Generic system architecture for context-aware, distributed recommendation

In the existing literature on recommender systems, it is difficult to find an architecture for large-scale implementation. Often, the architectures proposed in papers are specific to an algorithm implementation or a domain. Thus, there is no clear architectural starting point for a new recommender system. This paper presents an architecture blueprint for a context-aware recommender system that provides scalability, availability, and security for its users. The architecture also contributes the dynamic ability to switch between single-device (offline), client-server (online), and fully distributed implementations. From this blueprint, a new recommender system could be built with minimal design and implementation effort regardless of the application.Electrical and Computer Engineerin

MyPyPSA-Ger: Introducing CO2 taxes on a multi-regional myopic roadmap of the German electricity system towards achieving the 1.5 ◦C target by 2050

This paper will introduce the open-source model MyPyPSA-Ger, a myopic optimization model developed to represent the German energy system with a detailed mapping of the electricity sector, on a highly disaggregated level, spatially and temporally, with regional differences and investment limitations. Furthermore, this paper will give new outlooks on the German federal government 2050 emissions goals of the electricity sector to become greenhouse gas neutral by proposing new CO2 allowance strategies. Moreover, the regional differences in Germany will be discussed, their role and impact on the energy transition, and which regions and states will drive the renewable energy utilization forward. Following a scenario-based analysis, the results point out the major keystones of the energy transition path from 2020 to 2050. Solar, onshore wind, and gas-fired power plants will play a fundamental role in the future electricity systems. Biomass, run of river, and offshore wind technologies will be utilized in the system as base-load generation technologies. Solar and onshore wind will be installed almost everywhere in Germany. However, due to the nature of Germany’s weather and geographical features, the southern and northern regions will play a more important role in the energy transition. Higher CO2 allowance costs will help achieve the 1.5-degree-target of the electricity system and will allow for a rapid transition. Moreover, the more expensive, and the earlier the CO2 tax is applied to the system, the less it will cost for the energy transition, and the more emissions will be saved throughout the transition period. An earlier phase-out of coal power plants is not necessary with high CO2 taxes, due to the change in power plant’s unit commitment, as they prioritize gas before coal power plants. Having moderate to low CO2 allowance cost or no clear transition policy will be more expensive and the CO2 budget will be exceeded. Nonetheless, even with no policy, renewables still dominate the energy mix of the future. However, maintaining the maximum historical installation rates of both national and regional levels, with the current emissions reduction strategy, will not be enough to reach the level of climate-neutral electricity system. Therefore, national and regional installation requirements to achieve the federal government emission reduction goals are determined. Energy strategies and decision makers will have to resolve great challenges in order to stay in line with the 1.5-degree-target

The strong effect of network resolution on electricity system models with high shares of wind and solar

Energy system modellers typically choose a low spatial resolution for their models based on administrative boundaries such as countries, which eases data collection and reduces computation times. However, a low spatial resolution can lead to sub-optimal investment decisions for wind and solar generation. Ignoring power grid bottlenecks within regions tends to underestimate system costs, while combining locations with different wind and solar capacity factors in the same resource class tends to overestimate costs. We investigate these two competing effects in a capacity expansion model for Europe’s power system with a high share of renewables, taking advantage of newly-available high-resolution datasets as well as computational advances. We vary the number of nodes, interpolating between a 37-node model based on country and synchronous zone boundaries, and a 1024-node model based on the location of electricity substations. If we focus on the effect of renewable resource resolution and ignore network restrictions, we find that a higher resolution allows the optimal solution to concentrate wind and solar capacity at sites with better capacity factors and thus reduces system costs by up to 10% compared to a low resolution model. This results in a big swing from offshore to onshore wind investment. However, if we introduce grid bottlenecks by raising the network resolution, costs increase by up to 23% as generation has to be sourced more locally at sites with worse capacity factors. These effects are most pronounced in scenarios where grid expansion is limited, for example, by low local acceptance. We show that allowing grid expansion mitigates some of the effects of the low grid resolution, and lowers overall costs by around 16%

The strong effect of network resolution on electricity system models with high shares of wind and solar

Energy system modellers typically choose a low spatial resolution for their models based on administrative boundaries such as countries, which eases data collection and reduces computation times. However, a low spatial resolution can lead to sub-optimal investment decisions for wind and solar generation. Ignoring power grid bottlenecks within regions tends to underestimate system costs, while combining locations with different wind and solar capacity factors in the same resource class tends to overestimate costs. We investigate these two competing effects in a capacity expansion model for Europe's power system with a high share of renewables, taking advantage of newly-available high-resolution datasets as well as computational advances. We vary the number of nodes, interpolating between a 37-node model based on country and synchronous zone boundaries, and a 512-node model based on the location of electricity substations. If we focus on the effect of renewable resource resolution and ignore network restrictions, we find that a higher resolution allows the optimal solution to concentrate wind and solar capacity at sites with better capacity factors and thus reduces system costs by up to 10.5% compared to a low resolution model. This results in a big swing from offshore to onshore wind investment. However, if we introduce grid bottlenecks by raising the network resolution, costs increase by up to 19% as generation has to be sourced more locally at sites with worse capacity factors. These effects are most pronounced in scenarios where grid expansion is limited, for example, by low local acceptance. We show that allowing grid expansion mitigates some of the effects of the low grid resolution, and lowers overall costs by around 15%.Comment: 15 pages, 16 figures, 7 tables, preprint submitted to Elsevier updated version: figures with log-scale, scenario expansion for all simulations to be conducted at the same resolution (1024 nodes), minor changes to the text to account for the expansion of simulation

Mobile client for collecting sport activity statistics

Vývoj mobilních aplikací může být poměrně náročný v případech, kdy je vyžadována dostupnost aplikace na více platformách. Cílem této práce bylo prozkoumat možnosti pro vývoj multiplatformních mobilních aplikací, seznámit se s technologií Apache Cordova a použít ji k vývoji mobilního klienta pro uživatele portálu Jäsenverkko.fi. Aplikace umožňuje uživatelům spravovat jejich data uložená na vzdáleném serveru. Pokud je zařízení připojeno k internetu, aplikace data automaticky synchronizuje za použití aplikačního rozhraní portálu, je však schopna pracovat i bez připojení díky implementaci lokálního úložiště. Aplikace umožňuje ukládání vzdáleně definovaných tréninkových statistik pomocí snadno rozšiřitelných modulů. Výsledkem práce je přenositelná aplikace otestovaná na platformách Android a Windows Phone.ObhájenoMobile applications development can be rather demanding in cases where it is required to users on multiple platforms. The goal of this thesis was to investigate methods of mobile multiplatform development, get acquainted with and utilize Apache Cordova to implement a mobile client application for Jäsenverkko.fi portal users. The application allows its users to manage their data stored on a remote server. It automatically synchronizes them using portal's RESTful API when connected to the internet but is able to work even when offline as it contains a local storage facility. The application makes it possible to collect custom sport statistics specified remotely with a module that is easily extendable. A result of the work is a portable application tested on Android and Windows Phone platforms

Fachlich erweiterbare 3D-Stadtmodelle – Management, Visualisierung und Interaktion

Domain-extendable semantic 3D city models are complex mappings and inventories of the urban environment which can be utilized as an integrative information backbone to facilitate a range of application fields like urban planning, environmental simulations, disaster management, and energy assessment. Today, more and more countries and cities worldwide are creating their own 3D city models based on the CityGML specification which is an international standard issued by the Open Geospatial Consortium (OGC) to provide an open data model and XML-based format for describing the relevant urban objects with regards to their 3D geometry, topology, semantics, and appearance. It especially provides a flexible and systematic extension mechanism called “Application Domain Extension (ADE)” which allows third parties to dynamically extend the existing CityGML definitions with additional information models from different application domains for representing the extended or newly introduced geographic object types within a common framework. However, due to the consequent large size and high model complexity, the practical utilization of country-wide CityGML datasets has posed a tremendous challenge regarding the setup of an extensive application system to support the efficient data storage, analysis, management, interaction, and visualization. These requirements have been partly solved by the existing free 3D geo-database solution called ‘3D City Database (3DCityDB)’ which offers a rich set of functionalities for dealing with standard CityGML data models, but lacked the support for CityGML ADEs. The key motivation of this thesis is to develop a reliable approach for extending the existing database solution to support the efficient management, visualization, and interaction of large geospatial data elements of arbitrary CityGML ADEs. Emphasis is first placed on answering the question of how to dynamically extend the relational database schema by parsing and interpreting the XML schema files of the ADE and dynamically create new database tables accordingly. Based on a comprehensive survey of the related work, a new graph-based framework has been proposed which uses typed and attributed graphs for semantically representing the object-oriented data models of CityGML ADEs and utilizes graph transformation systems to automatically generate compact table structures extending the 3DCityDB. The transformation process is performed by applying a series of fine-grained graph transformation rules which allow users to declaratively describe the complex mapping rules including the optimization concepts that are employed in the development of the 3DCityDB database schema. The second major contribution of this thesis is the development of a new multi-level system which can serve as a complete and integrative platform for facilitating the various analysis, simulation, and modification operations on the complex-structured 3D city models based on CityGML and 3DCityDB. It introduces an additional application level based on a so-called ‘app-concept’ that allows for constructing a light-weight web application to reach a good balance between the high data model complexity and the specific application requirements of the end users. Each application can be easily built on top of a developed 3D web client whose functionalities go beyond the efficient 3D geo-visualization and interactive exploration, and also allows for performing collaborative modifications and analysis of 3D city models by taking advantage of the Cloud Computing technology. This multi-level system along with the extended 3DCityDB have been successfully utilized and evaluated by many practical projects.Fachlich erweiterbare semantische 3D-Stadtmodelle sind komplexe Abbildungen und Datenbestände der städtischen Umgebung, die als ein integratives Informationsrückgrat genutzt werden können, um eine Reihe von Anwendungsfeldern wie z. B. Stadtplanung, Umweltsimulationen, Katastrophenmanagement und Energiebewertung zu ermöglichen. Heute schaffen immer mehr Länder und Städte weltweit ihre eigenen 3D-Stadtmodelle auf Basis des internationalen Standards CityGML des Open Geospatial Consortium (OGC), um ein offenes Datenmodell und ein XML-basiertes Format zur Beschreibung der relevanten Stadtobjekte in Bezug auf ihre 3D-Geometrien, Topologien, Semantik und Erscheinungen zur Verfügung zu stellen. Es bietet insbesondere einen flexiblen und systematischen Erweiterungsmechanismus namens „Application Domain Extension“ (ADE), der es Dritten ermöglicht, die bestehenden CityGML-Definitionen mit zusätzlichen Informationsmodellen aus verschiedenen Anwendungsdomänen dynamisch zu erweitern, um die erweiterten oder neu eingeführten Stadtobjekt-Typen innerhalb eines gemeinsamen Framework zu repräsentieren. Aufgrund der konsequent großen Datenmenge und hohen Modellkomplexität bei der praktischen Nutzung der landesweiten CityGML-Datensätze wurden jedoch enorme Anforderungen an den Aufbau eines umfangreichen Anwendungssystems zur Unterstützung der effizienten Speicherung, Analyse, Verwaltung, Interaktion und Visualisierung der Daten gestellt. Die bestehende kostenlose 3D-Geodatenbank-Lösung „3D City Database“ (3DCityDB) entsprach bereits teilweise diesen Anforderungen, indem sie zwar eine umfangreiche Funktionalität für den Umgang mit den Standard-CityGML-Datenmodellen, jedoch keine Unterstützung für CityGML-ADEs bietet. Die Schlüsselmotivation für diese Arbeit ist es, einen zuverlässigen Ansatz zur Erweiterung der bestehenden Datenbanklösung zu entwickeln, um das effiziente Management, die Visualisierung und Interaktion großer Datensätze beliebiger CityGML-ADEs zu unterstützen. Der Schwerpunkt liegt zunächst auf der Beantwortung der Schlüsselfrage, wie man das relationale Datenbankschema dynamisch erweitern kann, indem die XML-Schemadateien der ADE analysiert und interpretiert und anschließend dem entsprechende neue Datenbanktabellen erzeugt werden. Auf Grundlage einer umfassenden Studie verwandter Arbeiten wurde ein neues graphbasiertes Framework entwickelt, das die typisierten und attributierten Graphen zur semantischen Darstellung der objektorientierten Datenmodelle von CityGML-ADEs verwendet und anschließend Graphersetzungssysteme nutzt, um eine kompakte Tabellenstruktur zur Erweiterung der 3DCityDB zu generieren. Der Transformationsprozess wird durch die Anwendung einer Reihe feingranularer Graphersetzungsregeln durchgeführt, die es Benutzern ermöglicht, die komplexen Mapping-Regeln einschließlich der Optimierungskonzepte aus der Entwicklung des 3DCityDB-Datenbankschemas deklarativ zu formalisieren. Der zweite wesentliche Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen mehrstufigen Systemkonzepts, das auf CityGML und 3DCityDB basiert und gleichzeitig als eine komplette und integrative Plattform zur Erleichterung der Analyse, Simulationen und Modifikationen der komplex strukturierten 3D-Stadtmodelle dienen kann. Das Systemkonzept enthält eine zusätzliche Anwendungsebene, die auf einem sogenannten „App-Konzept“ basiert, das es ermöglicht, eine leichtgewichtige Applikation bereitzustellen, die eine gute Balance zwischen der hohen Modellkomplexität und den spezifischen Anwendungsanforderungen der Endbenutzer erreicht. Jede Applikation lässt sich ganz einfach mittels eines bereits entwickelten 3D-Webclients aufbauen, dessen Funktionalitäten über die effiziente 3D-Geo-Visualisierung und interaktive Exploration hinausgehen und auch die Durchführung kollaborativer Modifikationen und Analysen von 3D-Stadtmodellen mit Hilfe von der Cloud-Computing-Technologie ermöglichen. Dieses mehrstufige System zusammen mit dem erweiterten 3DCityDB wurde erfolgreich in vielen praktischen Projekten genutzt und bewertet

Fachlich erweiterbare 3D-Stadtmodelle – Management, Visualisierung und Interaktion

Domain-extendable semantic 3D city models are complex mappings and inventories of the urban environment which can be utilized as an integrative information backbone to facilitate a range of application fields like urban planning, environmental simulations, disaster management, and energy assessment. Today, more and more countries and cities worldwide are creating their own 3D city models based on the CityGML specification which is an international standard issued by the Open Geospatial Consortium (OGC) to provide an open data model and XML-based format for describing the relevant urban objects with regards to their 3D geometry, topology, semantics, and appearance. It especially provides a flexible and systematic extension mechanism called “Application Domain Extension (ADE)” which allows third parties to dynamically extend the existing CityGML definitions with additional information models from different application domains for representing the extended or newly introduced geographic object types within a common framework. However, due to the consequent large size and high model complexity, the practical utilization of country-wide CityGML datasets has posed a tremendous challenge regarding the setup of an extensive application system to support the efficient data storage, analysis, management, interaction, and visualization. These requirements have been partly solved by the existing free 3D geo-database solution called ‘3D City Database (3DCityDB)’ which offers a rich set of functionalities for dealing with standard CityGML data models, but lacked the support for CityGML ADEs. The key motivation of this thesis is to develop a reliable approach for extending the existing database solution to support the efficient management, visualization, and interaction of large geospatial data elements of arbitrary CityGML ADEs. Emphasis is first placed on answering the question of how to dynamically extend the relational database schema by parsing and interpreting the XML schema files of the ADE and dynamically create new database tables accordingly. Based on a comprehensive survey of the related work, a new graph-based framework has been proposed which uses typed and attributed graphs for semantically representing the object-oriented data models of CityGML ADEs and utilizes graph transformation systems to automatically generate compact table structures extending the 3DCityDB. The transformation process is performed by applying a series of fine-grained graph transformation rules which allow users to declaratively describe the complex mapping rules including the optimization concepts that are employed in the development of the 3DCityDB database schema. The second major contribution of this thesis is the development of a new multi-level system which can serve as a complete and integrative platform for facilitating the various analysis, simulation, and modification operations on the complex-structured 3D city models based on CityGML and 3DCityDB. It introduces an additional application level based on a so-called ‘app-concept’ that allows for constructing a light-weight web application to reach a good balance between the high data model complexity and the specific application requirements of the end users. Each application can be easily built on top of a developed 3D web client whose functionalities go beyond the efficient 3D geo-visualization and interactive exploration, and also allows for performing collaborative modifications and analysis of 3D city models by taking advantage of the Cloud Computing technology. This multi-level system along with the extended 3DCityDB have been successfully utilized and evaluated by many practical projects.Fachlich erweiterbare semantische 3D-Stadtmodelle sind komplexe Abbildungen und Datenbestände der städtischen Umgebung, die als ein integratives Informationsrückgrat genutzt werden können, um eine Reihe von Anwendungsfeldern wie z. B. Stadtplanung, Umweltsimulationen, Katastrophenmanagement und Energiebewertung zu ermöglichen. Heute schaffen immer mehr Länder und Städte weltweit ihre eigenen 3D-Stadtmodelle auf Basis des internationalen Standards CityGML des Open Geospatial Consortium (OGC), um ein offenes Datenmodell und ein XML-basiertes Format zur Beschreibung der relevanten Stadtobjekte in Bezug auf ihre 3D-Geometrien, Topologien, Semantik und Erscheinungen zur Verfügung zu stellen. Es bietet insbesondere einen flexiblen und systematischen Erweiterungsmechanismus namens „Application Domain Extension“ (ADE), der es Dritten ermöglicht, die bestehenden CityGML-Definitionen mit zusätzlichen Informationsmodellen aus verschiedenen Anwendungsdomänen dynamisch zu erweitern, um die erweiterten oder neu eingeführten Stadtobjekt-Typen innerhalb eines gemeinsamen Framework zu repräsentieren. Aufgrund der konsequent großen Datenmenge und hohen Modellkomplexität bei der praktischen Nutzung der landesweiten CityGML-Datensätze wurden jedoch enorme Anforderungen an den Aufbau eines umfangreichen Anwendungssystems zur Unterstützung der effizienten Speicherung, Analyse, Verwaltung, Interaktion und Visualisierung der Daten gestellt. Die bestehende kostenlose 3D-Geodatenbank-Lösung „3D City Database“ (3DCityDB) entsprach bereits teilweise diesen Anforderungen, indem sie zwar eine umfangreiche Funktionalität für den Umgang mit den Standard-CityGML-Datenmodellen, jedoch keine Unterstützung für CityGML-ADEs bietet. Die Schlüsselmotivation für diese Arbeit ist es, einen zuverlässigen Ansatz zur Erweiterung der bestehenden Datenbanklösung zu entwickeln, um das effiziente Management, die Visualisierung und Interaktion großer Datensätze beliebiger CityGML-ADEs zu unterstützen. Der Schwerpunkt liegt zunächst auf der Beantwortung der Schlüsselfrage, wie man das relationale Datenbankschema dynamisch erweitern kann, indem die XML-Schemadateien der ADE analysiert und interpretiert und anschließend dem entsprechende neue Datenbanktabellen erzeugt werden. Auf Grundlage einer umfassenden Studie verwandter Arbeiten wurde ein neues graphbasiertes Framework entwickelt, das die typisierten und attributierten Graphen zur semantischen Darstellung der objektorientierten Datenmodelle von CityGML-ADEs verwendet und anschließend Graphersetzungssysteme nutzt, um eine kompakte Tabellenstruktur zur Erweiterung der 3DCityDB zu generieren. Der Transformationsprozess wird durch die Anwendung einer Reihe feingranularer Graphersetzungsregeln durchgeführt, die es Benutzern ermöglicht, die komplexen Mapping-Regeln einschließlich der Optimierungskonzepte aus der Entwicklung des 3DCityDB-Datenbankschemas deklarativ zu formalisieren. Der zweite wesentliche Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen mehrstufigen Systemkonzepts, das auf CityGML und 3DCityDB basiert und gleichzeitig als eine komplette und integrative Plattform zur Erleichterung der Analyse, Simulationen und Modifikationen der komplex strukturierten 3D-Stadtmodelle dienen kann. Das Systemkonzept enthält eine zusätzliche Anwendungsebene, die auf einem sogenannten „App-Konzept“ basiert, das es ermöglicht, eine leichtgewichtige Applikation bereitzustellen, die eine gute Balance zwischen der hohen Modellkomplexität und den spezifischen Anwendungsanforderungen der Endbenutzer erreicht. Jede Applikation lässt sich ganz einfach mittels eines bereits entwickelten 3D-Webclients aufbauen, dessen Funktionalitäten über die effiziente 3D-Geo-Visualisierung und interaktive Exploration hinausgehen und auch die Durchführung kollaborativer Modifikationen und Analysen von 3D-Stadtmodellen mit Hilfe von der Cloud-Computing-Technologie ermöglichen. Dieses mehrstufige System zusammen mit dem erweiterten 3DCityDB wurde erfolgreich in vielen praktischen Projekten genutzt und bewertet