600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
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Der anthropogene Klimawandel erfordert drastische Maßnahmen zur Reduzierung von Treib-hausgasemissionen, insbesondere im Verkehrssektor. Alternative Antriebe wie batterieelektri-sche Fahrzeuge sind vielversprechend, auch für den Rettungsdienst, der derzeit überwiegend Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren nutzt. Ein Hindernis für die Einführung von batterie-elektrischen Rettungswagen ist die begrenzte Reichweite. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methodik zur Ermittlung, ob und welche konventionell betriebenen Rettungswagen unter welchen ladeinfrastrukturellen Voraussetzungen durch batterieelektrische Rettungswagen er-setzt werden können. Konkret wird untersucht, welche der neun im Ilm-Kreis stationierten Ret-tungswagen durch das Modell „WAS 500 E-Ambulanz“ ersetzt werden können und welche Ladeinfrastruktur dafür notwendig ist.
Die Analyse basiert auf Einsatzfahrtdaten der Rettungswagen im Ilm-Kreis aus dem Jahr 2022. Fehlende Daten wurden durch Imputation ergänzt. Die Methodik umfasst die Entwicklung ma-thematisch-physikalischer Modelle zur Simulation des Ladezustands der batterieelektrischen Rettungswagen unter den zwei Szenarien: „Ladeinfrastruktur nur an Rettungswachen“ und „Ladeinfrastruktur an Rettungswachen und Krankenhäusern“. Herausforderungen bestehen in den Datenlücken und der Qualität der vorhandenen Daten. Die Modellierung weist Einschrän-kungen aufgrund der Datenqualität und Vereinfachungen realer Bedingungen auf. Eine Mo-dellvalidierung war nur grundlegend möglich. Die Methodik kann auf andere Untersuchungs-gebiete übertragen werden, sofern die Parameter angepasst werden und eine ausreichende Datenqualität gewährleistet ist. Zielgruppe sind Entscheidungsträger im Rettungsdienst und bei der Fahrzeugbeschaffung.
Die Simulation zeigt, dass keiner der Rettungswagen im Ilm-Kreis einschränkungslos ersetzt werden kann. Hauptursachen sind aufeinanderfolgende Einsatzfahrten ohne ausreichende Zwischenladung und Einsätze mit Gesamtverbräuchen über der maximalen Batteriekapazität. Im Szenario „Ladeinfrastruktur nur an Rettungswachen“ liegt die Ausfallrate zwischen 1,71 % und 4,9 %, während sie im Szenario „Ladeinfrastruktur an Rettungswachen und Krankenhäu-sern“ auf 0,14 % bis 0,91 % sinkt. Unter der Voraussetzung der Einhaltung bestimmter Ein-schränkungen ist es möglich, im Rahmen des Szenarios „Ladeinfrastruktur an Rettungswa-chen und Krankenhäusern“ vier Rettungswagen durch batterieelektrische Rettungswagen zu ersetzen. Die Einschränkungen umfassen eine Anpassung der Dispositionsstrategie sowie die fortlaufende Vorhaltung konventioneller Rettungswagen an anderen Standorten. Weitere For-schung ist notwendig, um die Modellgenauigkeit zu verbessern und die genauen Auswirkun-gen angepasster Dispositionsstrategien zu untersuchen. Zukünftige Praxistests und Wirt-schaftlichkeitsanalysen sind erforderlich, um die umfassende Eignung von batterieelektrischen Rettungswagen sicherzustellen.
Problemstellung: Mit Stand Dezember 2021 wurden in Nordrhein-Westfalen rund 235.000 Menschen durch ambulante Pflegedienste versorgt. Gleichzeitig haben die vergangenen Jahre gezeigt, wie anfällig Pflegedienste gegenüber Schadensereignissen sind. Beispiele hierfür sind die Starkregenereignisse im Juli 2021, die COVID-19 Pandemie und das Winterhochwasser 2023, welche teils zum Totalausfall von Pflegediensten führten.
Zielsetzung: Ziel dieser Thesis war es zu prüfen, inwieweit die Resilienz von ambulanten Pflegediensten durch die Nutzung von Risikoanalysen gestärkt werden kann und wie sich dies in den Arbeitsalltag integrieren lässt. Weitergehend sollte daher ermittelt werden, welche Komponenten in der ambulanten Pflege als besonders kritisch zu bewerten sind. Die Frage, ob ambulante Pflege als Kritische Infrastruktur (KRITIS) zu bewerten sei, wurde basierend auf geltendem Recht analysiert. Der Betrachtungsraum wurde dabei auf die ambulanten Pflegedienste des Arbeiter-Samariter-Bundes in Nordrhein-Westfalen eingegrenzt.
Stand der Wissenschaft: Die ambulanten Pflege ist geprägt von einer hohen Arbeitsbelastung, Personalmangel und Zeitdruck bei einer gleichzeitig hohen Verantwortung. Die Leistungen werden zwischen Grundpflege (SGB XI) und Behandlungspflege (SGB V) unterschieden. Die Versorgung der Kund*innen erfolgt meist in eng getakteten Touren, bei denen ausschließlich die vorgesehenen Maßnahmen durchgeführt wird, jedoch keine Flexibilität besteht. Als relevante Forschungsprojekte in der ambulanten Pflege können AUPIK und KOPHIS angesehen werden.
Methodik: Für die Beantwortung der Forschungsfragen wurde ein mixed-methods Ansatz gewählt, welcher aus einer quantitativen Umfrage, einer Bestimmung der Kritikalität mittels mathematischer Formel und der qualitativen Umsetzung einer exemplarischen Risikoanalyse bestand. Dabei lag der Schwerpunkt auf der Anwendung der Methodik. Für die Umfrage wurden insgesamt 32 Pflegestationen des Arbeiter-Samariter-Bundes in Nordrhein-Westfalen befragt, wie sie die Auswirkungen des Ausfalles von insgesamt sieben vorgegebenen Prozessen und Anlagen bewerten. Die Ergebnisse wurden statistisch ausgewertet und die Daten in einer Formel modelliert und priorisiert. Die quantitativen Daten bildeten das Fundament für eine qualitative Durchführung der Risikoanalyse, welche anhand einer Literaturanalyse durchgeführt wurde. Die Literaturanalyse wurde anhand der Preferred reporting items for systematic reviews and meta-analyses (PRISMA) und der Erweiterung PRISMA-S durchgeführt.
Ergebnisse: Anhand der Literatur wurden zunächst strategische Schutzziele definiert, auf denen die Risikoanalyse aufbaute. Anschließend wurden die Ergebnisse der Umfrage betrachtet. Die Antwortrate der Umfrage lag bei 34,38 %. Der Ausfall der Prozesse und Anlagen wurden hinsichtlich der Schwere und des Umfangs, als auch ihrer Ersetzbarkeit bewertet. Nach erfolgter mathematischer Priorisierung konnten folgende Kritikalitäten berechnet werden: Ausfall des Zugangs zu den Kund*innen und Ausfall der Pflegestation mit einer Kritikalität >7,5 (von 10) nach 4 Stunden; Dokumentation, Medikation, Kraftstoffversorgung und Ausfall des Fuhrparks lagen nach 4 Stunden bei einer Kritikalität von <2,5.
Der Ausfall eines Großteils des Personals lag bei einer Kritikalität von 2,6 (4h). Die Kritikalität entwickelte sich in Abhängigkeit der Zeit und zeigte ab 24 Stunden eine deutliche Eskalation.
Für die weitere Betrachtung wurde von einem Überflutungsszenario nach Starkregen ausgegangen, wobei Intensität, Ausmaß und Sekundäreffekte berücksichtigt wurden. Die Verwundbarkeit resultierte dabei aus der Kritikalität in Kombination mit den zu erwarten-den Beeinträchtigungen. Das Risiko konnte nicht abschließend bestimmt werden, da Parameter wie die Exposition nicht konkret benannt werden konnten. Es erfolgte daher eine Abschätzung. Die Visualisierung des zu erwartenden Risikos wurde in einer Risikomatrix umgesetzt. Abschließend wurde beispielhaft anhand der ermittelten Daten das operationalisierte Schutzziel für Leben und Gesundheit formuliert. Es wurde außerdem festgestellt, dass das KRITIS-Dachgesetz wahrscheinlich keine Anwendung in der ambulanten Pflege finden wird. Die NIS-2-Richtlinie jedoch schon.
Diskussion: Der verwendete mixed-methods-Ansatz hat sich in seiner Anwendung bewährt und überzeugte durch die hohe Flexibilität bei gleichzeitig festem Rahmen. Aufgrund des Umfangs konnten jedoch nicht alle Bereiche ausreichend detailliert analysiert werden, sodass eine lokale Vertiefung in einzelne Bereiche stattfinden sollte. So ist es erforderlich, die erhobenen Daten aus der Umfrage durch Expert*innen-Interviews zu überprüfen und zu validieren. Auch im Bereich der Quantifizierung zeigte sich die Me-thodik zwar als wirksam, jedoch nicht ausreichend trennscharf. Inhaltlich muss zukünftig der qualitative Teil der Risikoanalyse mehr in den Fokus genommen werden – u.a. durch eine engere Eingrenzung des Betrachtungsraumes auf eine einzelne Pflegestation. Denkbar ist auch ein semi-quantitativer Ansatz zur Bestimmung des Risikos. Auch die Betrachtung von mehreren Szenarien und deren Vergleich ist für zukünftige Risikoanaly-sen zielführend und bietet einen Mehrwert hinsichtlich der Datenqualität.
Schlussfolgerungen: Schlussendlich konnten zehn Aspekte aus den Ergebnissen der Thesis herausgefiltert werden, welche die Steigerung der Resilienz in der ambulanten Pflege in Zukunft unterstützen können. (1) Die Anwendbarkeit des Leitfadens zur Risikoanalyse des BMI, 2011 hat sich bewährt und kann kontinuierlich mit verschiedenen Methoden kombiniert werden. (2) Als kritischste Komponenten der ambulanten Pflege konnten der Zugang zum/zur Kund*in und die eigene Pflegestation identifiziert werden. Kraftstoffversorgung und Dokumentation fielen hingegen deutlich weniger kritisch aus. (3) Resilienz muss als gesamtverbandliche Aufgabe gesehen werden und darf sich nicht nur auf die ambulante Pflege beschränken. Es gilt, Ressourcen effizient zu nutzen. (4) Es müssen gemeinsame Redundanzen und Netzwerke geschaffen werden, Synergieeffekte sollten genutzt werden. (5) Pflegedienste und Kund*innen müssen sich zukünftig auf Schadensereignisse besser vorbereiten. (6) Ambulante Pflege wird sich zukünftig mit Cybersicherheit beschäftigen müssen. Eine Einstufung als KRITIS ist jedoch unwahrscheinlich (7) Die Zusammenarbeit zwischen Pflegediensten und Behörden muss gestärkt werden, um voneinander profitieren zu können. (8) Die angewendete Methodik hat sich bewährt, muss jedoch insbesondere im quantitativen Bereich weiter ausgearbeitet werden. (9) Betrachtungsraum und einzelne Abschnitte müssen jedoch an lokale Gegebenheiten angepasst werden, um ihre volle Wirkung zu erzielen. (10) Es besteht ein weiterer Forschungsbedarf hinsichtlich mathematischer Modellierung und der Berücksichtigung von Kaskaden, Korrelationen und Interdependenzen.
Vertical indoor farming (VIF) with hydroponics offers a promising perspective for sustainable food production. Intelligent control of VIF system components plays a key role in reducing operating costs and increasing crop yields. Modern machine vision (MV) systems use deep learning (DL) in combination with camera systems for various tasks in agriculture, such as disease and nutrient deficiency detection, and flower and fruit identification and classification for pollination and harvesting. This study presents the applicability of MV technology with DL modelling to detect the growth stages of chilli plants using YOLOv8 networks. The influence of different bird’s-eye view and side view datasets and different YOLOv8 architectures was analysed. To generate the image data for training and testing the YOLO models, chilli plants were grown in a hydroponic environment and imaged throughout their life cycle using four camera systems. The growth stages were divided into growing, flowering, and fruiting classes. All the trained YOLOv8 models showed reliable identification of growth stages with high accuracy. The results indicate that models trained with data from both views show better generalisation. YOLO’s middle architecture achieved the best performance.
Purpose: To evaluate the differences between two extended depth-of-focus intraocular lenses, the Alcon IQ Vivity and the Bausch & Lomb LuxSmart and to compare them with a simple monofocal lens, the Alcon IQ, using a simulation-based approach.
Methods: A mathematical lens model was created for each lens type based on a measured surface geometry. The lens model was then used in a raytracer to calculate a refractive power map of the lens and a ray propagation image for the focal zone.
Results: The simulations confirm the enhanced depth of focus of these two lenses. There are apparent differences between the models. For the Vivity, more light is directed into the far focus in low light conditions, whereas the LuxSmart behaves more pupil independent and prioritizes intermediate vision.
Conclusions: The simulation-based approach was effective in evaluating and comparing the design aspects of these lenses. It can be positioned as a valuable third tool for lens characterization, complementing in vivo studies and in vitro measurements.
Translational Relevance: With this approach not only focusing on the resulting optical performance, but the underlying functional mechanisms, it paves the way forward for a better adaptation to the individual needs and preferences of patients.
Räumliche Expositionsanalyse von Denkmälern gegenüber Hochwassergefahren am Beispiel der Stadt Köln
(2024)
Der Schutz von Kulturgütern ist für die Bewahrung der kulturellen Identität einer Bevölkerung zu jeder Zeit unerlässlich. Auch während oder nach einer Krise infolge einer Naturgefahr ist der Kulturgutschutz somit als ein essentieller Teil der Katastrophenbewältigung anzusehen. Die vorliegende Arbeit untersucht im Rahmen einer Geoinformationssystem (GIS)-Analyse die Exposition von Denkmälern gegenüber Hochwassergefahren am Beispiel der Stadt Köln, Deutschland. Dabei werden drei potenzielle Hochwasserszenarien mit unterschiedlichen Widerkehrwahrscheinlichkeiten angenommen: HQ10-50, HQ100 und HQ500 Hochwasserereignisse. Die Art der untersuchten Denkmäler wird auf bauliche, nicht bewohn- oder begehbare Denkmäler eingegrenzt. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass im extremsten Szenario rund ein Drittel der untersuchten Denkmäler von der Hochwassergefahr betroffen sind und dabei vereinzelt bis zu 6m tief überflutet werden. Durch die gewichtete Überlagerung von Daten zur Bevölkerungsdichte und georeferenzierten Fotos der Social-Media Plattform Flickr kann die lokale Relevanz der Denkmäler in Köln als relativer Wert angegeben werden. Eine anschließende Priorisierung der Denkmäler basierend auf dem ermittelten Relevanzwert und der jeweiligen Überflutungstiefe verdeutlicht, dass auch eine Vielzahl an Denkmälern abseits der Kölner Innenstadt eine detaillierte Verwundbarkeitsanalyse in Bezug auf Hochwassergefahren und zu erwartende Schäden bedürfen. Die Erkenntnisse dieser Arbeit können sowohl für die Denkmalschutzbeauftragten der Stadt Köln, als auch für die lokalen Gefahrenabwehrbehörden von Interesse sein.
The focus of this paper was Jouguet detonation in an ideal gas flow in a magnetic field. A modified Hugoniot detonation equation has been obtained, taking into account the influence of the magnetic field on the detonation process and the parameters of the detonation wave. It was shown that, under the influence of a magnetic field, combustion products move away from the detonation front at supersonic speed. As the magnetic field strength increases, the speed of the detonation products also increases. A dependence has been obtained that allows us to evaluate the influence of heat release on detonation parameters.
After 50 years, there is still an ongoing debate about the Limits to Growth (LtG) study. This paper recalibrates the 2005 World3‐03 model. The input parameters are changed to better match empirical data on world development. An iterative method is used to compute and optimize different parameter sets. This improved parameter set results in a World3 simulation that shows the same overshoot and collapse mode in the coming decade as the original business as usual scenario of the LtG standard run. The main effect of the recalibration update is to raise the peaks of most variables and move them a few years into the future. The parameters with the largest relative changes are those related to industrial capital lifetime, pollution transmission delay, and urban‐industrial land development time.
Water serves for the production of pharmaceutical ingredients, intermediates and final products. Accordingly, the quality requirements are particularly high. Next to quality, sustainability of the production and climate change mitigation will play an increasingly important role. For instance, in 2015, the total global emissions of the pharma sector was significantly higher than the CO<sub>2</sub> emissions generated by the automotive sector. Thus, efforts must be made at all stages of production of pharmaceuticals to reduce the environmental impact.
Solving problems of detonation control is associated with obtaining detailed information about the gas dynamics accompanying the detonation process. This paper focuses on the dynamics of real gas flow through a plane detonation wave. The influence of real gas parameters on the Chapman–Jouguet detonation process has been studied. The process is described using the Rankine–Hugoniot system of equations. To model the thermodynamic properties of a real gas, the van der Waals equation of state is used. Equations are obtained to determine the ratio of speeds and pressures during the passage of a wave. The influence of van der Waals parameters on changes in the parameters of the detonation process was elucidated. An increase in parameter A slows down the increase in pressure in the detonation wave, and an increase in parameter B enhances it. Differences in the speed of combustion products for ideal and real gases are shown. For an ideal gas, combustion products flow from the detonation front at a critical (sonic) speed. For a van der Waals gas, the speed of combustion products may be greater than the critical one. Moreover, both factors, additional pressure (A) and additional volume (B), lead to acceleration of combustion products. Effects of heat release on the process parameters were elucidated.
Hydrological extremes, such as droughts and floods, can trigger a complex web of compound and cascading impacts (CCI) due to interdependencies between coupled natural and social systems. However, current decision‐making processes typically only consider one impact and disaster event at a time, ignoring causal chains, feedback loops, and conditional dependencies between impacts. Analyses capturing these complex patterns across space and time are thus needed to inform effective adaptation planning. This perspective paper aims to bridge this critical gap by presenting methods for assessing the dynamics of the multi‐sector CCI of hydrological extremes. We discuss existing challenges, good practices, and potential ways forward. Rather than pursuing a single methodological approach, we advocate for methodological pluralism. We see complementary or even convergent roles for analyses based on quantitative (e.g., data‐mining, systems modeling) and qualitative methods (e.g., mental models, qualitative storylines). The data‐driven and knowledge‐driven methods provided here can serve as a useful starting point for understanding the dynamics of both high‐frequency CCI and low‐likelihood but high‐impact CCI. With this perspective, we hope to foster research on CCI to improve the development of adaptation strategies for reducing the risk of hydrological extremes.