Separating True V0's from Combinatoric Background with a Neural Network

A feedforward multilayered neural network has been trained to "recognize" true V0's in the presence of a large combinatoric background using simulated data for 2 GeV/nucleon Ni + Cu interactions. The resulting neural network filter has been applied to actual data from the EOS TPC experiment. An enhancement of signal to background over more traditional selection mechanisms has been observed.Comment: 9 pages LaTeX using elsart.sty and psfig, 5 ps figures. Submitted to NI

Analytical and Numerical Analysis of Linear and Nonlinear Properties of an rf-SQUID Based Metasurface

We derive a model to describe the interaction of an rf-SQUID (radio frequency superconducting quantum interference device) based metasurface with free space electromagnetic waves. The electromagnetic fields are described on the base of Maxwell's equations. For the rf-SQUID metasurface we rely on an equivalent circuit model. After a detailed derivation, we show that the problem that is described by a system of coupled differential equations is wellposed and, therefore, has a unique solution. In the small amplitude limit, we provide analytical expressions for reflection, transmission, and absorption depending on the frequency. To investigate the nonlinear regime, we numerically solve the system of coupled differential equations using a finite element scheme with transparent boundary conditions and the Crank-Nicolson method. We also provide a rigorous error analysis that shows convergence of the scheme at the expected rates. The simulation results for the adiabatic increase of either the field's amplitude or its frequency show that the metasurface's response in the nonlinear interaction regime exhibits bistable behavior both in transmission and reflection.Comment: published in Physical Review B, Phys. Rev. B 99, 07540

Electronic and photonic excitations in graphene nanostructures and hybrid systems

Plasmonische Resonanzen in photonischen Nanoantennen erlauben eine beispiellose Verstärkung und örtliche Konzentrierung elektrischer Felder und finden vielseitige Anwendungen in der Nanotechnologie. Viele Jahre waren die Edelmetalle die Treiber der Nanoplasmonik. In letzter Zeit erfreuen sich aber vor allem niedrigdimensionale Werkstoffe zunehmender Beliebtheit als plasmonische Materialien. Vor allem die einzigartige Bandstruktur von zweidimensionalem Graphen bietet die Möglichkeit, Resonanzen auch nach der Herstellung der Struktur durch elektrisches Dotieren oder optisches Pumpen spektral zu verschieben. Neben Graphen diskutieren wir in dieser Arbeit im Rahmen des Su-Schrieffer-Heeger-Modells (SSH) zudem eindimensionale Polyen- und Polyacetylen-Moleküle, um konzeptionelle Einblicke in die Wesensart optischer Moden in Nanoantennen zu erlangen. Nanoantennen verändern allein durch ihre Präsenz die lokale photonische Umgebung und beeinflussen die optischen Eigenschaften von Quantenemittern in der Nähe, z. B. deren spontane Emissionsraten oder Rabi-Oszillationen. Zur Modellierung der optischen Eigenschaften hybrider Systeme, die aus Nanoantennen und Emittern bestehen, ist die führende Simulationsmethode die Dichtefunktionaltheorie. Sie ist jedoch sehr rechenintensiv und kann nicht auf Strukturen relevanter Größe angewandt werden. Um diese Beschränkung zu überwinden, entwickeln wir eine tight-binding-Methode (TB) im Zeitbereich, die die quantenoptischen Phänomene im Emitter und seine chemische Wechselwirkung mit der Nanoantenne beschreiben kann. In dieser Arbeit diskutieren wir zwei Probleme, die auftreten, wenn eine klassische Beschreibung für die oben beschriebenen Systeme nicht mehr anwendbar ist und stattdessen eine quantenmechanische Beschreibung erforderlich wird. Das erste Problem betrifft die TB-Simulationsmethodik hybrider Systeme, die aus einer Nanoantenne und einem adsorbierten Atom (Adatom) bestehen, das als Emitter fungiert. Der üblicherweise verwendete Purcell-Formalismus zur Modellierung solcher Systeme vernachlässigt allerdings elektronisches Tunneln zwischen der Nanoantenne und dem Adatom. Unsere Simulationen zeigen, dass sich unter Berücksichtigung dieses Wechselwirkungskanals die optischen Eigenschaften des Systems maßgeblich verändern. Sowohl die Wechselwirkungsstärke zwischen Adatom und Nanoantenne, als auch deren relative Position sind hierfür entscheidend. Wir finden zwei qualitativ verschiedene Wechselwirkungs-Regime, wenn das Adatom am Rand oder an den Mittelteil der Nanoantenne gekoppelt wird. Umgekehrt ändern sich auch die dem Adatom zugehörigen Phänomene. Insbesondere beobachten wir eine Reduzierung sowohl der spontanen Emissionsrate, als auch der Rabi-Frequenz optischer Übergänge im hybriden Gesamtsystem. Die zweite Problematik behandelt die Frage, was ein Plasmon in Nanosystemen wirklich ist. Wir zeigen auf, dass es in der Literatur verschiedene Konzepte für plasmonische Resonanzen gibt. Die meisten stützen sich bei ihrer Definition auf die induzierte Ladungsverteilung der Resonanz oder auf die Anzahl der beteiligten Ein - Teilchen - Übergänge. Unser Beitrag zu dieser wissenschaftlichen Diskussion, der energy-based plasmonicity index (EPI), klassifiziert eine Resonanz anhand der Zeitentwicklung der Kohärenzen im Dichteoperator des Systems, ausgewertet im Energie-Raum. Der EPI wird hier eingeführt, validiert und auf SSH-Ketten und Graphen-Nanoantennen angewandt. Wir stellen fest, dass der EPI Klassifikationsergebnisse liefert, die mit jenen der Coulomb-Skalierungs-Methode übereinstimmen. Der generalized plasmonicity index, welcher auf Auswertungen im Ortsraum basiert, liefert allerdings keine deckungsgleichen Resultate. Der EPI ergänzt daher die bestehenden Klassifizierungsmethoden und hilft, bisher wenig beachtete Aspekte plasmonischer Resonanzen in den Mittelpunkt zu rücken

Methodik zur Bewertung von Flugverfahren hinsichtlich Fluglärm und weiteren Kriterien

Geänderte Betriebsverfahren an Flughäfen können für Bewohner von flughafennahen Gebieten verminderten Fluglärm und verbesserte Luftqualität bedeuten, während in anderen Gebieten im Umkreis von Flughäfen gegensätzliche Effekte zu beobachten sind. Folglich ist an Flughäfen, insbesondere jenen in Industrieländern, ein massiver Interessenkonflikt während des Flugbetriebs und in Hinblick auf Änderungen von flugbetrieblichen Verfahren zu beobachten. Während der Luftverkehr kontinuierlich wächst sind positive wirtschaftliche Effekte für Flughäfen unbestritten. Dennoch konzentriert sich der aktuelle öffentliche Streit auf die Lärmbelastung durch abfliegende und ankommende Flugzeuge sowie den Boden- und Rollverkehr. Der vorliegende Artikel analysiert die Interessenlage aller am Flugverfahrensplanungsprozess Beteiligten und untersucht Methoden zur ausschließlichen fluglärmbasierten Bewertung von Flugverfahren. Zurückgegriffen wird dabei auf eine bewährte Methode, um in anderen Themenfeldern gewonnenes methodisches Wissen zu nutzen. Die Kosten-Nutzen-Analyse stellt sich dabei als das am besten geeignete Verfahren heraus. Basierend auf der methodischen und fachlichen Analyse des Festsetzungsprozesses von Flugverfahren und der im Prozess vertretenen Interessen werden Kriterien ermittelt, die zur Bewertung eines Flugverfahrens herangezogen werden können und die zuvor ermittelten Interessen umfassend abdecken. Für eine Kosten-Nutzen-Analyse (KNA) werden für diese Kriterien jeweils monetäre Bewertungsmodelle entwickelt oder vorgestellt. Das anschließende „Proof of Concept“ wendet das entwickelte Bewertungsverfahren auf einen fiktiven Flugverfahrensänderungsfall am Flughafen Berlin-Tegel an.Changed operational flight procedures at airports can mean reduced aircraft noise and improved air quality for inhabitants of areas near airports, while in other areas around airports opposite effects can be observed. Consequently, at airports, especially those in industrialised countries, a massive conflict of interest can be observed during flight operations and with regard to changes of operational flight procedures. While air traffic continues to grow, positive economic effects for airports are undisputed. Nevertheless, the current public dispute focuses on noise pollution from departing and arriving aircraft as well as ground and taxiing traffic. This article analyses the interests of all parties involved in the flight procedure planning process and examines methods for the assessment of aircraft noise based on various flight procedures. A proven method is used in order to make use of methodological knowledge gained in other subject areas. The cost-benefit analysis turns out to be the most suitable procedure. Based on the methodical and technical analysis of the determination process of flight procedures and the interests represented in the process, criteria are identified which can be used to evaluate a flight procedure and which comprehensively cover the previously identified interests. For a cost-benefit analysis (CBA), monetary valuation models are developed or presented for each of these criteria. The subsequent "Proof of Concept" applies the developed evaluation procedure to a fictitious flight procedure change at Berlin-Tegel Airport

Verbesserung des Abweichungsmanagement im digitalen Shopfloor Management durch Natural Language Processing

Shopfloor Management (SFM) ist ein verbreiteter Ansatz zur Bearbeitung von Abweichungen in der Produktion. Aktuell geht die Entwicklung hin zu digitalen SFM-Systemen (dSFM), um den manuellen Aufwand in der Aktualisierung der Informationen zu reduzieren. Während aktuelle Softwarelösungen vor allem die bestehenden Prozesse digital nachbilden, liegt die Zukunft in der Verbesserung der Prozesse durch die Analyse und Verarbeitung der entstehenden Daten. Im Abweichungsmanagement handelt es sich dabei im Wesentlichen um Freitexte, in denen Abweichungen, Ursachen und Maßnahmen dokumentiert sind. In diesen Daten steckt so das bisher ungenutzte, aber wertvolle domänenspezifische Wissen der Beschäftigten. Daher bearbeitet diese Arbeit das folgende Ziel: Gestaltung von Assistenzsystemen für die Verbesserung des Abweichungsmanagement im dSFM und einer Methode zu deren situationsspezifischen Einführung in Unternehmen. Für die Gestaltung der Assistenzsysteme wird ein menschzentrierter Ansatz gewählt und es werden kontinuierlich Anforderungen und Feedback von insgesamt 104 Personen aufgenommen. So wird gezeigt, dass sich die Assistenzsysteme „Empfehlungssysteme zur Verstetigung des Wissens“, „Document Clustering zur Identifikation der Top-Themen“ und „Chat-Apps mit Extraktion von Informationen“ positiv auf die Erfolgsfaktoren des Abweichungsmanagement im dSFM auswirken. Dafür wird auch die Leistungsfähigkeit der Assistenzsysteme gemessen. Die verwendeten Ansätze aus dem Bereich des Natural Language Processing (NLP) sind dabei anfällig gegen einige der typischen Eigenschaften von Abweichungsbeschreibungen im dSFM: kurze Texte, zahlreiche Synonyme und Rechtschreibfehler. Daher werden die relevanten Eigenschaften von dSFM-Textdaten für die Leistungsfähigkeit der Assistenzsysteme anhand von drei Datensätzen aus der Industrie quantifiziert. Auf dieser Basis wird anschließend ein synthetischer Datensatz von dSFM-Textdaten erzeugt, mit dem Test zur weiteren Verbesserung der Assistenzsysteme durch eine produktionsspezifische Aufbereitung der Daten durchgeführt werden. Abschließend wird anhand der erzielten Erkenntnisse eine Methode zur Konfiguration eines Anwendungssystems für Unternehmen gestaltet. Mit dieser ist es möglich, die notwendigen Assistenzsysteme und die Schritte zu deren Einführung auf Basis einer einfachen Selbstbewertung des Unternehmens abzuleiten. Damit wird Unternehmen die Umsetzung der Assistenzsysteme erleichtert. Auf Basis einer Verbreitung der Assistenzsysteme in der Praxis können zukünftig weitere Fragen zur deren Wirkung im Unternehmen beantwortet werden. Des Weiteren ist es mit dem erstellten synthetischen Datensatz möglich, weitere vergleichende Studien über verschiedene NLP-Ansätze zur Verarbeitung von dSFM-Textdaten durchzuführen. Langfristig wird so eine weitere Datenquelle, die der Textdaten, für Anwendungen wie z.B. Digitale Zwillinge in der Produktion erschlossen

A Scalable Algorithm for Shape Optimization with Geometric Constraints in Banach Spaces

This work develops an algorithm for PDE-constrained shape optimization based on Lipschitz transformations. Building on previous work in this field, the $p$-Laplace operator is utilized to approximate a descent method for Lipschitz shapes. In particular, it is shown how geometric constraints are algorithmically incorporated avoiding penalty terms by assigning them to the subproblem of finding a suitable descent direction. A special focus is placed on the scalability of the proposed methods for large scale parallel computers via the application of multigrid solvers. The preservation of mesh quality under large deformations, where shape singularities have to be smoothed or generated within the optimization process, is also discussed. It is shown that the interaction of hierarchically refined grids and shape optimization can be realized by the choice of appropriate descent directions. The performance of the proposed methods is demonstrated for energy dissipation minimization in fluid dynamics applications

Motion Planning using Reactive Circular Fields: A 2D Analysis of Collision Avoidance and Goal Convergence

Recently, many reactive trajectory planning approaches were suggested in the literature because of their inherent immediate adaption in the ever more demanding cluttered and unpredictable environments of robotic systems. However, typically those approaches are only locally reactive without considering global path planning and no guarantees for simultaneous collision avoidance and goal convergence can be given. In this paper, we study a recently developed circular field (CF)-based motion planner that combines local reactive control with global trajectory generation by adapting an artificial magnetic field such that multiple trajectories around obstacles can be evaluated. In particular, we provide a mathematically rigorous analysis of this planner in a planar environment to ensure safe motion of the controlled robot. Contrary to existing results, the derived collision avoidance analysis covers the entire CF motion planning algorithm including attractive forces for goal convergence and is not limited to a specific choice of the rotation field, i.e., our guarantees are not limited to a specific potentially suboptimal trajectory. Our Lyapunov-type collision avoidance analysis is based on the definition of an (equivalent) two-dimensional auxiliary system, which enables us to provide tight, if and only if conditions for the case of a collision with point obstacles. Furthermore, we show how this analysis naturally extends to multiple obstacles and we specify sufficient conditions for goal convergence. Finally, we provide a challenging simulation scenario with multiple non-convex point cloud obstacles and demonstrate collision avoidance and goal convergence.Comment: Published in IEEE Transactions on Automatic Control (Early Access