The complex relationship between array gain patterns and microphone distributions limits the application of traditional optimization algorithms on irregular arrays, which show enhanced beamforming performance for human speech capture in immersive environments. This work analyzes the relationship between irregular microphone geometries and spatial filtering performance with statistical methods. Novel geometry descriptors are developed to capture the properties of irregular microphone distributions showing their impact on array performance. General guidelines and optimization methods for regular and irregular array design are proposed in immersive (near-field) environments to obtain superior beamforming ability for speech applications. Optimization times are greatly reduced through the objective function rules using performance-based geometric descriptions of microphone distributions that circumvent direct array gain computations over the space of interest. In addition, probabilistic descriptions of acoustic scenes are introduced to incorporate various levels of prior knowledge for the source distribution. To verify the effectiveness of the proposed optimization methods, simulated gain patterns and real SNR results of the optimized arrays are compared to corresponding traditional regular arrays and arrays obtained from direct exhaustive searching methods. Results show large SNR enhancements for the optimized arrays over arbitrary randomly generated arrays and regular arrays, especially at low microphone densities. The rapid convergence and acceptable processing times observed during the experiments establish the feasibility of proposed optimization methods for array geometry design in immersive environments where rapid deployment is required with limited knowledge of the acoustic scene, such as in mobile platforms and audio surveillance applications.

The work presented in this thesis deals with the application of optimization tools to the design of solid rocket motor grains per internal ballistic requirements. Research concentrated on the development of an optimization strategy capable of efficiently and consistently optimizing virtually an unlimited range of radial burning solid rocket motor grain geometries. Optimization tools were applied to the design process of solid rocket motor grains through an optimization framework developed to interface optimization tools with the solid rocket motor design system. This was done within a programming architecture common to the grain design system, AML. This commonality in conjunction with the object-oriented dependency-tracking features of this programming architecture were used to reduce the computational time of the design optimization process. The optimization strategy developed for optimizing solid rocket motor grain geometries was called the internal ballistic optimization strategy. This strategy consists of a three stage optimization process; approximation, global optimization, and highfidelity optimization, and optimization methodologies employed include DOE, genetic algorithms, and the BFGS first-order gradient-based algorithm. This strategy was successfully applied to the design of three solid rocket motor grains of varying complexity. The contributions of this work was the development and application of an optimization strategy to the design process of solid rocket motor grains per internal ballistic requirements.

Ein wirtschaftlich optimal ausgelegtes Magnetschwebebahnsystem kann zur Lösung der weltweit drohenden Verkehrsprobleme beitragen, die im Zuge von Globalisierung und steigender Bevölkerung vor allem Regionen mit hohem Wachstumspotential bevorstehen. Im Grenzbereich zwischen Technikbewertung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden in der vorliegenden Forschungsarbeit einerseits Optimierungsansätze für das Subsystem „Antrieb und Energieversorgung“ des Transrapid vorgestellt. Sie leisten einen Beitrag zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems über den Lebenszyklus. Auf der anderen Seite wird eine Methodik präsentiert, die es ermöglicht, die betriebswirtschaftlichen Wirkungen der einzelnen Optimierungsmaßnahmen für das Gesamtsystem abzuschätzen. Ausgangspunkt der Untersuchungen ist die Analyse von Zielsystem und aktuellem Entwicklungsstand des Transrapid-Systems. Darauf aufbauend lassen sich mögliche Optimierungsschwerpunkte für das Teilsystem „Antrieb und Energieversorgung“ ableiten und Varianten in Abhängigkeit der Auslegungsparameter erstellen. Kernstück der vorliegenden Ausarbeitung ist die Erstellung einer Optimierungsstrategie, die eine makroskopische Bewertung der Optimierungsansätze ermöglicht. Dies ist erforderlich, da sämtliche Optimierungen stark divergierende Auswirkungen auf die Betriebswirtschaftlichkeit des Gesamtsystems haben - neben den Kosten werden über die Leistungsfähigkeit auch die Erlöse eines Projekts beeinflusst. Basis der Strategie ist die Verknüpfung von Kostenänderungsfaktoren mit Leistungsfähigkeitsparametern. Infolgedessen wird im Ergebnis der Arbeit ein Werkzeug geschaffen, das unter projektspezifischen Randbedingungen als Entscheidungshilfe zur Auslegung des Transrapid-Subsystems „Antrieb und Energieversorgung“ dient.

Heating, ventilation and air conditioning systems (HVAC) are the single largest consumer of energy in commercial and residential sectors. Minimizing its energy consumption without compromising indoor air quality (IAQ) and thermal comfort would result in environmental and financial benefits. Currently, most buildings still utilize constant air volume (CAV) systems with on/off control to meet the thermal loads. Such systems, without any consideration of occupancy, may ventilate a zone excessively and result in energy waste. Previous studies showed that CO₂-based demand-controlled ventilation (DCV) methods are the most widely used strategies to determine the optimal level of supply air volume. However, conventional CO₂ mass balanced models do not yield an optimal estimation accuracy. In this study, feed-forward neural network algorithm (FFNN) was proposed to estimate the zone occupancy using CO₂ concentrations, observed occupancy data and the zone schedule. The occupancy prediction result was then utilized to optimize supply fan operation of the air handling unit (AHU) associated with the zone. IAQ and thermal comfort standards were also taken into consideration as the active constraints of this optimization. As for the validation, the experiment was carried out in an auditorium located on a university campus. The results revealed that utilizing neural network occupancy estimation model can reduce the daily ventilation energy by 74.2% when compared to the current on/off control.

Ein wirtschaftlich optimal ausgelegtes Magnetschwebebahnsystem kann zur Lösung der weltweit drohenden Verkehrsprobleme beitragen, die im Zuge von Globalisierung und steigender Bevölkerung vor allem Regionen mit hohem Wachstumspotential bevorstehen. Im Grenzbereich zwischen Technikbewertung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden in der vorliegenden Forschungsarbeit einerseits Optimierungsansätze für das Subsystem „Antrieb und Energieversorgung“ des Transrapid vorgestellt. Sie leisten einen Beitrag zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems über den Lebenszyklus. Auf der anderen Seite wird eine Methodik präsentiert, die es ermöglicht, die betriebswirtschaftlichen Wirkungen der einzelnen Optimierungsmaßnahmen für das Gesamtsystem abzuschätzen. Ausgangspunkt der Untersuchungen ist die Analyse von Zielsystem und aktuellem Entwicklungsstand des Transrapid-Systems. Darauf aufbauend lassen sich mögliche Optimierungsschwerpunkte für das Teilsystem „Antrieb und Energieversorgung“ ableiten und Varianten in Abhängigkeit der Auslegungsparameter erstellen. Kernstück der vorliegenden Ausarbeitung ist die Erstellung einer Optimierungsstrategie, die eine makroskopische Bewertung der Optimierungsansätze ermöglicht. Dies ist erforderlich, da sämtliche Optimierungen stark divergierende Auswirkungen auf die Betriebswirtschaftlichkeit des Gesamtsystems haben - neben den Kosten werden über die Leistungsfähigkeit auch die Erlöse eines Projekts beeinflusst. Basis der Strategie ist die Verknüpfung von Kostenänderungsfaktoren mit Leistungsfähigkeitsparametern. Infolgedessen wird im Ergebnis der Arbeit ein Werkzeug geschaffen, das unter projektspezifischen Randbedingungen als Entscheidungshilfe zur Auslegung des Transrapid-Subsystems „Antrieb und Energieversorgung“ dient.