Reproducibility, accuracy and performance of the Feltor code and library on parallel computer architectures

Feltor is a modular and free scientific software package. It allows developing platform independent code that runs on a variety of parallel computer architectures ranging from laptop CPUs to multi-GPU distributed memory systems. Feltor consists of both a numerical library and a collection of application codes built on top of the library. Its main target are two- and three-dimensional drift- and gyro-fluid simulations with discontinuous Galerkin methods as the main numerical discretization technique. We observe that numerical simulations of a recently developed gyro-fluid model produce non-deterministic results in parallel computations. First, we show how we restore accuracy and bitwise reproducibility algorithmically and programmatically. In particular, we adopt an implementation of the exactly rounded dot product based on long accumulators, which avoids accuracy losses especially in parallel applications. However, reproducibility and accuracy alone fail to indicate correct simulation behaviour. In fact, in the physical model slightly different initial conditions lead to vastly different end states. This behaviour translates to its numerical representation. Pointwise convergence, even in principle, becomes impossible for long simulation times. In a second part, we explore important performance tuning considerations. We identify latency and memory bandwidth as the main performance indicators of our routines. Based on these, we propose a parallel performance model that predicts the execution time of algorithms implemented in Feltor and test our model on a selection of parallel hardware architectures. We are able to predict the execution time with a relative error of less than 25% for problem sizes between 0.1 and 1000 MB. Finally, we find that the product of latency and bandwidth gives a minimum array size per compute node to achieve a scaling efficiency above 50% (both strong and weak)

Von der Gewinnung bis zur Hütte - Entwicklung und Validierung eines Modells zur sozialen, ökologischen und ökonomischen Risikobewertung von mineralischen Rohstoffen weltweit

Im Bergbausektor werden die Themenfelder soziales und ökologisches Verantwortungsbewusstsein als auch verantwortliche Unternehmensführung, entlang der gesamten Wertschöpfungskette von mineralischen Rohstoffen innerhalb der letzten Dekade intensiv diskutiert. Verstärkt wird dies durch den steigenden Bedarf an mineralischen Rohstoffen für diverse Branchen, wie beispielsweise der High-Tech-Industrie. Hierbei besteht nachweislich in nahezu allen Abschnitten der Wertschöpfungskette eines mineralischen Rohstoffs das Risiko negativer Einflüsse auf die Gesellschaft, Umwelt und die Wirtschaft. Aus diesem Grund entwickelt die DMT GmbH & Co. KG als Projektleitung, TÜV NORD CERT GmbH, beide zugehörig der TÜV NORD GROUP, und weitere Partner aus Industrie und Wissenschaft das Zertifizierungssystem CERA 4in1 – Certification of Raw Materials. Das Projekt wurde teilfinanziert von der European Institute of Innovation and Technology Raw Materials GmbH. Das Ziel des Zertifizierungssystems ist es, die komplette Wertschöpfungskette eines mineralischen Rohstoffs zu umfassen und somit dazu beizutragen, eine Harmonisierung des Markts an Nachhaltigkeitsstandards zu erzielen. Um dies zu realisieren, ist das CERA 4in1 Zertifizierungssystem in vier unterschiedliche, jedoch aufeinander aufbauende, Teilstandards unterteilt. Der CERA 4in1 Performance Standard (CPS) umfasst den nachhaltigen Betrieb eines Unternehmens von den Gewinnungs- und Aufbereitungsprozessen bis hin zu Hüttenbetrieben. In den untergeordneten Implementation Details (ID)-Dokumenten, welche auch als Auditchecklisten definiert werden können, werden dabei die individuellen Gegebenheiten des zu zertifizierenden spezifischen Betriebs berücksichtigt und dienen dadurch als Implementierung der allgemeingültigen CPS-Anforderungen für den spezifischen Anwendungsfall. Der CERA 4in1 Chain of Custody (CCS) umfasst die Rückverfolgbarkeit während des Handels der jeweiligen Zwischenprodukte der einzelnen Wertschöpfungsakteure. Der CERA 4in1 Readiness Standard (CRS) umfasst die komplette Phase der Bergbauplanung und endet mit dem Beginn der Gewinnung. Diese drei Standards beziehen sich auf die vorgelagerte Wertschöpfungskette eines mineralischen Rohstoffs. Der CERA 4in1 Final Product Standard (CFS) umfasst das Kennzeichnen des Endprodukts, für welches die zertifizierten mineralischen Rohstoffe und deren nachgelagerten Produkte verwertet werden. Innerhalb der Dissertation wird die Weiterentwicklung des CPS verfolgt, indem grundsätzlich das CPS-Grundgerüst inhaltlich erweitert und anschließend bewertet sowie ein Modell als Systematik dieses Standards entwickelt und validiert wird. Der Anspruch dieses Modells ist es, alle mineralischen Rohstoffe, deren Lagerstättentypen und besondere Eigenschaften in der Gewinnung bis hin zur Verhüttung, die Betriebsgrößen als auch die lokalen und regionalen Besonderheiten der Betriebsstandorte zu berücksichtigen. Abschließend wird die Effektivität und Erfolgsaussicht des CPS evaluiert. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Effektivität und Erfolgsaussichten des CPS insgesamt von bis zu sechs Parametern abhängig ist. Die „technische und wirtschaftliche Anwendbarkeit“ thematisiert unter anderem die Anwendbarkeit des CPS auf die komplexen und individuellen mineralischen Rohstoffwertschöpfungsketten. Die „internationale Anerkennung“ adressiert die Kompatibilität mit bereits bestehenden Systemen zur Harmonisierung des Angebots an Nachhaltigkeitsstandards. Die „Vertrauenswürdigkeit des Systems“ umfasst die Erlangung der Vertrauenswürdigkeit des CPS seitens diverser Interessensvertreter, während sich der Parameter „Akzeptanz des Kunden“ auf die Bereitwilligkeit der Industrie zur Zertifizierung bezieht. Der „Marktausblick“ steht für die Wirtschaftlichkeit des CPS. Abschließend gilt die „politische Unterstützung“, also die Einbindung des CPS in gesetzliche Regelungen, als optionaler Parameter, da dieser nicht als essentiell eingestuft wird.:ABBILDUNGSVERZEICHNIS XVII TABELLENVERZEICHNIS XIX ABKÜRZUNGEN & AKRONYME XXIII 1 EINLEITUNG 1 1.1 Status quo 1 1.1.1 Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung 5 1.1.2 Internationale Arbeitsorganisation 5 1.1.3 Internationale Allianz für Soziale und Ökologische Akkreditierung und Kennzeichnung 6 1.2 Motivation 12 2 FORSCHUNGSSTRATEGIE 17 2.1 Fragestellung und Zielsetzung 17 2.2 Überblick der Arbeit 18 2.3 Methodik 19 3 CERA 4IN1 ZERTIFIZIERUNGSSYSTEM 22 3.1 Vorarbeiten 22 3.2 Einführung in das CERA 4in1 Zertifizierungssystem mit Schwerpunkt CERA 4in1 Performance Standard 25 3.2.1 Randbedingungen und Zielsetzung des CERA 4in1 Performance Standards 32 3.2.2 Status Quo des CERA 4in1 Performance Standards zu Beginn der Arbeit 32 3.2.3 Weiterentwicklung des CERA 4in1 Performance Standards 36 3.2.4 Bewertung des CERA 4in1 Zertifizierungssystems und des CPS-Grundgerüsts 44 4 ENTWICKLUNG EINES THEORETISCHEN MODELLS ALS SYSTEMATIK DES CERA 4IN1 PERFORMANCE STANDARDS 51 4.1 Zielsetzung des theoretischen Modells 51 4.2 Randbedingungen und Barrieren des theoretischen Modells 51 4.3 Systematik des theoretischen Modells 52 4.3.1 Datengrundlage, Status Quo der CPS-Systematik und genutzte Techniken 53 4.3.2 Identifizierung ökonomischer, ökologischer und sozialer negativer Einflüsse von mineralischen Rohstoffen innerhalb deren Wertschöpfungsketten 56 4.3.3 Entwicklung einer Systematik zur Prävention und Kontrolle der negativen Einflüsse auf die Nachhaltigkeit im Bergbau 59 4.3.4 Gängige Gewinnungs-, Aufbereitungs- bis hin zu Verhüttungsprozesse innerhalb der mineralischen Rohstoffwertschöpfung zur Entwicklung des Grundgerüsts des theoretischen Modells 63 4.3.5 Entwicklung der Systematik des theoretischen Modells 64 4.4 Zweck des theoretischen Modells 65 5 VALIDIERUNG DES THEORETISCHEN MODELLS ANHAND AUSGEWÄHLTER MINERALE 75 5.1 Erläuterung der Methodik und des Zwecks 75 5.2 Erste theoretische Validierung 76 5.2.1 Randbedingungen und Barrieren der ersten theoretischen Validierung 77 5.2.2 Darstellung der Ergebnisse aus der ersten theoretischen Validierung 77 5.3 Problemanalyse 79 5.3.1 Aufgetretene Probleme während der ersten theoretischen Validierung 79 5.3.2 Veränderung der Eingangsparameter 80 5.4 Zweite theoretische Validierung 84 5.4.1 Randbedingungen und Barrieren der zweiten theoretischen Validierung 85 5.4.2 Darstellung der Ergebnisse aus der zweiten theoretischen Validierung 86 5.5 Problemanalyse und Sensitivitätsanalyse 90 5.5.1 Aufgetretene Probleme während der zweiten theoretischen Validierung 90 5.5.2 Sensitivitätsanalyse 95 5.5.3 Veränderung der Eingangsparameter 96 5.5.4 Theoretische Skalierung 104 5.6 Praktische Validierung 105 5.6.1 Erläuterung der Methodik und des Zwecks 106 5.6.2 Randbedingungen und Barrieren 109 5.6.3 Darstellung der Ergebnisse 111 5.6.4 Aufgetretene Probleme und Sensitivitätsanalyse 115 6 FINALE BEWERTUNG DES THEORETISCHEN MODELLS UND DER CPS-SYSTEMATIK 118 6.1 Problemanalyse und Sensitivitätsanalyse 118 6.1.1 Gelöste Probleme und Sensitivitätsanalyse 118 6.1.2 Ungelöste Probleme und Sensitivitätsanalyse 119 7 FAZIT, DISKUSSION, AUSBLICK 121 7.1 Fazit 121 7.1.1 Standardentwicklung 121 7.1.2 Skalierung der Inhalte 122 7.1.3 Automatisierung der Entwicklungsschritte und Auditprozesse 123 7.1.4 Wettbewerb und Akzeptanz 124 7.1.5 Marktausblick 127 7.1.6 Abschlussbewertung 129 7.2 Diskussion 134 7.2.1 Barrieren und Randbedingungen des CPS 134 7.2.2 CPS-Implementierung 135 7.2.3 Auswirkungen 138 7.3 Ausblick 139 7.3.1 Anwendbarkeit, Anerkennung und Zertifizierungsprozess 139 7.3.2 Datenbankanwendung 140 7.3.3 CERA 4in1 Teilstandards und Administration 140 QUELLENVERZEICHNIS 143 ANHANG 155 Anhang A – Schwerpunkte Nachhaltigkeit 155 A.1 Auflistung der Nachhaltigkeitsziele der Agenda 2030 und der Kernthemen nach ISO 26000 155 Anhang B – Tabellenwerke zu Kapitel 4 156 B.1 Vorarbeiten aus Jatlaoui (2018) 156 B.2 Bestehendes umfangreiches Set an Gefahren aus Business Queensland (2019) 162 B.3 Entwicklung des ersten Entwurfs des theoretischen Modells 163 Anhang C – Tabellenwerke zu Kapitel 5 171 C.1 Validierung des theoretischen Modells 171 C.2 Übersicht der umdefinierten Ereignisse 182 C.3 Layout der Auditcheckliste für das Pilotprojekt DRK 19

Model-based scenario analysis for effective site-specific weed control on grassland sites

The site-specific management of weeds in grassland is often challenging because different weed control strategies have different trade-offs regarding the required resources and treatment efficiency. So, the question arises whether a wide tractor-based system with section control or a small agricultural robot has a higher weed control performance for a given infestation scenario. For example, a small autonomous robot moving from one weed to the next might have much shorter travel distances (and thus lower energy and time costs) than a tractor-mounted system if the locations of the weeds are relatively isolated across the field. However, if the plants are highly concentrated in small areas so-called clusters, the increased width of the tractor-mounted implement could be beneficial because of shorter travel distances and greater working width. An additional challenge is the fact that there is no complete knowledge of the weed locations. Weeds may not have been detected, for example, due to their growth stage, occlusion by other objects, or misclassification. Weed control strategies must therefore also be evaluated with regard to this issue. Thus, in addition to the driving distance, other metrics are also of interest, such as the number of plants that were actually controlled or the size of the total treatment area. We performed this investigation for the treatment of the toxic Colchicum autumnale, which had been detected in drone images of extensive grassland sites. In addition to real data, we generated and analyzed simulated weed locations using mathematical models of stochastic geometry. These offer the possibility to simulate very different spatial distributions of toxic plant locations. Different treatment strategies were then virtually tested on this data using Monte Carlo simulations and their performance was statistically evaluated.Comment: 20 pages, 9 figure

ANALYSIS OF THE TOURISM SECTOR IN INDONESIA USING THE INPUT-OUTPUT AND ERROR-CORRECTION MODEL APPROACH

ABSTRACTThis research explores the role of the tourism sector in Indonesia, including its backward and forward linkages with other economic sectors. The tourism sector is represented by the hotel and restaurant (hospitality) industry. The study uses the input-output method and traces the econometric backward and forward shocks of the tourism sector with the Error Correction Model (ECM), using database from Statistics Indonesia from 2010 to 2019. The paper contributes to the existing literature by using multi-stage quantitative processes to observe backward and forward economic linkages. The result shows that manufacturing output contributes a significant and positive effect to the hotel and restaurant industry. At the same time, the tourism sector provides a significant and positive contribution to government retribution. Nonetheless, there is a negative relationship between the growth of the agriculture and tourism sector, which is assumed due to the tradeoff in the factor of production between the agricultural and tourism sector development. Consequently, backward and forward relationships suggest more holistic and prudent economic policies for observing interdependent tourism development in Indonesia's other economic sectors. ABSTRAKTujuan penelitian ini adalah menginvestigasi keterkaitan ke belakang dan ke depan antara sektor pariwisata dan sektor ekonomi lain di Indonesia. Pariwisata di sini di wakili sektor perhotelan dan restoran. Studi ini menggunakan metode input-output dengan data berasal dari database input output Bank Pembangunan Asia (ADB). Kedua, studi menelusuri  keterkaitan ekonometrik ke depan dan ke belakang pariwisata dengan model koreksi kesalahan (ECM), menggunakan data triwulan dari PDB riil di database BPS dari tahun 2010 hingga 2019. Kontribusi makalah ini adalah proses multi-asesment untuk mengamati keterkaitan ekonomi ke belakang dan ke depan antara pariwisata dengan sektor ekonomi lainnya. Dari ekonometri tersebut, diketahui bahwa kontribusi output industry manufaktur berpengaruh signifikan dan positif terhadap industri hotel dan restoran. Selain itu, pariwisata memberikan kontribusi yang signifikan dan positif untuk retribusi pemerintah. Meskipun demikian, peningkatan output pariwisata datang dengan pengorbanan pengurangan output sektor pertanian. Hal ini dipengaruhi oleh kompetisi akses faktor produksi di antara kedua sektor tersebut. Hasil ini  menekankan perlunya kebijakan ekonomi yang lebih holistik dan hati-hati terhadap saling ketergantungan antara pembangunan pariwisata dengan sektor ekonomi lain di Indonesia

A parametric approach for smaller and better encodings of cardinality constraints

Adequate encodings for high-level constraints are a key ingredient for the application of SAT technology. In particular, cardinality constraints state that at most (at least, or exactly) k out of n propositional variables can be true. They are crucial in many applications. Although sophisticated encodings for cardinality constraints exist, it is well known that for small n and k straightforward encodings without auxiliary variables sometimes behave better, and that the choice of the right trade-off between minimizing either the number of variables or the number of clauses is highly application-dependent. Here we build upon previous work on Cardinality Networks to get the best of several worlds: we develop an arc-consistent encoding that, by recursively decomposing the constraint into smaller ones, allows one to decide which encoding to apply to each sub-constraint. This process minimizes a function λ·num- vars + num-clauses, where λ is a parameter that can be tuned by the user. Our careful experimental evaluation shows that (e.g., for λ = 5) this new technique produces much smaller encodings in variables and clauses, and indeed strongly improves SAT solvers' performance.Postprint (author’s final draft

The Structural and Macroeconomic Determinants of Manufacturing Export-Value Performance in ASEAN Countries

This study aims to scrutinize the determinants of manufacturing exports in several ASEAN countries, specifically: Indonesia, Malaysia, Thailand, Philippines, and Vietnam. It adopts a panel data regression using the random effects model to predict manufacturing export value using structural (economic complexity and human capital) and macroeconomic (real effective exchange rate, foreign direct investment, and inflation) variables. The research finds that foreign direct investment, human capital, real effective exchange rate, and inflation are positive and statistically significant predictors of manufacturing exports in these ASEAN countries. However, the positive correlation between the real effective exchange rate and manufacturing exports is against previous literature arguing that a currency’s depreciation drives export competitiveness. The findings suggest that currency appreciation can enhance a country’s export performance as exports’ input products are cheaper than before. Additionally, the positive influence of inflation on exports can be explained by the subsequent increase in consumption from foreign countries. Therefore, in addition to managing their exchange rates, countries must develop their human capital and attract more foreign investments to enhance their export performance