Nowadays, increasingly large amounts of data are being collected in numerous areas ranging from science to industry. To gain valueable insights from these data, the importance of Online Analytical Processing (OLAP) workloads is constantly growing. At the same time, the hardware landscape is continuously evolving. On the one hand, the increasing capacities of DRAM allow database systems to store their entire data in main memory. Furthermore, the performance of microprocessors has improved tremendously in recent years through the use of sophisticated hardware techniques, such as Single Instruction Multiple Data (SIMD) extensions promising hitherto unknown processing speeds. On the other hand, the main memory bandwidth has not increased proportionately, such that the data access is now the main bottleneck for an efficient data processing. To face these developments, in-memory column-stores have emerged as a new database architecture. These systems store each attribute of a relation separately in memory as a contiguous sequence of values. It is state-of-the-art to encode all values as integers and apply lossless lightweight integer compression to reduce the data size. This offers several advantages ranging from lower transfer times between RAM and CPU over a better utilization of the cache hierarchy to fast direct processing of compressed data. However, compression also incurs a certain computational overhead. State-of-the-art systems focus on the compression of base data. However, intermediate results generated during the execution of complex analytical queries can exceed the base data in number and total size. Since in in-memory systems, accessing intermediates is as expensive as accessing base data, intermediates should be handled as efficiently as possible, too. While there are approaches trying to avoid intermediates whenever it is possible, we envision the orthogonal approach of efficiently representing intermediates using lightweight integer compression algorithms to reduce memory accesses. More precisely, our vision is a balanced query processing based on lightweight compression of intermediate results in in-memory column-stores. That means, all intermediates shall be represented using a suitable lightweight integer compression algorithm and processed by compression-enabled query operators to avoid a full decompression, whereby compression shall be used in a balanced way to ensure that its benefits outweigh its costs. In this thesis, we address all important aspects of this vision. We provide an extensive overview of existing lightweight integer compression algorithms and conduct a systematical experimental survey of several of these algorithms to gain a deep understanding of their behavior. We propose a novel compression-enabled processing model for in-memory column-stores allowing a continuous compression of intermediates. Additionally, we develop novel cost-based strategies for a compression-aware secondary query optimization to make effective use of our processing model. Our end-to-end evaluation using the famous Star Schema Benchmark shows that our envisioned compression of intermediates can improve both the memory footprint and the runtime of complex analytical queries significantly.:1 Introduction 1.1 Contributions 1.2 Outline 2 Lightweight Integer Compression 2.1 Foundations 2.1.1 Disambiguation of Lightweight Integer Compression 2.1.2 Overview of Lightweight Integer Compression 2.1.3 State-of-the-Art in Lightweight Integer Compression 2.2 Experimental Survey 2.2.1 Related Work 2.2.2 Experimental Setup and Methodology 2.2.3 Evaluation of the Impact of the Data Characteristics 2.2.4 Evaluation of the Impact of the Hardware Characteristics 2.2.5 Evaluation of the Impact of the SIMD Extension 2.3 Summary and Discussion 3 Processing Compressed Intermediates 3.1 Processing Model for Compressed Intermediates 3.1.1 Related Work 3.1.2 Description of the Underlying Processing Model 3.1.3 Integration of Compression into Query Operators 3.1.4 Integration of Compression into the Overall Query Execution 3.1.5 Efficient Implementation 3.1.6 Evaluation 3.2 Direct Integer Morphing Algorithms 3.2.1 Related Work 3.2.2 Integer Morphing Algorithms 3.2.3 Example Algorithms 3.2.4 Evaluation 3.3 Summary and Discussion 4 Compression-Aware Query Optimization Strategies 4.1 Related Work 4.2 Compression-Aware Secondary Query Optimization 4.2.1 Compression-Level: Selecting a Suitable Algorithm 4.2.2 Operator-Level: Selecting Suitable Input/Output Formats 4.2.3 QEP-Level: Selecting Suitable Formats for All Involved Columns 4.3 Evaluation 4.3.1 Compression-Level: Selecting a Suitable Algorithm 4.3.2 Operator-Level: Selecting Suitable Input/Output Formats 4.3.3 Lessons Learned 4.4 Summary and Discussion 5 End-to-End Evaluation 5.1 Experimental Setup and Methodology 5.2 A Simple OLAP Query 5.3 Complex OLAP Queries: The Star Schema Benchmark 5.4 Summary and Discussion 6 Conclusion 6.1 Summary of this Thesis 6.2 Directions for Future Work Bibliography List of Figures List of Tables

Brennstoffzellen-Stapel werden zu Beginn ihres Bauteil-Lebens einmal abschließend fix verspannt. Für das Kompressionsverhalten der Einheitszelle ist das Material der Bipolarplatte eine maßgebliche Einflussgröße. Auf Ebene der Bipolarplatte werden allgemein zwei Basismaterialien verwendet; beschichtete Metallplatten und Carbonplatten. Metallische Bipolarplatten bestehen aus dünnen Blechen. Bipolarplatten aus Carbon sind Vollkörper-Elemente aus carbongraphitischem Kompositmaterial, in deren Vollkörper die geometrische Struktur des Plattendesigns eingebettet ist. In diesem Beitrag wird ein Vergleich zwischen der Verpressung von Metallplatten-Stapeln gegenüber Carbonplatten-Stapeln auf Basis von produktionsnahen, statistischen Daten herangezogen. Hierbei ist das jeweils unterschiedliche Kompressionverhalten der Brennstoffzellen-Stapel mit ihren entsprechenden Federelementen entscheidend. Der Vergleich zeigt, dass ein fundamentaler Unterschied im Kompressionsverhalten zwischen beschichteten Metallplatten und komposit-basierten Carbonplatten besteht. Dies ist insbesondere im Hinblick auf großserien-taugliche Produktionsverfahren entscheidend, bei dem eng getaktete Stapel- und Verspannprozesse eine Schlüsselstelle im Aufbau von Brennstoffzellen-Stapeln als Massenprodukt darstellen. / Fuel cell stacks are finally clamped in place at the beginning of their component life. The material of the bipolar plate is a decisive influencing factor for the compression behavior of the unit cell. Two basic materials are generally used at the level of the bipolar plate; coated metal plates and carbon plates. Metallic bipolar plates consist of thin sheets. Bipolar plates made of carbon are full-body elements made of carbon-graphitic composite material, in whose full body the geometric structure of the plate design is embedded. This article uses a comparison between the compression of metal plate stacks versus carbon plate stacks on the basis of production-related statistical data. The different compression behavior of the fuel cell stacks with their corresponding spring elements is decisive here. The comparison shows that there is a fundamental difference in the compression behavior between coated metal plates and composite-based carbon plates. This is particularly important with regard to production processes suitable for large-scale series, in which closely-timed stacking and clamping processes represent a key point in the construction of fuel cell stacks as a mass product.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Kompaktier-Granulierung von Kalisalzen zur Herstellung von Düngemittelgranulat experimentell untersucht und ein Modellansatz zur Beschreibung von derartigen Kreisläufen abgeleitet. Bei der Kompaktier-Granulierung wird fein-disperses Kalisalz mit Hilfe von Walzenpressen zu sogenannten Schülpen verpresst. Diese werden durch nachfolgende Zerkleinerung und Klassierung zu Düngemittelgranulat (enge Partikelgrößenklasse, wie beispielsweise 2 – 4 mm) verarbeitet. Basierend auf halb-industriellen Kreisläufen werden im vorliegenden Beitrag wesentliche Prozesswechselwirkungen zwischen Kompaktierung, Zerkleinerung und Klassierung ausgearbeitet. Detailuntersuchungen zeigen, dass sich insbesondere die Schülpenfestigkeiten wie auch die schüttgutmechanischen Eigenschaften des Pressenaufgabegutes im Kreislaufbetrieb ändern. Darauf aufbauend wird ein Modellansatz abgeleitet der die Abschätzung des Kreislaufbetriebs erlaubt.

Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung verschiedener Konzepte und Algorithmen zum skalierbaren Live-Streaming von Video sowie deren Umsetzung in der Media Internet Streaming Toolbox. Die Toolbox stellt eine erweiterbare, plattformunabhängige Infrastruktur zur Erstellung aller Teile eines Live-Streamingsystems von der Videogewinnung über die Medienverarbeitung und Codierung bis zum Versand bereit. Im Vordergrund steht die flexible Beschreibung der Medienverarbeitung und Stromerstellung sowie die Erzeugung von klientenindividuellen Stromformaten mit unterschiedlicher Dienstegüte für eine möglichst große Zahl von Klienten und deren Verteilung über das Internet. Es wird ein integriertes graphenbasiertes Konzept entworfen, in dem das Component Encoding Stream Construction, die Verwendung von Compresslets und eine automatisierte Flussgraphenkonstruktion miteinander verknüpft werden. Die für die Stromkonstruktion relevanten Teile des Flussgraphen werden für Gruppen mit identischem Zustand entkoppelt vom Rest ausgeführt. Dies führt zu einer maximalen Rechenlast, die unabhängig von der Zahl der Klienten ist, was sowohl theoretisch gezeigt als auch durch konkrete Messungen bestätigt wird. Als Beispiele für die Verwendung der Toolbox werden unter Anderem zwei waveletbasierte Stromformate entwickelt, integriert und bezüglich Codiereffizienz und Skalierbarkeit miteinander verglichen

This thesis describes Burrow-Wheeler compression algorithm. It focuses on each part of Burrow-Wheeler algorithm, most of all on and entropic coders. In section are described methods like move to front, inverse frequences, interval coding, etc. Among the described entropy coders are Huffman, arithmetic and Rice-Golomg coders. In conclusion there is testing of described methods of global structure transformation and entropic coders. Best combinations are compared with the most common compress algorithm.

Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung verschiedener Konzepte und Algorithmen zum skalierbaren Live-Streaming von Video sowie deren Umsetzung in der Media Internet Streaming Toolbox. Die Toolbox stellt eine erweiterbare, plattformunabhängige Infrastruktur zur Erstellung aller Teile eines Live-Streamingsystems von der Videogewinnung über die Medienverarbeitung und Codierung bis zum Versand bereit. Im Vordergrund steht die flexible Beschreibung der Medienverarbeitung und Stromerstellung sowie die Erzeugung von klientenindividuellen Stromformaten mit unterschiedlicher Dienstegüte für eine möglichst große Zahl von Klienten und deren Verteilung über das Internet. Es wird ein integriertes graphenbasiertes Konzept entworfen, in dem das Component Encoding Stream Construction, die Verwendung von Compresslets und eine automatisierte Flussgraphenkonstruktion miteinander verknüpft werden. Die für die Stromkonstruktion relevanten Teile des Flussgraphen werden für Gruppen mit identischem Zustand entkoppelt vom Rest ausgeführt. Dies führt zu einer maximalen Rechenlast, die unabhängig von der Zahl der Klienten ist, was sowohl theoretisch gezeigt als auch durch konkrete Messungen bestätigt wird. Als Beispiele für die Verwendung der Toolbox werden unter Anderem zwei waveletbasierte Stromformate entwickelt, integriert und bezüglich Codiereffizienz und Skalierbarkeit miteinander verglichen

Mining operations produce a multiscale network of fractures in the coal seams. Permeability evolution in rocks is important for coal bed methane (CBM) and shale gas exploitation as well as for greenhouse gas storage. Therefore, this work presents laboratory tests and a coupled model using PFC3D and FLAC3D to simulate the stress induced permeability evolution in coal samples. Basic mechanical properties are determined via lab testing. The spatial distributions of different components inside the reconstructed samples produce a significant heterogeneity based on CT technique. A newly developed experimental system is employed to perform 3-dimensional loading and to measure the flow rate simultaneously. The evolution process is described by 5 distinct phases in terms of permeability and deformation. Triaxial tests are simulated with PFC3D using a novel flexible wall boundary method. Gas seepage simulations are performed with FLAC3D. Relations between hydraulic properties and fracture data are established. Permeability and volumetric strain show good nonlinear exponential relation after a newly introduced expansion point. Piecewise relations fit the whole process, the expansion point can be treated as critical point. The structural characteristics of the samples influence this relation before and after the expansion point significantly.