliert werden, die in entsprechenden Modellverwaltungssystemen gespeichert werden. Bei der Realisierung von kooperativ nutzbaren Umgebungen für den Bauwerksentwurf sind jedoch bei der Auswahl von Basistechniken spezifische Anforderungen von CSCW-Applikationen zu beachten, die bestimmte traditionelle Verfahren nicht erfüllen. Neben verschiedenen Auswirkungen auf das Interaktionsverhalten der Entwurfsumgebung spielt die cooperation awareness der eingesetzten Mechanismen eine bedeutende Rolle. Mechanismen zur Zugriffskontrolle sind in netzwerkbasierten Mehrbenutzerumgebungen essentiell, jedoch sind herkömmliche Verfahren zu unflexibel und nicht hinreichend ausdrucksstark. Eine adaptierte und erweiterte Variante des Matrixverfahrens ist für die Anwendung in Modellverwaltungssystemen geeignet. Ebenso muss bei der Auswahl von Mechanismen zur Nebenläufigkeitskontrolle Augenmerk auf dessen Eignung in Groupware-Systemen gelegt werden. Bei der Unterstützung asynchroner Kooperation können Lock-Verfahren auf die Informationen in Modellverwaltungssystemen angewandt werden. Für die Applikationen für synchrone Teamarbeit müssen derartige Mechanismen auf die gemeinsamen Informationsbestände sowie auf Systemressourcen der Entwurfsumgebung angewendet werden. Hierfür sind floor-passing'-Verfahren geeignet; die Anwendbarkeit von Transformationsverfahren sollte für die konkret umzusetzende Applikation geprüft werden.
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.
Usually, the co-ordination of design and planning tasks of a project in the construction industries is done in a paper based way. Subsequent modifications have to be handled manually. The effects of modifications cannot be determined automatically. The approach to specify a complete process model before project start does not consider the requirements of the construction industries. The effort of specification at the beginning and during the process (modifications) does not justify the use of standard process model techniques. A new approach is presented in the according paper. A complete process model is deducted on the basis of a core. The core consists of process elements and specific relations between them. Modifications need to be specified in the core only. The effort of specification is therefore reduced. The deduction of the complete process is based on the graph theory. Algorithms of the graph theory are also used to determine the effects of modifications during project work.
DECENTRALIZED APPROACHES TO ADAPTIVE TRAFFIC CONTROL AND AN EXTENDED LEVEL OF SERVICE CONCEPT
(2006)
Traffic systems are highly complex multi-component systems suffering from instabilities and non-linear dynamics, including chaos. This is caused by the non-linearity of interactions, delays, and fluctuations, which can trigger phenomena such as stop-and-go waves, noise-induced breakdowns, or slower-is-faster effects. The recently upcoming information and communication technologies (ICT) promise new solutions leading from the classical, centralized control to decentralized approaches in the sense of collective (swarm) intelligence and ad hoc networks. An interesting application field is adaptive, self-organized traffic control in urban road networks. We present control principles that allow one to reach a self-organized synchronization of traffic lights. Furthermore, vehicles will become automatic traffic state detection, data management, and communication centers when forming ad hoc networks through inter-vehicle communication (IVC). We discuss the mechanisms and the efficiency of message propagation on freeways by short-range communication. Our main focus is on future adaptive cruise control systems (ACC), which will not only increase the comfort and safety of car passengers, but also enhance the stability of traffic flows and the capacity of the road (“traffic assistance”). We present an automated driving strategy that adapts the operation mode of an ACC system to the autonomously detected, local traffic situation. The impact on the traffic dynamics is investigated by means of a multi-lane microscopic traffic simulation. The simulation scenarios illustrate the efficiency of the proposed driving strategy. Already an ACC equipment level of 10% improves the traffic flow quality and reduces the travel times for the drivers drastically due to delaying or preventing a breakdown of the traffic flow. For the evaluation of the resulting traffic quality, we have recently developed an extended level of service concept (ELOS). We demonstrate our concept on the basis of travel times as the most important variable for a user-oriented quality of service.
The concrete is modeled as a material with damage and plasticity, whereat the viscoplastic and the viscoelastic behaviour depends on the rate of the total strains. Due to the damage behaviour the compliance tensor develops different properties in tension and compression. There have been tested various yield surfaces and flow rules, damage rules respectively to their usability in a concrete model. One three-dimensional yield surface was developed from a failure surface based on the Willam--Warnke five-parameter model by the author. Only one general uni-axial stress-strain-relation is used for the numeric control of the yield surface. From that curve all necessary parameters for different strengths of concrete and different strain rates can be derived by affine transformations. For the flow rule in the compression zone a non associated inelastic potential is used, in the tension zone a Rankine potential. Conditional on the time-dependent formulation, the symmetry of the system equations is maintained in spite of the usage of non-associated potentials for the derivation of the inelastic strains. In case of quasi statical computations a simple viscoplastic law is used that is rested on an approach to Perzyna. The principle of equality of dissipation power in the uni-axial and the three-axial state of stress is used. It is modified by a factor that depends on the actual stress ratio and in comparison with the Kupfer experiments it implicates strains that are more realistic. The implementation of the concrete model is conducted in a mixed hybrid finite element. Examples in the structural level are introduced for verification of the concrete model.