Öffentliche Finanzen wurden in den bisherigen Forschungsaktivitäten in Albanien mehr als vernachlässigt. Die Arbeit zeigt, dass vor allem das Steuersystem des Landes voll von Unvollkommenheiten ist. Steuergesetze sind eher rudimentär, sehen viele Vergünstigungen vor und sind sehr unstabil. Ständige Gesetzesänderungen infolge der politischen Instabilität erschweren den Überblick und komplizieren die Arbeit der Steuerzahler erheblich. Zudem ist die Steuerverwaltung immer noch organisatorisch schwach und korruptionsanfällig, was zu einer schlechten Implementierung der Gesetze führt. Dies ist vor allem bei der Zollbehörde evident. Die Unfähigkeit der Steuerverwaltung, ausreichende Finanzmittel für die Finanzierung der öffentlichen Ausgaben sicherzustellen hat ständige Haushaltsdefizite bewirkt, was zu einer sehr schnellen Anhäufung der Staatsschuld geführt hat. Bereits wenige Jahre nach Beginn der Transition machten die Zinszahlungen den wichtigsten Posten bei den öffentlichen Ausgaben Albaniens aus.

The complexity of computer networks has been rising over the last decades. Increasing interconnectivity between multiple devices, growing complexity of performed tasks and a strong collaboration between nodes are drivers for this phenomenon. An example is represented by Internet-of-Things devices, whose relevance has been rising in recent years. The increasing number of devices requiring updates and supervision makes maintenance more difficult. Human interaction, in this case, is costly and requires a lot of time. To overcome this, self-adaptive software systems (SAS) can be used. SAS are a subset of autonomous systems which can monitor themselves and their environment to adapt to changes without human interaction. In the literature, different approaches for engineering SAS were proposed, including techniques for executing adaptations on multiple devices based on generated plans for reacting to changes. Among those solutions, also decentralised approaches can be found. To the best of our knowledge, no approach for engineering a SAS exists which tolerates errors during the execution of adaptation in a decentralised setting. While some approaches for role-based execution reset the application in case of a single failure during the adaptation process, others do not make assumptions about errors or do not consider an erroneous environment. In a real-world environment, errors will likely occur during run-time, and the adaptation process could be disturbed. This work aims to perform adaptations in a decentralised way on role-based systems with a relaxed consistency constraint, i.e., errors during the adaptation phase are tolerated. This increases the availability of nodes since no rollbacks are required in case of a failure. Moreover, a subset of applications, such as drone swarms, would benefit from an approach with a relaxed consistency model since parts of the system that adapted successfully can already operate in an adapted configuration instead of waiting for other peers to apply the changes in a later iteration. Moreover, if we eliminate the need for an atomic adaptation execution, asynchronous execution of adaptation would be possible. In that case, we can supervise the adaptation process for a long time and ensure that every peer takes the planned actions as soon as the internal task execution allows it. To allow for a relaxed consistent way of adaptation execution, we develop a decentralised adaptation execution protocol, which supports the notion of eventual consistency. As soon as devices reconnect after network congestion or restore their internal state after local failures, our protocol can coordinate the recovery process among multiple devices to attempt recovery of a globally consistent state after errors occur. By superseding the need for a central instance, every peer who received information about failing peers can start the recovery process. The developed approach can restore a consistent global configuration if almost all peers fail. Moreover, the approach supports asynchronous adaptations, i.e., the peers can execute planned adaptations as soon as they are ready, which increases overall availability in case of delayed adaptation of single nodes. The developed protocol is evaluated with the help of a proof-of-concept implementation. The approach was run in five different experiments with thousands of iterations to show the applicability and reliability of this novel approach. The time for execution of the protocol and the number of exchanged messages has been measured to compare the protocol for different error cases and system sizes, as well as to show the scalability of the approach. The developed solution has been compared to a blocking approach to show the feasibility compared to an atomic approach. The applicability in a real-world scenario has been described in an empirical study using an example of a fire-extinguishing drone swarm. The results show that an optimistic approach to adaptation is suitable and specific scenarios can benefit from the improved availability since no rollbacks are required. Systems can continue their work regardless of the failures of participating nodes in large-scale systems.:Abstract VI 1. Introduction 1 1.1. Motivational Use-Case 2 1.2. Problem Definition 3 1.3. Objectives 4 1.4. Research Questions 5 1.5. Contributions 5 1.6. Outline 6 2. Foundation 7 2.1. Role Concept 7 2.2. Self-Adaptive Software Systems 13 2.3. Terminology for Role-Based Self-Adaptation 15 2.4. Consistency Preservation and Consistency Models 17 2.5. Summary 20 3. Related Work 21 3.1. Role-Based Approaches 22 3.2. Actor Model of Computation and Akka 23 3.3. Adaptation Execution in Self-Adaptive Software Systems 24 3.4. Change Consistency in Distributed Systems 33 3.5. Comparison of the Evaluated Approaches 40 4. The Decentralised Consistency Compensation Protocol 43 4.1. System and Error Model 43 4.2. Requirements to the Concept 44 4.3. The Usage of Roles in Adaptations 45 4.4. Protocol Overview 47 4.5. Protocol Description 51 4.6. Protocol Corner- and Error Cases 64 4.7. Summary 66 5. Prototypical Implementation 67 5.1. Technology Overview 67 5.2. Reused Artifacts 68 5.3. Implementation Details 70 5.4. Setup of the Prototypical Implementation 76 5.5. Summary 77 6. Evaluation 79 6.1. Evaluation Methodology 79 6.2. Evaluation Setup 80 6.3. Experiment Overview 81 6.4. Default Case: Successful Adaptation 84 6.5. Compensation on Disconnection of Peers 85 6.6. Recovery from Failed Adaptation 88 6.7. Impact of Early Activation of Adaptations 91 6.8. Comparison with a Blocking Approach 92 6.9. Empirical Study: Fire Extinguishing Drones 95 6.10. Summary 97 7. Conclusion and Future Work 99 7.1. Recap of the Research Questions 99 7.2. Discussion 101 7.3. Future Work 101 A. Protocol Buffer Definition 103 Acronyms 108 Bibliography 109

Die Dissertationsschrift widmet sich einer systemtheoretischen Untersuchung zur verkehrsabhängigen Steuerung von Lichtsignalanlagen in Straßennetzwerken. Aus einem mathematischen Modell für den Verkehrsablauf auf Knotenzufahrten wird ein Verfahren abgeleitet, mit dem sich Umschaltzeitpunkte und Phasenwechsel flexibel an das tatsächliche Verkehrsgeschehen anpassen lassen. Der Ansatzpunkt ist, die einzelnen Knotenpunkte des Netzwerks lokal zu optimieren. Eine "Grüne Welle" soll sich von selbst einstellen, und zwar genau dann, wenn dadurch lokal Wartezeiten eingespart werden. Indem die lokale Optimierung in ein lokales Stabilisierungsverfahren eingebettet wird, können Instabilitäten aufgrund netzwerkweiter Rückkopplungen ausgeschlossen werden. Das vorgestellte Verfahren setzt sich aus drei Teilen zusammen: (i) einem lokalen Prognoseverfahren zur Bewertung von Schaltzuständen und Phasenübergängen bezüglich zukünftig entstehender Wartezeiten, (ii) einem lokalen Optimierungsverfahren, das jeder Phase einen dynamischen Prioritätsindex zuweist und die Phase mit höchster Priorität zur Bedienung auswählt und (iii) einem lokalen Stabilisierungsverfahren, das zum Einhalten einer mittleren und einer maximalen Bedienperiode korrigierend in die lokale Optimierung eingreift. Indem die Knotenpunkte ausschließlich über die Verkehrsströme gekoppelt sind, ergeben sich die Umschaltzeitpunkte unmittelbar aus den Ankunftszeitpunkten der Fahrzeuge selbst. Die Phasenwechsel stellen sich somit von selbst bedarfsgerecht ein. Simulationsergebnisse machen deutlich, dass sich aufgrund der höheren Flexibilität sowohl die Wartezeiten als auch der Kraftstoffverbrauch senken lassen.

Cette thèse est consacrée à la décentralisation énergétique territoriale. Elle défend la montée en puissance des territoires dans la transition énergétique. Cette évolution doit-elle être stimulée par le haut, par des décisions et des objectifs mondiaux, européens et nationaux qui sont ensuite transposés dans les territoires ? Les territoires doivent-ils plutôt initier d’en bas les projets durables afin que la région et la nation les autorisent et les agrègent ? Comment les niveaux de l’intercommunalité et de la région montent- ils en puissance sur les questions énergétiques et climatiques ? Comment les nouveaux schémas et plans régionaux s’articulent-ils avec les documents d’urbanisme locaux ? L’autonomie énergétique des territoires est-elle possible et compatible avec la solidarité ? La méthodologie suivie repose sur une analyse du corpus, le traitement de données statistiques et un travail de terrain qui a retenu la Métropole Européenne de Lille, espace urbain, le Pays de Fayence dans le Var, espace rural, avec une ouverture sur Ouarzazate au Maroc, espace désertique et sur l’Union Economique et Monétaire-Ouest Africaine. Ces terrains tracent une verticale de recherche dans un contexte évolutif lié aux avancées de la COP 21, aux initiatives de la Commission Européenne et aux lois françaises de l’été 2015 relatives à la nouvelle organisation territoriale et à la transition énergétique pour la croissance verte. Ces terrains se regroupent en trois binômes pour apporter des résultats sur la France sous contrainte carbone, sur l’espace Méditerranéen et sur l’Afrique qui sera soumise à la contrainte carbone lorsque l’accord de Paris de la COP21 sera en vigueur. / This thesis investigates territorial energy decentralization. It advocates the greater involvement of territories in the energy transition. Should this evolution be driven from the top by global, European and national decisions and targets, which are then transposed in the territories? Would it be better for territories to initiate local sustainable projects, which can then be approved on a regional and national level and then aggregated? How can intercommunal and regional levels increase their influence in energy and climate matters? How do regional schemes and plans interact with local planning documents? Is territorial Energy Independence feasible, and is it compatible with solidarity? The methodology is based on analysis of the corpus, statistical computation and field work. The field work was conducted in four different spatial typologies: the new European Metropolis of Lille, an urban space, the Pays de Fayence, a Southern France rural space, Ouarzazate, Morocco, a desert space and the West African Economic and Monetary Union. These different typologies have allowed us to draw a vertical line guiding the research conducted given the evolving context post-COP 21, the new European Commission initiatives and the 2015 French laws on territorial organization and energy transition. These factors are grouped into three pairs to interpret the results on France’s carbon constraints, the Mediterranean region and Africa, which will only be subject to carbon constraints when the COP 21 Paris agreement has entered into force. / Diese Doktorarbeit befasst sich mit der regionalen Dezentralisierung der Energiegewinnung und -verteilung. Sie untersucht die Beziehungen zwischen der öffentlichen Politik, der Planung für Energie, Luft und Klima, sowie der Entwicklung der Gebiete hin zu einer positiven Energiebilanz. Sollte diese Evolution von Oben angestoßen werden, durch weltweite, europäische und nationale Entscheidungen und Ziele, die anschließend regional umgesetzt werden? Oder sollten nachhaltige Projekte regional initiiert werden, sodass „Régions“ und Nation sie genehmigen und in eine größerräumige Entwicklung eingliedern können? Inwiefern gewinnen Gemeindeverbände, Metropolen und Regionen in Energie-und Klimafragen an Macht? Wie fügen sich die neuen regionalen Konzepte und Planungen mit den Stadtentwicklungspapieren zusammen? Ist eine regionale energetische Autonomie möglich und mit dem Solidargedanken vereinbar? Die Arbeit beruht auf einer Korpusanalyse, der Verarbeitung statistischer Daten, der Teilnahme an Kolloquien und einer Arbeit vor Ort im städtischen Raum der Métropole Européenne de Lille, dem ländlich geprägten Pays de Fayence in Südfrankreich, mit einer Erweiterung in Richtung Ouarzazate in der Wüste Marokkos und zur Westafrikanischen Wirtschafts- und Währungsunion. Diese vier Gebiete liegen auf einer Forschungsvertikalen, und das in einem Kontext sich ändernder Gesetze im Zusammenhang mit den Fortschritten der COP21, mit den Initiativen der Europäischen Energie-und Klimakommission und mit der französischen Gesetzesänderungen im Sommer 2015, die die Neuverteilung der französischen Regionen und die Energiewende betrafen. Diese Gebiete sind in drei Paare aufgeteilt, um verschiedene Ergebnisse zu erbringen: einerseits in Frankreich, für das die Kohlendioxidgrenze gilt, anderseits der Mittelmeerraum und Afrika, die dieser Grenze noch nicht unterworfen sind, solange die Pariser Vereinbarung der COP21 noch nicht in Kraft getreten ist.

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Die Dissertationsschrift widmet sich einer systemtheoretischen Untersuchung zur verkehrsabhängigen Steuerung von Lichtsignalanlagen in Straßennetzwerken. Aus einem mathematischen Modell für den Verkehrsablauf auf Knotenzufahrten wird ein Verfahren abgeleitet, mit dem sich Umschaltzeitpunkte und Phasenwechsel flexibel an das tatsächliche Verkehrsgeschehen anpassen lassen. Der Ansatzpunkt ist, die einzelnen Knotenpunkte des Netzwerks lokal zu optimieren. Eine "Grüne Welle" soll sich von selbst einstellen, und zwar genau dann, wenn dadurch lokal Wartezeiten eingespart werden. Indem die lokale Optimierung in ein lokales Stabilisierungsverfahren eingebettet wird, können Instabilitäten aufgrund netzwerkweiter Rückkopplungen ausgeschlossen werden. Das vorgestellte Verfahren setzt sich aus drei Teilen zusammen: (i) einem lokalen Prognoseverfahren zur Bewertung von Schaltzuständen und Phasenübergängen bezüglich zukünftig entstehender Wartezeiten, (ii) einem lokalen Optimierungsverfahren, das jeder Phase einen dynamischen Prioritätsindex zuweist und die Phase mit höchster Priorität zur Bedienung auswählt und (iii) einem lokalen Stabilisierungsverfahren, das zum Einhalten einer mittleren und einer maximalen Bedienperiode korrigierend in die lokale Optimierung eingreift. Indem die Knotenpunkte ausschließlich über die Verkehrsströme gekoppelt sind, ergeben sich die Umschaltzeitpunkte unmittelbar aus den Ankunftszeitpunkten der Fahrzeuge selbst. Die Phasenwechsel stellen sich somit von selbst bedarfsgerecht ein. Simulationsergebnisse machen deutlich, dass sich aufgrund der höheren Flexibilität sowohl die Wartezeiten als auch der Kraftstoffverbrauch senken lassen.

Undichte Abwassersysteme sind in unserer urbanisierten Welt allgegenwärtig, und aufgrund ihrer versteckten Infrastruktur und der schwierigen Überwachung bleiben ihre Leckagen oft in der Anfangsphase unbemerkt. Trotz der umfangreichen technologischen Entwicklung bei den Kanalinspektionsmethoden und den dazugehörigen Techniken ist die Überwachung von Abwasserkanälen auf städtischer Ebene nach wie vor kostspielig und schwierig. Daher werden ein Empfehlungsverfahren und eine Methodenklassifizierung benötigt, um einen nachhaltigen und kosteneffizienten Kanalinspektionsplan auf Stadtebene zu erstellen. In diesem Zusammenhang kann diese Studie im Wesentlichen in drei Teile gegliedert werden. Zunächst wurde eine umfassende Literaturstudie zu den verfügbaren Kanalinspektionsmethoden durchgeführt, um ein umfassenderes Verständnis für deren Wirkungsbereich und technischen Grad zu erhalten. Darüber hinaus wurden diese Inspektionsmethoden auf der Grundlage ihres Wirkungsbereichs in drei Stufen eingeteilt, wobei Stufe 1 die Methoden mit dem größten Wirkungsbereich umfasst, wie z. B. die Verschlechterungsmodellierung, die ein umfassendes und dennoch zuverlässiges Verständnis der Integrität des Abwassersystems ermöglicht. Stufe 2 bietet intermediäre Inspektionsmethoden wie Wärmebildaufnahmen aus der Luft und geoelektrische Inspektionstechniken, die eine zerstörungsfreie Inspektion, der von Stufe 1 vorgeschlagenen Bereiche ermöglichen. Bei den Methoden der Stufe 3 handelt es sich in erster Linie um Inspektionstechniken in der Rohrleitung, die häufig eine Rohrentwässerung erfordern und im Gegenzug für eine hohe Erkennungsgenauigkeit kostspielig zu implementieren sind. Zweitens wurde als Beitrag zu den Tier-1-Methoden das Vulnerability Hotspot Mapping entwickelt, ein GIS-gestütztes Modell, das die am häufigsten von den Entleerungsmodellen verwendeten Faktoren berücksichtigt und Bereiche des Abwassersystems anbietet, die besonders anfällig für Leckagen sind. Die Validierungs- und Sensitivitätsanalysen ergaben, dass die Fließgeschwindigkeit, das Rohralter und die Oberflächenvegetation die sinnvollsten Faktoren für das Modell sind. Darüber hinaus ergab das lineare Modell einen Wirkungsgrad von 76 % und einen mittleren quadratischen Fehler von 0,918, während es durch den Random-Forest-Algorithmus mit 400 Bäumen verbessert wurde, was auf das Potenzial der Schwachstellen-Kartierung als frühzeitige Methode zur Kanalinspektion auf Stadtebene hinweist. Drittens wurden die Tier-2-Methoden aktualisiert, indem das Potenzial der elektrischen Widerstandstomographie und der Mise-la-masse-Techniken als geoelektrische und zerstörungsfreie Methoden hervorgehoben wurde, die experimentell in einem Holzrahmen mit einer Matrix aus Sensoren und Elektroden getestet wurden. Der Versuchsbehälter besteht aus drei Schichten von Elektroden in gesättigten und ungesättigten Zonen, in denen verschiedene Leckageszenarien durchgeführt wurden, um die Sichtbarkeit von Leckagen mit diesen Methoden zu untersuchen. Trotz der Fähigkeit dieser Methoden zur Leckageerkennung wurde festgestellt, dass die elektrische Widerstandstomographie eine höhere Leckageerkennungsempfindlichkeit als die Mise à la masse hat, während sie eine geringere Flexibilität bietet, was ein wichtiger Punkt bei der Methodenauswahl ist. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Mise à-la-masse empfindlicher auf das Vorhandensein von Leckagen reagiert als auf Feuchtigkeits- und Temperaturschwankungen, was zu einem Pearson's r und R2 von 0,8 bzw. 0,7 im Vergleich zu den während der Leckageszenarien gesammelten Daten führte. Insgesamt schlägt diese Studie vor, dass mindestens zwei (vorzugsweise drei) Inspektionstechniken, die zu verschiedenen Ebenen gehören, eingesetzt werden sollten, um einen nachhaltigen Inspektionsplan auf Stadtebene zu haben. Der vorgeschlagene Ansatz hilft dabei, ein Gleichgewicht zwischen Kosten und Präzision sowie ein Gleichgewicht zwischen Zeit und Einwirkungsbereich herzustellen, was einen dezentralisierten und nachhaltigen Inspektionsplan ermöglicht.:List of Abbreviations .......................................................................................... IX List of Peer-Reviewed Publications on the Ph.D. Topic .................................. X List of Co-authored Peer-Reviewed Publications on the Ph.D. Topic ............ X 1 General Introduction........................................................................... 1 1.1 Background ....................................................................................................... 1 1.2 Aim and Objectives .......................................................................................... 3 1.3 Structure of the Document ............................................................................. 3 2 Towards a Decentralized Solution for Sewer Leakage Detection .............................................................................................. 8 2.1 Introduction ...................................................................................................... 10 2.2 Sewer inspection methods (SIMs) overview ................................................. 11 2.2.1 Tier-one (T-I) ................................................................................................................. 11 Deterioration models ....................................................................................................... 12 Hotspot mapping .............................................................................................................. 14 2.2.2 Tier-two (T-II) methods ............................................................................................... 15 Aerial thermal imaging (ATI) ............................................................................................ 15 Ground penetration radar (GPR) .................................................................................... 16 Electrical resistivity tomography (ERT) ........................................................................... 17 Mise-à-la-masse method (MLM)...................................................................................... 18 Soil Sampling ..................................................................................................................... 18 2.2.3 Tier-three (T-III) methods ........................................................................................... 20 General approaches ......................................................................................................... 20 Laser scanning ................................................................................................................... 21 Visual inspection ............................................................................................................... 21 Acoustic methods ............................................................................................................. 22 Ultrasonic inspection ........................................................................................................ 24 Multi-sensor robots .......................................................................................................... 24 Electromagnetic Inspection ............................................................................................. 26 Thermography Inspection ............................................................................................... 26 Tracer Test ......................................................................................................................... 27 VII 2.3 Discussion.......................................................................................................... 30 2.4 Conclusion and outlook ................................................................................... 33 2.5 References ......................................................................................................... 34 3 Vulnerability Hotspot Mapping (VHM) of Sewer Pipes based on Deterioration Factors .................................................................... 42 3.1 Introduction ...................................................................................................... 43 3.2 Materials and Methods.................................................................................... 44 3.2.1 Overview of the sewer deterioration factors. .......................................................... 45 Pipe Age .............................................................................................................................. 46 Pipe Material ...................................................................................................................... 47 Sewer Type ......................................................................................................................... 48 Flow Velocity ...................................................................................................................... 48 Node Degree...................................................................................................................... 49 Surface Vegetation ............................................................................................................ 50 Criticality class and weighting matrix ............................................................................. 50 3.3 Case study ......................................................................................................... 52 3.4 Results and discussions ................................................................................... 54 3.4.1 Network assessment .................................................................................................. 54 3.4.2 Validation and sensitivity analysis ............................................................................ 56 3.5 Summary and conclusion ................................................................................ 61 3.6 Reference........................................................................................................... 63 4 Laboratory Application of the Mise-à-la-Masse (MALM) for Sewer Leakage Detection as an intermediary inspection method. ................................................................................................ 67 4.1 Introduction ...................................................................................................... 68 4.2 Methodology ..................................................................................................... 70 4.2.1 Mise-à-la-Masse method (MALM) .............................................................................. 70 4.2.2 Experimental setup ..................................................................................................... 70 4.2.3 Measurement principles ............................................................................................ 72 4.2.4 Assessed Scenarios ..................................................................................................... 73 4.3 Results and discussions ................................................................................... 74 VIII Inhaltsverzeichnis 4.3.1 Contour Visualization ................................................................................................. 74 First Leakage scenario ...................................................................................................... 74 Other leakage scenarios .................................................................................................. 75 4.3.2 Trend Analyses ............................................................................................................ 77 Leakage proximity ............................................................................................................. 77 Vertical Assessment .......................................................................................................... 78 4.3.3 Data Validation and Sensitivity Analyses ................................................................. 79 Data Validation .................................................................................................................. 79 Sensitivity Analyses ........................................................................................................... 80 4.3.4 Application in practice ................................................................................................ 82 4.4 Summary and Conclusion ............................................................................... 83 4.5 References ......................................................................................................... 85 5 Conclusions and Outlooks .................................................................. 88 5.1 Discussion and Conclusions ............................................................................ 88 5.2 Outlooks ............................................................................................................ 89 6 Supplementary Information ............................................................... 92 / Leaky sewer systems are present in our urbanized world and due to their hidden infrastructure and monitoring challenges, their leakages tend to remain unnoticed often at initial stages. Despite an extensive technological development in sewer inspection methods and their implemented techniques, sewer monitoring at the city scale remains costly and challenging. Therefore, a recommendation procedure and method classification are needed to have a sustainable and cost-effective sewer inspection plan at the city scale. In this context, this study can be mainly divided into three parts. First, an extensive study literature was conducted on available sewer inspection methods to have a wider understanding on their area of impacts and technicality levels, Furthermore, these inspection methods were categorized into three tiers based on their area of impact where Tier-1 consists of largest area of impact methods such as deterioration modelling, which provide a vast yet reliable understanding of the sewer system integrity. Tier-2 offers intermediatory inspection methods such as aerial thermal imagery and geo-electrical inspection techniques, which can provide a non-destructive inspection on areas suggested from Tier-1 techniques. Following the area of impact, Tier-3 methods are mostly in-pipe inspection techniques, which often demand pipe dewatering and are costly to implement in returns of a high detection precision. Second, as a contribution to Tier-1 methods, Vulnerability Hotspot Mapping was developed, which is a GIS-based model according to the most frequently used factors by deterioration models and offers areas of the sewer system more prone to leakage. The validation and sensitivity analyses revealed that flow velocity, pipe age, and surface vegetation are the most sensible factors to the model respectively. Furthermore, the linear model resulted in 76% of efficiency and mean squared error of 0,918 while it was improved with random forest algorithm with 400 trees, which points out the vulnerability mapping potential as an early sewer inspection method at the city scale. Third, Tier-2 methods were updated by emphasizing on the potential of Electrical Resistivity Tomography and Mise à-la-masse techniques as geo-electrical and non-destructive methods, which were experimentally tested within a wooden frame with a matrix of sensors and electrodes implemented. The experimental tank consists of three layers of electrodes in saturated and unsaturated zones, when various leakage scenarios were conducted to investigate on leakage visibility by these methods. Despite the capability of these methods for leakage detection, it was assessed that Electrical Resistivity Tomography has higher leakage detection sensibility than Mise à-la-masse while offering less mobility, which is a considerable point in method selection process. Moreover, it was observed that Mise à-la-masse is more sensitive to leakage presence rather than humidity and temperature variations and resulted in 0.8 and 0.7 in Pearson’s r and R2 respectively in comparison to sampled data during the leakage scenarios. All over, this study suggests that at least two (preferably 3) inspection techniques belonging to different tiers should be implemented to have a sustainable inspection plan at the city scale. The proposed approach helps to have a balance between cost and precision as well as an equilibrium between time and area of impact, which provides a decentralized and sustainable inspection plan.:List of Abbreviations .......................................................................................... IX List of Peer-Reviewed Publications on the Ph.D. Topic .................................. X List of Co-authored Peer-Reviewed Publications on the Ph.D. Topic ............ X 1 General Introduction........................................................................... 1 1.1 Background ....................................................................................................... 1 1.2 Aim and Objectives .......................................................................................... 3 1.3 Structure of the Document ............................................................................. 3 2 Towards a Decentralized Solution for Sewer Leakage Detection .............................................................................................. 8 2.1 Introduction ...................................................................................................... 10 2.2 Sewer inspection methods (SIMs) overview ................................................. 11 2.2.1 Tier-one (T-I) ................................................................................................................. 11 Deterioration models ....................................................................................................... 12 Hotspot mapping .............................................................................................................. 14 2.2.2 Tier-two (T-II) methods ............................................................................................... 15 Aerial thermal imaging (ATI) ............................................................................................ 15 Ground penetration radar (GPR) .................................................................................... 16 Electrical resistivity tomography (ERT) ........................................................................... 17 Mise-à-la-masse method (MLM)...................................................................................... 18 Soil Sampling ..................................................................................................................... 18 2.2.3 Tier-three (T-III) methods ........................................................................................... 20 General approaches ......................................................................................................... 20 Laser scanning ................................................................................................................... 21 Visual inspection ............................................................................................................... 21 Acoustic methods ............................................................................................................. 22 Ultrasonic inspection ........................................................................................................ 24 Multi-sensor robots .......................................................................................................... 24 Electromagnetic Inspection ............................................................................................. 26 Thermography Inspection ............................................................................................... 26 Tracer Test ......................................................................................................................... 27 VII 2.3 Discussion.......................................................................................................... 30 2.4 Conclusion and outlook ................................................................................... 33 2.5 References ......................................................................................................... 34 3 Vulnerability Hotspot Mapping (VHM) of Sewer Pipes based on Deterioration Factors .................................................................... 42 3.1 Introduction ...................................................................................................... 43 3.2 Materials and Methods.................................................................................... 44 3.2.1 Overview of the sewer deterioration factors. .......................................................... 45 Pipe Age .............................................................................................................................. 46 Pipe Material ...................................................................................................................... 47 Sewer Type ......................................................................................................................... 48 Flow Velocity ...................................................................................................................... 48 Node Degree...................................................................................................................... 49 Surface Vegetation ............................................................................................................ 50 Criticality class and weighting matrix ............................................................................. 50 3.3 Case study ......................................................................................................... 52 3.4 Results and discussions ................................................................................... 54 3.4.1 Network assessment .................................................................................................. 54 3.4.2 Validation and sensitivity analysis ............................................................................ 56 3.5 Summary and conclusion ................................................................................ 61 3.6 Reference........................................................................................................... 63 4 Laboratory Application of the Mise-à-la-Masse (MALM) for Sewer Leakage Detection as an intermediary inspection method. ................................................................................................ 67 4.1 Introduction ...................................................................................................... 68 4.2 Methodology ..................................................................................................... 70 4.2.1 Mise-à-la-Masse method (MALM) .............................................................................. 70 4.2.2 Experimental setup ..................................................................................................... 70 4.2.3 Measurement principles ............................................................................................ 72 4.2.4 Assessed Scenarios ..................................................................................................... 73 4.3 Results and discussions ................................................................................... 74 VIII Inhaltsverzeichnis 4.3.1 Contour Visualization ................................................................................................. 74 First Leakage scenario ...................................................................................................... 74 Other leakage scenarios .................................................................................................. 75 4.3.2 Trend Analyses ............................................................................................................ 77 Leakage proximity ............................................................................................................. 77 Vertical Assessment .......................................................................................................... 78 4.3.3 Data Validation and Sensitivity Analyses ................................................................. 79 Data Validation .................................................................................................................. 79 Sensitivity Analyses ........................................................................................................... 80 4.3.4 Application in practice ................................................................................................ 82 4.4 Summary and Conclusion ............................................................................... 83 4.5 References ......................................................................................................... 85 5 Conclusions and Outlooks .................................................................. 88 5.1 Discussion and Conclusions ............................................................................ 88 5.2 Outlooks ............................................................................................................ 89 6 Supplementary Information ............................................................... 92

Seit der Unabhängigkeit der zentralasiatischen Republik Kirgisistan haben Politik, Verwaltung und Ökonomie verschiedene Formen von Dezentralisierung erfahren. Diese Dissertation umfasst fünf Essays, die die Dezentralisierung im landwirtschafltichen Sektor aus institutionenökonomischer Sicht untersuchen. Die ersten zwei Essays geben detaillierte Einblicke in die institutionellen Rahmenbedingungen von Dezentralisierung und beurteilen ihrer Wirkung in Hinblick auf Serviceverfügbarkeit und -qualität in dörflichen Gemeinden. Die folgenden drei Essays untersuchen, anhand einzelner und multipler Fallstudien, ein spezifisches Beispiel der Dezentralisierung landwirtschaftlicher Services: die Einführung von gemeindebasiertem Weidemanagement. Es lassen sich drei Ergebnisse ableiten: Erstens, internationale Nichtregierungsorganisationen (NROs) steuern das ländliche Dienstleistungsangebot und fördern die Bildung gemeindebasierter Nutzergruppen für ausgewählte Services. Zweitens, Institutionen zur Implementierung der Servicebereitstellung werden von NROs entwickelt; drittens, die Servicebereitsstellung ist nicht befriedigend und das Potential zur Berücksichtigung lokaler Servicebedürfnisse und lokalen Wissens wird nur teilweise ausgeschöpft, da die Implementierung keine umfassende Servicenutzerbeteiligung sicherstellt. Die Wirkungen gemeindebasierter Dezentralisierungsprozesse sind als Ergebnis rationaler Handlungsentscheidungen von lokalen Mitarbeitern der NRO und Verantwortlichen in der dörflichen Verwaltung zu verstehen. Diese Entscheidungen sind vielfach durch extern entwickelte, und teilweise unpassende, Institutionen bestimmt. Verbesserte Implementierungsstrategien sind daher notwendig. Diese sind auf Basis detaillierter qualitativer Studien des lokalen Umsetzungskontexts zu entwickeln. / Since the Central Asian Kyrgyz Republic gained independence from the Soviet Union, policy making, administration and economy have seen some form of decentralization. This dissertation contains five essays which study decentralization in the Kyrgyz agricultural sector from an institutional economics perspective. The first two essays provide in-depth information on the institutional setting of decentralization and its effects on service availability and quality at municipality level. The subsequent three essays explore, based on single and multiple case studies, one specific field of decentralized agricultural services: a community-based natural resource management reform in the pasture sector. The three key findings are: first, international NGOs govern rural service provision and support the creation of community-based service user groups for selected services; second, the NGOs design institutions for implementation and provide financial resources; third, service provision is unadequate and, because implementation does not provide for broader service user involvement in decision making, service user needs and local knowledge impact service decisions only to a very limited degree. The overall result of the dissertation is that the municipality-level processes of decentralization must be understood as outcomes of rational decision making of lowest-level NGO staff and municipality level policy administrators. These decisions are impacted by partly inappropriate, externally designed implementation institutions. Improved implementation rule design is therefore needed. The recommendation from this research is therefore to use detailed qualitative studies of implementation contexts as a basis for developing better tailored implementation strategies.

The thesis is composed of two main parts. The first part deals with a microscopic traffic flow theory. Models describing the individual acceleration, deceleration and lane-changing behavior are formulated and the emerging collective traffic dynamics are investigated by means of numerical simulations. The models and simulation tools presented provide the methodical prerequisites for the second part of the thesis in which a novel concept of a traffic-adaptive control strategy for ACC systems is presented. The impact of such systems on the traffic dynamics can solely be investigated and assessed by traffic simulations. The focus is on future adaptive cruise control (ACC) systems and their potential applications in the context of vehicle-based intelligent transportation systems. In order to ensure that ACC systems are implemented in ways that improve rather than degrade traffic conditions, the thesis proposes an extension of ACC systems towards traffic-adaptive cruise control by means of implementing an actively jam-avoiding driving strategy. The newly developed traffic assistance system introduces a driving strategy layer which modifies the driver's individual settings of the ACC driving parameters depending on the local traffic situation. Whilst the conventional operational control layer of an ACC system calculates the response to the input sensor data in terms of accelerations and decelerations on a short time scale, the automated adaptation of the ACC driving parameters happens on a somewhat longer time scale of, typically, minutes. By changing only temporarily the comfortable parameter settings of the ACC system in specific traffic situations, the driving strategy is capable of improving the traffic flow efficiency whilst retaining the comfort for the driver. The traffic-adaptive modifications are specified relative to the driver settings in order to maintain the individual preferences. The proposed system requires an autonomous real-time detection of the five traffic states by each ACC-equipped vehicle. The formulated algorithm is based on the evaluation of the locally available data such as the vehicle's velocity time series and its geo-referenced position (GPS) in conjunction with a digital map. It is assumed that the digital map is complemented by information about stationary bottlenecks as most of the observed traffic flow breakdowns occur at these fixed locations. By means of a heuristic, the algorithm determines which of the five traffic states mentioned above applies best to the actual traffic situation. Optionally, inter-vehicle and infrastructure-to-car communication technologies can be used to further improve the accuracy of determining the respective traffic state by providing non-local information. By means of simulation, we found that the automatic traffic-adaptive driving strategy improves traffic stability and increases the effective road capacity. Depending on the fraction of ACC vehicles, the driving strategy "passing a bottleneck" effects a reduction of the bottleneck strength and therefore delays (or even prevents) the breakdown of traffic flow. Changing to the driving mode "leaving the traffic jam" increases the outflow from congestion resulting in reduced queue lengths in congested traffic and, consequently, a faster recovery to free flow conditions. The current travel time (as most important criterion for road users) and the cumulated travel time (as an indicator of the system performance) are used to evaluate the impact on the quality of service. While traffic congestion in the reference scenario was completely eliminated when simulating a proportion of 25% ACC vehicles, travel times were significantly reduced even with much lower penetration rates. Moreover, the cumulated travel times decreased consistently with the increase in the proportion of ACC vehicles. / In der Arbeit wird ein neues verkehrstelematisches Konzept für ein verkehrseffizientes Fahrverhalten entwickelt und als dezentrale Strategie zur Vermeidung und Auflösung von Verkehrsstaus auf Richtungsfahrbahnen vorgestellt. Die operative Umsetzung erfolgt durch ein ACC-System, das um eine, auf Informationen über die lokale Verkehrssituation basierende, automatisierte Fahrstrategie erweitert wird. Die Herausforderung bei einem Eingriff in das individuelle Fahrverhalten besteht - unter Berücksichtigung von Sicherheits-, Akzeptanz- und rechtlichen Aspekten - im Ausgleich der Gegensätze Fahrkomfort und Verkehrseffizienz. Während sich ein komfortables Fahren durch große Abstände bei geringen Fahrzeugbeschleunigungen auszeichnet, erfordert ein verkehrsoptimierendes Verhalten kleinere Abstände und eine schnellere Anpassung an Geschwindigkeitsänderungen der umgebenden Fahrzeuge. Als allgemeiner Lösungsansatz wird eine verkehrsadaptive Fahrstrategie vorgeschlagen, die ein ACC-System mittels Anpassung der das Fahrverhalten charakterisierenden Parameter umsetzt. Die Wahl der Parameter erfolgt in Abhängigkeit von der lokalen Verkehrssituation, die auf der Basis der im Fahrzeug zur Verfügung stehenden Informationen automatisch detektiert wird. Durch die Unterscheidung verschiedener Verkehrssituationen wird ein temporärer Wechsel in ein verkehrseffizientes Fahrregime (zum Beispiel beim Herausfahren aus einem Stau) ermöglicht. Machbarkeit und Wirkungspotenzial der verkehrsadaptiven Fahrstrategie werden im Rahmen eines mikroskopischen Modellierungsansatzes simuliert und hinsichtlich der kollektiven Verkehrsdynamik, insbesondere der Stauentstehung und Stauauflösung, auf mehrspurigen Richtungsfahrbahnen bewertet. Die durchgeführte Modellbildung, insbesondere die Formulierung eines komplexen Modells des menschlichen Fahrverhaltens, ermöglicht eine detaillierte Analyse der im Verkehr relevanten kollektiven Stabilität und einer von der Stabilität abhängigen stochastischen Streckenkapazität. Ein tieferes Verständnis der Stauentstehung und -ausbildung wird durch das allgemeine Konzept der Engstelle erreicht. Dieses findet auch bei der Entwicklung der Strategie für ein stauvermeidendes Fahrverhalten Anwendung. In der Arbeit wird die stauvermeidende und stauauflösende Wirkung eines individuellen, verkehrsadaptiven Fahrverhaltens bereits für geringe Ausstattungsgrade nachgewiesen. Vor dem Hintergrund einer zu erwartenden Verbreitung von ACC-Systemen ergibt sich damit eine vielversprechende Option für die Steigerung der Verkehrsleistung durch ein teilautomatisiertes Fahren. Der entwickelte Ansatz einer verkehrsadaptiven Fahrstrategie ist unabhängig vom ACC-System. Er erweitert dessen Funktionalität im Hinblick auf zukünftige, informationsbasierte Fahrerassistenzsysteme um eine neue fahrstrategische Dimension. Die lokale Interpretation der Verkehrssituation kann neben einer verkehrsadaptiven ACC-Regelung auch der Entwicklung zukünftiger Fahrerinformationssysteme dienen.

Die fortgeschrittene Phase der Energiewende ist, neben einer zunehmenden Notwendigkeit zur Systemintegration, vor allem geprägt durch das Zutage treten grundsätzlicher Richtungsentscheidungen – der Schwerpunkt verschiebt sich also vom ‚Ob‘ zum ‚Wie‘. Heutige Infrastrukturentscheidungen begründen dabei ganz unterschiedliche Energiezukünfte, welche wiederum über sozio-technische Pfadabhängigkeiten auf Dauer gestellt werden. Die Arbeit rückt zunächst die hierfür maßgeblichen Stellschrauben in den Vordergrund und beleuchtet deren wirtschaftliche und technische Grundlagen sowie die Bandbreite konkurrierender politischer Steuerungsoptionen. Auf dieser Datengrundlage wird im Rahmen einer Clusteranalyse die Aktualisierung des politikfeldspezifischen Akteurskoalitionsmodells vorgeschlagen. Im Mittelpunkt steht dabei die strukturbildende Unterscheidung zwischen einer eher zentralen und einer eher dezentralen Energiezukunft. Die so skizzierte ‚Landkarte der Energiewende‘ ist weiterhin eingebettet in eine Untersuchung des Energiediskurses auf Akteurs- und Medienebene sowie durch eine Politikfeldanalyse, in der aktuelle steuerungspolitische Problemstellungen und Handlungsmuster auf Basis technologischer Fallbeispiele beleuchtet werden. Die Arbeit ist ein Ergebnis der Forschung im interdisziplinären Boysen-TU Dresden Graduiertenkolleg „Nachhaltige Energiesysteme – Interdependenz von technischer Gestaltung und gesellschaftlicher Akzeptanz.“