TY - THES A1 - Moreira, André Guérin T1 - Charged systems in bulk and at interfaces N2 - Eine der Faustregeln der Kolloid- und Oberflächenphysik ist, dass die meisten Oberflächen geladen sind, wenn sie mit einem Lösungsmittel, normalerweise Wasser, in Kontakt treten. Dies ist zum Beispiel bei ladungsstabilisierten Kolloidalen Suspensionen der Fall, bei denen die Oberfläche der Kolloidteilchen geladen ist (gewöhnlich mit einer Ladung von mehreren Hunderttausend Elementarladungen), oder bei Monoschichten ionischer Tenside, die auf einer Luft-Wasser Grenzfläche sitzen (wobei die wasserliebenden Kopfgruppen durch die Freisetzung von Gegenionen geladen werden), sowie bei Doppelschichten, die geladene phospholipide enthalten (wie Zellmembranen). In dieser Arbeit betrachten wir einige Modellsysteme, die zwar eine vereinfachte Fassung der Realität darstellen, von denen wir aber dennoch erwarten koennen, dass wir mit ihrer Hilfe einige physikalische Eigenschaften realer geladener Systeme (Kolloide und Elektrolyte) einfangen können. N2 - One of the rules-of-thumb of colloid and surface physics is that most surfaces are charged when in contact with a solvent, usually water. This is the case, for instance, in charge-stabilized colloidal suspensions, where the surface of the colloidal particles are charged (usually with a charge of hundreds to thousands of e, the elementary charge), monolayers of ionic surfactants sitting at an air-water interface (where the water-loving head groups become charged by releasing counterions), or bilayers containing charged phospholipids (as cell membranes). In this work, we look at some model-systems that, although being a simplified version of reality, are expected to capture some of the physical properties of real charged systems (colloids and electrolytes). We initially study the simple double layer, composed by a charged wall in the presence of its counterions. The charges at the wall are smeared out and the dielectric constant is the same everywhere. The Poisson-Boltzmann (PB) approach gives asymptotically exact counterion density profiles around charged objects in the weak-coupling limit of systems with low-valent counterions, surfaces with low charge density and high temperature (or small Bjerrum length). Using Monte Carlo simulations, we obtain the profiles around the charged wall and compare it with both Poisson-Boltzmann (in the low coupling limit) and the novel strong coupling (SC) theory in the opposite limit of high couplings. In the latter limit, the simulations show that the SC leads in fact to asymptotically correct density profiles. We also compare the Monte Carlo data with previously calculated corrections to the Poisson-Boltzmann theory. We also discuss in detail the methods used to perform the computer simulations. After studying the simple double layer in detail, we introduce a dielectric jump at the charged wall and investigate its effect on the counterion density distribution. As we will show, the Poisson-Boltzmann description of the double layer remains a good approximation at low coupling values, while the strong coupling theory is shown to lead to the correct density profiles close to the wall (and at all couplings). For very large couplings, only systems where the difference between the dielectric constants of the wall and of the solvent is small are shown to be well described by SC. Another experimentally relevant modification to the simple double layer is to make the charges at the plane discrete. The counterions are still assumed to be point-like, but we constraint the distance of approach between ions in the plane and counterions to a minimum distance D. The ratio between D and the distance between neighboring ions in the plane is, as we will see, one of the important quantities in determining the influence of the discrete nature of the charges at the wall over the density profiles. Another parameter that plays an important role, as in the previous case, is the coupling as we will demonstrate, systems with higher coupling are more subject to discretization effects than systems with low coupling parameter. After studying the isolated double layer, we look at the interaction between two double layers. The system is composed by two equally charged walls at distance d, with the counterions confined between them. The charge at the walls is smeared out and the dielectric constant is the same everywhere. Using Monte-Carlo simulations we obtain the inter-plate pressure in the global parameter space, and the pressure is shown to be negative (attraction) at certain conditions. The simulations also show that the equilibrium plate separation (where the pressure changes from attractive to repulsive) exhibits a novel unbinding transition. We compare the Monte Carlo results with the strong-coupling theory, which is shown to describe well the bound states of systems with moderate and high couplings. The regime where the two walls are very close to each other is also shown to be well described by the SC theory. Finally, Using a field-theoretic approach, we derive the exact low-density ("virial") expansion of a binary mixture of positively and negatively charged hard spheres (two-component hard-core plasma, TCPHC). The free energy obtained is valid for systems where the diameters d_+ and d_- and the charge valences q_+ and q_- of positive and negative ions are unconstrained, i.e., the same expression can be used to treat dilute salt solutions (where typically d_+ ~ d_- and q_+ ~ q_-) as well as colloidal suspensions (where the difference in size and valence between macroions and counterions can be very large). We also discuss some applications of our results. KW - geladene Systeme KW - elektrische Doppelschicht KW - Elektrolyte KW - Theorie KW - Simulation KW - charged systems KW - electric double layer KW - electrolytes KW - theory KW - simulation Y1 - 2001 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000677 ER - TY - THES A1 - Wagner, Anja T1 - Konzeption und Aufbau eines Geoinformationssystems zur Modellierung und Simulation von Offenlandschaften N2 - Zwischen 1990 und 1994 wurden rund 1000 Liegenschaften, die in der ehemaligen DDR von der Sowjetarmee und der NVA für militärische Übungen genutzt wurden, an Bund und Länder übergeben. Die größten Truppenübungsplätze liegen in Brandenburg und sind heute teilweise in Großschutzgebiete integriert, andere Plätze werden von der Bundeswehr weiterhin aktiv genutzt. Aufgrund des militärischen Betriebs sind die Böden dieser Truppenübungsplätze oft durch Blindgänger, Munitionsreste, Treibstoff- und Schmierölreste bis hin zu chemischen Kampfstoffen belastet. Allerdings existieren auf fast allen Liegenschaften neben diesen durch Munition und militärische Übungen belasteten Bereichen auch naturschutzfachlich wertvolle Flächen; gerade in den Offenlandbereichen kann dies durchaus mit einer Belastung durch Kampfmittel einhergehen. Charakteristisch für diese offenen Flächen, zu denen u.a. Zwergstrauchheiden, Trockenrasen, wüstenähnliche Sandflächen und andere nährstoffarme baumlose Lebensräume gehören, sind Großflächigkeit, Abgeschiedenheit sowie ihre besondere Nutzung und Bewirtschaftung, d.h. die Abwesenheit von land- und forstwirtschaftlichem Betrieb sowie von Siedlungsflächen. Diese Charakteristik war die Grundlage für die Entwicklung einer speziell angepassten Flora und Fauna. Nach Beendigung des Militärbetriebs setzte dann in weiten Teilen eine großflächige Sukzession – die allmähliche Veränderung der Zusammensetzung von Pflanzen- und Tiergesellschaften – ein, die diese offenen Bereiche teilweise bereits in Wald verwandelte und somit verschwinden ließ. Dies wiederum führte zum Verlust der an diese Offenlandflächen gebundenen Tier- und Pflanzenarten. Zur Erhaltung, Gestaltung und Entwicklung dieser offenen Flächen wurden daher von einer interdisziplinären Gruppe von Naturwissenschaftlern verschiedene Methoden und Konzepte auf ihre jeweilige Wirksamkeit untersucht. So konnten schließlich die für die jeweiligen Standortbedingungen geeigneten Maßnahmen eingeleitet werden. Voraussetzung für die Einleitung der Maßnahmen sind zum einen Kenntnisse zu diesen jeweiligen Standortbedingungen, d.h. zum Ist-Zustand, sowie zur Entwicklung der Flächen, d.h. zur Dynamik. So kann eine Abschätzung über die zukünftige Flächenentwicklung getroffen werden, damit ein effizienter Maßnahmeneinsatz stattfinden kann. Geoinformationssysteme (GIS) spielen dabei eine entscheidende Rolle zur digitalen Dokumentation der Biotop- und Nutzungstypen, da sie die Möglichkeit bieten, raum- und zeitbezogene Geometrie- und Sachdaten in großen Mengen zu verarbeiten. Daher wurde ein fachspezifisches GIS für Truppenübungsplätze entwickelt und implementiert. Die Aufgaben umfassten die Konzeption der Datenbank und des Objektmodells sowie fachspezifischer Modellierungs-, Analyse- und Präsentationsfunktionen. Für die Integration von Fachdaten in die GIS-Datenbank wurde zudem ein Metadatenkatalog entwickelt, der in Form eines zusätzlichen GIS-Tools verfügbar ist. Die Basisdaten für das GIS wurden aus Fernerkundungsdaten, topographischen Karten sowie Geländekartierungen gewonnen. Als Instrument für die Abschätzung der zukünftigen Entwicklung wurde das Simulationstool AST4D entwickelt, in dem sowohl die Nutzung der (Raster-)Daten des GIS als Ausgangsdaten für die Simulationen als auch die Nutzung der Simulationsergebnisse im GIS möglich ist. Zudem können die Daten in AST4D raumbezogen visualisiert werden. Das mathematische Konstrukt für das Tool war ein so genannter Zellulärer Automat, mit dem die Flächenentwicklung unter verschiedenen Voraussetzungen simuliert werden kann. So war die Bildung verschiedener Szenarien möglich, d.h. die Simulation der Flächenentwicklung mit verschiedenen (bekannten) Eingangsparametern und den daraus resultierenden unterschiedlichen (unbekannten) Endzuständen. Vor der Durchführung einer der drei in AST4D möglichen Simulationsstufen können angepasst an das jeweilige Untersuchungsgebiet benutzerspezifische Festlegungen getroffen werden. N2 - Between 1990 and 1994 more than a thousand military properties in East Germany used for military exercise by the Soviet army and the East German forces were handed over to government institutions of the national state and federal states (Laender), respectively. The largest military training areas are located in the federal state of Brandenburg. Some of these are, by now, part of environmentally protected areas, others are still being used by the German forces. As a result of long-lasting military operations the soils of these areas are heavily polluted by ammunition, duds, fuel and lubricants as well as a range of chemicals. Due to these special environmental conditions specifically adapted vegetation and fauna developed in these environments which make these areas valuable from an environmental protection perspective. Unlike other environments in North West Germany these former military training areas are characterised by wideness, separateness as well as the absence of agricultural, forest and settlement land use. This allowed for the development of a characteristic vegetation cover composed of dwarf bush heaths, drying lawns, desert-like sand surfaces and other nutrient-poor treeless habitats. Following the end of military use the process of succession – a gradual change of flora and fauna over space and time – set in. More a than a decade later the former open plains have, in part, developed into forests. The loss of open range land effected the disappearance of adapted animal and plant populations. To retain, preserve and develop these environmentally valuable areas different methods and concepts were examined for the respective effectiveness by multi-disciplinary group of scientists. Prerequisites of the application of methods to preserve the open plains are up-to-date knowledge of local conditions as well as in-depth understanding of the land surface developments and their dynamics, in particular. Based on this expertise the future surface development of these areas can be estimated which, in term, is a prerequisite for selecting the appropriate methods. Geo information systems (GIS) play an important role for the digital documentation and monitoring of biotopes, land use etc as they provide for acquisition, processing and storage of mass geo data including their locational and feature attributes. To make this GIS functionality available for the management and development of former military training areas a dedicated GIS has been developed and implemented. Tasks tackled included a database concept and object model as well as application-specific modelling, analysis and map presentation functions. Integration of relevant spatial and attribute data into this system required a meta data catalogue made available as an add-on GIS tool. Topographic base data for GIS input were taken from remote sensing imagery, topographic maps and additional field surveys. To simulate the development of the former military areas over space and time a specific simulation tool had to be developed as conventional GIS lack dynamic functionalities. The AST4D tool enables the user to utilise existing GIS data. Processed results, in term, can then be used within the GIS application. Additionally AST4D data may be visualised in map form. The AST4D GIS tool is based on the mathematical model of cellular automata. This model allows for the user-defined setting of status quo and simulation of future developments under different input parameters and target conditions. KW - Truppenübungsplatz KW - Offenland KW - Modellierung KW - Analyse KW - Landscape Metrics KW - Simulation KW - Szenarienbildung KW - Zellulärer Automat KW - military plains KW - open range KW - modelling KW - analysis KW - landscape metrics KW - simulation KW - scenarios KW - cellular automata Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001411 ER - TY - THES A1 - Uyaver, Sahin T1 - Simulation of annealed polyelectrolytes in poor solvents N2 - Polymere sind lange kettenartige Moleküle. Sie bestehen aus vielen elementaren chemischen Einheiten, den Monomeren, die durch kovalente Bindungen aneinander gekettet sind. Polyelektrolyte sind Polymere, die ionisierbare Monomeren enthalten. Aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften sind Polyelektrolyte sowohl in der Molekular- und Zellbiologie von großen Bedeutung als auch in der Chemie großtechnisch relevant. Verglichen mit ungeladenen Polymeren sind Polyelektrolyte theoretisch noch wenig verstanden. Insbesondere gilt dies für Polyelektrolyte in sogenanntem schlechten Lösungsmittel. Ein schlechtes Lösungsmittel bewirkt eine effektive Anziehung zwischen den Monomeren. Für Polyelektrolyte in schlechtem Lösungsmittel kommt es daher zu einer Konkurrenz zwischen dieser Anziehung und der elektrostatischen Abstoßung. Geladene Polymere werden im Rahmen der chemischen Klassifikation in starke und schwache Polyelektrolyte unterschieden. Erstere zeigen vollständige Dissoziation unabhängig vom pH-Wert der Lösung. Die Position der Ladungen auf der Kette wird ausschließlich während der Polymersynthese festgelegt. In der Physik spricht man deshalb von Polyelektrolyten mit eingefrorener Ladungsverteilung (quenched polyelectrolytes). Im Falle von schwachen Polyelektrolyten ist die Ladungsdichte auf der Kette nicht konstant, sondern wird durch der pH-Wert der Lösung kontrolliert. Durch Rekombinations- und Dissoziationsprozesse sind die Ladungen auf der Kette beweglich. Im allgemeinen stellt sich eine inhomogene Gleichgewichtsverteilung ein, die mit der Struktur der Kette gekoppelt ist. Diese Polymere werden deshalb auch Polyelektrolyte mit Gleichgewichtsladungsverteilung (annealed polyelectrolytes) genannt. Wegen des zusätzlichen Freiheitsgrades in der Ladungsverteilung werden eine Reihe ungewöhnlicher Eigenschaften theoretisch vorhergesagt. Mit Hilfe von Simulationen ist es zum ersten Mal gelungen, zu zeigen daß 'annealed' Polyelektrolyte in relativ schlechtem Lösungsmittel einen diskontinuierlichen Phasenübergang durchlaufen, wenn ein kritischer pH-Werts der Lösung überschritten wird. Bei diesem Phasenübergang, gehen die Polyelektolyte von einer schwach geladenen kompakten globulären Struktur zu einer stark geladenen gestreckten Konfiguration über. Aufgrund theoretischer Vorhersagen wird erwartet, daß die globuläre Struktur in weniger schlechtem Lösungsmittel instabil wird und sich eine Perlenkettenkonfiguration ausbildet. Diese Vorhersage konnte für 'annealed' Polyelektrolyte mit den durchgeführten Simulationen zum ersten Mal bestätigt werden - inzwischen auch durch erste experimentelle Ergebnisse. Schließlich zeigen die Simulationen auch, daß annealed Polyelektrolyte bei einer kritischen Salzkonzentration in der Lösung einen scharfen Übergang zwischen einem stark geladenen gestreckten Zustand und einem schwach geladenen globulären Zustand aufweisen, wiederum in Übereinstimmung mit theoretischen Erwartungen. N2 - A polymer is a large molecule made up of many elementary chemical units, joined together by covalent bonds (for example, polyethylene). Polyelectrolytes (PELs) are polymer chains containing a certain amount of ionizable monomers. With their specific properties PELs acquire big importance in molecular and cell biology as well as in technology. Compared to neutral polymers the theory of PELs is less understood. In particular, this is valid for PELs in poor solvents. A poor solvent environment causes an effective attraction between monomers. Hence, for PELs in a poor solvent, there occurs a competition between attraction and repulsion. Strong or quenched PELs are completely dissociated at any accessible pH. The position of charges along the chain is fixed by chemical synthesis. On the other hand, in weak or annealed PELs dissociation of charges depends on solution pH. For the first time the simulation results have given direct evidence that at rather poor solvents an annealed PEL indeed undergoes a first-order phase transition when the chemical potential (solution pH) reaches at a certain value. The discontinuous transition occurs between a weakly charged compact globular structure and a strongly charged stretched configuration. At not too poor solvents theory predicts that globule would become unstable with respect to the formation of pearl-necklaces. The results show that pearl-necklaces exist in annealed PELs indeed. Furthermore, as predicted by theory, the simulation results have shown that annealed PELs display a sharp transition from a highly charged stretched state to a weakly charged globule at a critical salt concentration. KW - Polymer-Plastik KW - Polyelektrolyte KW - Simulation KW - polymer KW - polyelectrolytes KW - simulation Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001488 ER - TY - THES A1 - Linke, Gunnar Torsten T1 - Eigenschaften fluider Vesikeln bei endlichen Temperaturen T1 - Properties of fluid vesicles at finite temperatures N2 - In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften geschlossener fluider Membranen, sogenannter Vesikeln, bei endlichen Temperaturen untersucht. Dies beinhaltet Betrachtungen zur Form freier Vesikeln, eine Untersuchung des Adhäsionsverhaltens von Vesikeln an planaren Substraten sowie eine Untersuchung der Eigenschaften fluider Vesikeln in eingeschränkten Geometrien. Diese Untersuchungen fanden mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen einer triangulierten Vesikeloberfläche statt. Die statistischen Eigenschaften der fluktuierenden fluiden Vesikeln wurden zum Teil mittels Freier-Energie-Profile analysiert. In diesem Zusammenhang wurde eine neuartige Histogrammethode entwickelt.
Die Form für eine freie fluide Vesikel mit frei veränderlichem Volumen, die das Konfigurationsenergie-Funktional minimiert, ist im Falle verschwindender Temperatur eine Kugel. Mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen sowie einem analytisch behandelbaren Modellsystem konnte gezeigt werden, daß sich dieses Ergebnis nicht auf endliche Temperaturen verallgemeinern lässt und statt dessen leicht prolate und oblate Vesikelformen gegenüber der Kugelgestalt überwiegen. Dabei ist die Wahrscheinlichkeit für eine prolate Form ein wenig gröoßer als für eine oblate. Diese spontane Asphärizität ist entropischen Ursprungs und tritt nicht bei zweidimensionalen Vesikeln auf. Durch osmotische Drücke in der Vesikel, die größer sind als in der umgebenden Flüssigkeit, lässt sich die Asphärizität reduzieren oder sogar kompensieren. Die Übergänge zwischen den beobachteten prolaten und oblaten Formen erfolgen im Bereich von Millisekunden in Abwesenheit osmotisch aktiver Partikel. Bei Vorhandensein derartiger Partikel ergeben sich Übergangszeiten im Bereich von Sekunden. Im Rahmen der Untersuchung des Adhäsionsverhaltens fluider Vesikeln an planaren, homogenen Substraten konnte mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen festgestellt werden, dass die Eigenschaften der Kontaktfläche der Vesikeln stark davon abhängen, welche Kräfte den Kontakt bewirken. Für eine dominierende attraktive Wechselwirkung zwischen Substrat und Vesikelmembran sowie im Falle eines Massendichteunterschieds der Flüssigkeiten innerhalb und außerhalb der Vesikel, der die Vesikel auf das Substrat sinken lässt, fndet man innerhalb der Kontakt � ache eine ortsunabh� angige Verteilung des Abstands zwischen Vesikelmembran und Substrat. Drückt die Vesikel ohne Berücksichtigung osmotischer Effekte auf Grund einer Differenz der Massendichten der Membran und der umgebenden Flüssigkeit gegen das Substrat, so erhält man eine Abstandsverteilung zwischen Vesikelmembran und Substrat, die mit dem Abstand vom Rand der Kontaktfläche variiert. Dieser Effekt ist zudem temperaturabhängig. Ferner wurde die Adhäsion fluider Vesikeln an chemisch strukturierten planaren Substraten untersucht. Durch das Wechselspiel von entropischen Effekten und Konfigurationsenergien entsteht eine komplexe Abhängigkeit der Vesikelform von Biegesteifigkeit, osmotischen Bedingungen und der Geometrie der attraktiven Domänen. Für die Bestimmung der Biegesteifigkeit der Vesikelmembranen liefern die existierenden Verfahren stark voneinander abweichende Ergebnisse. In der vorliegenden Arbeit konnte mittels Monte-Carlo-Simulationen zur Bestimmung der Biegesteifigkeit anhand des Mikropipettenverfahrens von Evans gezeigt werden, dass dieses Verfahren die a priori für die Simulation vorgegebene Biegesteifigkeit im wesentlichen reproduzieren kann. Im Hinblick auf medizinisch-pharmazeutische Anwendungen ist der Durchgang fluider Vesikeln durch enge Poren relevant. In Monte-Carlo-Simulationen konnte gezeigt werden, dass ein spontaner Transport der Vesikel durch ein Konzentrationsgefälle osmotisch aktiver Substanzen, das den physiologischen Bedingungen entspricht, induziert werden kann. Es konnten die hierfür notwendigen osmotischen Bedingungen sowie die charakteristischen Zeitskalen abgeschätzt werden. Im realen Experiment sind Eindringzeiten in eine enge Pore im Bereich weniger Minuten zu erwarten. Ferner konnte beobachtet werden, dass bei Vesikeln mit einer homogenen, positiven spontanen Krümmung Deformationen hin zu prolaten Formen leichter erfolgen als bei Vesikeln ohne spontane Krümmung. Mit diesem Effekt ist eine Verringerung der Energiebarriere für das Eindringen in eine Pore verbunden, deren Radius nur wenig kleiner als der Vesikelradius ist. N2 - In this thesis, the properties of closed fluid membranes or vesicles are studied at finite temperatures. The work contains investigations of the shape of free vesicles, studies of the adhesion behavior of vesicles to planar substrates, and investigations of the properties of fluid vesicles in confined geometries. The investigations have been performed with Monte Carlo simulations of triangulated vesicles. The statistical properties of fluctuating vesicles have been analyzed in detail by means of free energy profiles. In this context, a new histogram method was developed. The shape of minimum configurational energy for a free vesicle without volume constraint at zero temperature is a sphere. It is shown by means of Monte Carlo simulations and a model which can be analyzed analytically, that this result does not apply to finite temperatures. Instead, prolate and oblate shapes prevail and the probability for a prolate shape is slightly larger than that for an oblate shape. This spontaneous asphericity is of entropic origin and cannot be observed in two dimensions. Osmotic pressures inside the vesicle that are larger than in the surrounding liquid may reduce or even compensate the asphericity. The transitions between the observed prolate and oblate states occur on the time scale of milliseconds in the absence of osmotically active particles and on the time scale of seconds in the presence of osmotically active particles. As far as the adhesion behavior of fluid vesicles to planar homogeneous substrates is concerned, Monte Carlo simulations reveal a strong dependence of the properties of the contact area on its driving force. In the case of a dominating attractive interaction between vesicle membran and substrate as well as for a mass density difference of the liquids inside and outside the vesicle, which push the vesicle against the substrate, the distribution of the distance between the vesicle membrane and the substrate is homogenous. If the vesicle is pushed against the substrate by a difference of the mass densities of the membrane and the surrounding liquid, neglecting all osmotic effects, one gets a distance distribution between the vesicle membrane and the substrate which varies with the distance from the rim of the contact area. Moreover, this effect is temperature-dependent. Furthermore, the adhesion of fluid vesicles to chemically structured planar substrates has been studied. The interplay between entropic effects and configurational energies causes a complex dependence of the vesicle shape on the bending rigidity, osmotic conditions, and the geometry of the attractive domains. There are several experimental methods for measuring the bending rigidity of vesicle membranes which lead to rather different results for the numerical value. Monte Carlo simulations of Evans' micropipette method show that the difference between the measured bending rigidity and the a priori chosen bending rigidity is small. The passage of fluid vesicles through narrow pores has some relevance to medical/pharmaceutical applications. In Monte Carlo simulations it is shown that a spontaneous transport of vesicles can be induced by a concentration gradient of osmotically active particles which corresponds to the physiological conditions. The necessary osmotic conditions and the charateristic time scales are calculated. For real experiments, penetration into the pore should occur within a few minutes. Moreover, it was observed that vesicles with a homogeneous positive spontaneous curvature can be deformed more easily into prolate shapes than vesicles with zero spontaneous curvature. This effect leads to a decrease of the energy barrier for the penetration into a wide pore, which has a radius slightly smaller than that of the vesicle. KW - Membran KW - Simulation KW - Vesikeln KW - Fluktuationen KW - Monte-Carlo-Simulationen KW - vesicles KW - fluctuations KW - Monte Carlo simulations Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5835 ER - TY - THES A1 - Hernandez Garcia, Hugo Fernando T1 - Multiscale simulation of heterophase polymerization : application to the synthesis of multicomponent colloidal polymer particles T1 - Multidimensionale Simulation von Heterophasenpolymerisationen : Anwendungen zur Synthese von kolloidalen Kompositpolymerteilchen N2 - Heterophase polymerization is a technique widely used for the synthesis of high performance polymeric materials with applications including paints, inks, adhesives, synthetic rubber, biomedical applications and many others. Due to the heterogeneous nature of the process, many different relevant length and time scales can be identified. Each of these scales has a direct influence on the kinetics of polymerization and on the physicochemical and performance properties of the final product. Therefore, from the point of view of product and process design and optimization, the understanding of each of these relevant scales and their integration into one single model is a very promising route for reducing the time-to-market in the development of new products, for increasing the productivity and profitability of existing processes, and for designing products with improved performance or cost/performance ratio. The process considered is the synthesis of structured or composite polymer particles by multi-stage seeded emulsion polymerization. This type of process is used for the preparation of high performance materials where a synergistic behavior of two or more different types of polymers is obtained. Some examples include the synthesis of core-shell or multilayered particles for improved impact strength materials and for high resistance coatings and adhesives. The kinetics of the most relevant events taking place in an emulsion polymerization process has been investigated using suitable numerical simulation techniques at their corresponding time and length scales. These methods, which include Molecular Dynamics (MD) simulation, Brownian Dynamics (BD) simulation and kinetic Monte Carlo (kMC) simulation, have been found to be very powerful and highly useful for gaining a deeper insight and achieving a better understanding and a more accurate description of all phenomena involved in emulsion polymerization processes, and can be potentially extended to investigate any type of heterogeneous process. The novel approach of using these kinetic-based numerical simulation methods can be regarded as a complement to the traditional thermodynamic-based macroscopic description of emulsion polymerization. The particular events investigated include molecular diffusion, diffusion-controlled polymerization reactions, particle formation, absorption/desorption of radicals and monomer, and the colloidal aggregation of polymer particles. Using BD simulation it was possible to precisely determine the kinetics of absorption/desorption of molecular species by polymer particles, and to simulate the colloidal aggregation of polymer particles. For diluted systems, a very good agreement between BD simulation and the classical theory developed by Smoluchowski was obtained. However, for concentrated systems, significant deviations from the ideal behavior predicted by Smoluchowski were evidenced. BD simulation was found to be a very valuable tool for the investigation of emulsion polymerization processes especially when the spatial and geometrical complexity of the system cannot be neglected, as is the case of concentrated dispersions, non-spherical particles, structured polymer particles, particles with non-uniform monomer concentration, and so on. In addition, BD simulation was used to describe non-equilibrium monomer swelling kinetics, which is not possible using the traditional thermodynamic approach because it is only valid for systems at equilibrium. The description of diffusion-controlled polymerization reactions was successfully achieved using a new stochastic algorithm for the kMC simulation of imperfectly mixed systems (SSA-IM). In contrast to the traditional stochastic simulation algorithm (SSA) and the deterministic rate of reaction equations, instead of assuming perfect mixing in the whole reactor, the new SSA-IM determines the volume perfectly mixed between two consecutive reactions as a function of the diffusion coefficient of the reacting species. Using this approach it was possible to describe, using a single set of kinetic parameters, typical mass transfer limitations effects during a free radical batch polymerization such as the cage effect, the gel effect and the glass effect. Using multiscale integration it was possible to investigate the formation of secondary particles during the seeded emulsion polymerization of vinyl acetate over a polystyrene seed. Three different cases of radical generation were considered: generation of radicals by thermal decomposition of water-soluble initiating compounds, generation of radicals by a redox reaction at the surface of the particles, and generation of radicals by thermal decomposition of surface-active initiators "inisurfs" attached to the surface of the particles. The simulation results demonstrated the satisfactory reduction in secondary particles formation achieved when the locus of radical generation is controlled close to the particles surface. N2 - Eine der industriell am meisten verwendeten Methoden zur Herstellung von Hochleistungspolymeren ist die Heterophasenpolymerisation. Industriell von besonderer Bedeutung ist die sogenannte Saatemulsionspolymerisation bei der kleine Saatteilchen durch die sequentielle Zugabe von weiteren Monomeren gezielt modifiziert werden, um Kompositpolymerteilchen mit den gewünschten mechanischen und chemischen Gebrauchseigenschaften herzustellen. Ein häufig auftretendes Problem während dieser Art der Heterophasenpolymerisation ist die Bildung von neuen, kleinen Teilchen im Polymerisationsverlauf. Diese sogenannte sekundäre Teilchenbildung muss vermieden werden, da sie die Herstellung der gewünschten Teilchen mit den angestrebten Eigenschaften verhindert. Ein spezieller Fall der Saatemulsionspolymerisation ist die Kombination von Vinylacetat als Monomer, das auf Saatteilchen aus Polystyrol polymerisieren soll. Die Unterdrückung der Teilchenneubildung ist in diesem Beispiel besonders schwierig, da Vinylacetat eine sehr hohe Wasserlöslichkeit besitzt. In der vorliegenden Arbeit wurden zur Lösung der Aufgabenstellung verschiedene numerische Simulierungsalgorithmen verwendet, die entsprechend den charakteristischen Längen- und Zeitskalen der im Verlauf der Polymerisation ablaufenden Prozesse ausgewählt wurden, um die passenden Bedingungen für die Unterdrückung der sekundären Teilchenbildung zu finden. Die verwendeten numerischen Methoden umfassen Molekulare Dynamik Simulationen, die benutzt werden, um molekulare Bewegungen zu berechnen; Brownsche Dynamik Simulationen, die benutzt werden, um die zufälligen Bewegungen der kolloidalen Teilchen und der molekularen Spezies zu beschreiben, und kinetische Monte Carlo Simulationen, die das zufällige Auftreten von individuellen physikalischen oder chemischen Ereignissen modellieren. Durch die Kombination dieser Methoden ist es möglich, alle für die Beschreibung der Polymerisation relevanten Phänomene zu berücksichtigen. Damit können nicht nur die Reaktionsgeschwindigkeit und die Produktivität des Prozesses simuliert werden sondern auch Aussagen bezüglich der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Produktes sowie den Applikationseigenschaften getroffen werden. In dieser Arbeit wurden zum ersten Mal Modelle für die unterschiedlichen Längen- und Zeitskalen bei Heterophasenpolymerisationen entwickelt und erfolgreich zur Modellierung des Prozesses angewendet. Die Ergebnisse führten zu bedeutenden Verbesserungen der Theorie von Emulsionspolymerisationen insbesondere für die Beschreibung des Massenaustausches zwischen den Phasen (bspw. Radikaleintritt in und Radikalaustritt aus die Polymerteilchen), der Bildung von neuen Teilchen, und der Polymerisationskinetik unter den heterogenen Reaktionsbedingungen mit uneinheitlicher Durchmischung. KW - Heterophase Polymerization KW - Emulsion Polymerization KW - Simulation KW - Kinetics KW - Brownian motion Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-25036 ER - TY - THES A1 - Pilz, Marco T1 - A comparison of proxies for seismic site conditions and amplification for the large urban area of Santiago de Chile T1 - Ein Vergleich seismischer Parameter für die Standort- und Verstärkungsabschätzung im Stadtgebiet von Santiago de Chile N2 - Situated in an active tectonic region, Santiago de Chile, the country´s capital with more than six million inhabitants, faces tremendous earthquake hazard. Macroseismic data for the 1985 Valparaiso and the 2010 Maule events show large variations in the distribution of damage to buildings within short distances indicating strong influence of local sediments and the shape of the sediment-bedrock interface on ground motion. Therefore, a temporary seismic network was installed in the urban area for recording earthquake activity, and a study was carried out aiming to estimate site amplification derived from earthquake data and ambient noise. The analysis of earthquake data shows significant dependence on the local geological structure with regards to amplitude and duration. Moreover, the analysis of noise spectral ratios shows that they can provide a lower bound in amplitude for site amplification and, since no variability in terms of time and amplitude is observed, that it is possible to map the fundamental resonance frequency of the soil for a 26 km x 12 km area in the northern part of the Santiago de Chile basin. By inverting the noise spectral rations, local shear wave velocity profiles could be derived under the constraint of the thickness of the sedimentary cover which had previously been determined by gravimetric measurements. The resulting 3D model was derived by interpolation between the single shear wave velocity profiles and shows locally good agreement with the few existing velocity profile data, but allows the entire area, as well as deeper parts of the basin, to be represented in greater detail. The wealth of available data allowed further to check if any correlation between the shear wave velocity in the uppermost 30 m (vs30) and the slope of topography, a new technique recently proposed by Wald and Allen (2007), exists on a local scale. While one lithology might provide a greater scatter in the velocity values for the investigated area, almost no correlation between topographic gradient and calculated vs30 exists, whereas a better link is found between vs30 and the local geology. When comparing the vs30 distribution with the MSK intensities for the 1985 Valparaiso event it becomes clear that high intensities are found where the expected vs30 values are low and over a thick sedimentary cover. Although this evidence cannot be generalized for all possible earthquakes, it indicates the influence of site effects modifying the ground motion when earthquakes occur well outside of the Santiago basin. Using the attained knowledge on the basin characteristics, simulations of strong ground motion within the Santiago Metropolitan area were carried out by means of the spectral element technique. The simulation of a regional event, which has also been recorded by a dense network installed in the city of Santiago for recording aftershock activity following the 27 February 2010 Maule earthquake, shows that the model is capable to realistically calculate ground motion in terms of amplitude, duration, and frequency and, moreover, that the surface topography and the shape of the sediment bedrock interface strongly modify ground motion in the Santiago basin. An examination on the dependency of ground motion on the hypocenter location for a hypothetical event occurring along the active San Ramón fault, which is crossing the eastern outskirts of the city, shows that the unfavorable interaction between fault rupture, radiation mechanism, and complex geological conditions in the near-field may give rise to large values of peak ground velocity and therefore considerably increase the level of seismic risk for Santiago de Chile. N2 - Aufgrund ihrer Lage in einem tektonisch aktiven Gebiet ist Santiago de Chile, die Hauptstadt des Landes mit mehr als sechs Millionen Einwohnern, einer großen Erdbebengefährdung ausgesetzt. Darüberhinaus zeigen makroseismische Daten für das 1985 Valparaiso- und das 2010 Maule-Erdbeben eine räumlich unterschiedliche Verteilung der an den Gebäuden festgestellten Schäden; dies weist auf einen starken Einfluss der unterliegenden Sedimentschichten und der Gestalt der Grenzfläche zwischen den Sedimenten und dem Festgestein auf die Bodenbewegung hin. Zu diesem Zweck wurde in der Stadt ein seismisches Netzwerk für die Aufzeichnung der Bodenbewegung installiert, um die auftretende Untergrundverstärkung mittels Erdbebendaten und seismischem Rauschen abzuschätzen. Dabei zeigt sich für die Erdbebendaten eine deutliche Abhängigkeit von der Struktur des Untergrunds hinsichtlich der Amplitude der Erschütterung und ihrer Dauer. Die Untersuchung der aus seismischem Rauschen gewonnenen horizontal-zu-vertikal-(H/V) Spektral-verhältnisse zeigt, dass diese Ergebnisse nur einen unteren Grenzwert für die Bodenverstärkung liefern können. Weil jedoch andererseits keine zeitliche Veränderung bei der Gestalt dieser Spektralverhältnisse festgestellt werden konnte, erlauben die Ergebnisse ferner, die Resonanzfrequenz des Untergrundes für ein 26 km x 12 km großes Gebiet im Nordteil der Stadt zu bestimmen. Unter Zuhilfenahme von Informationen über die Dicke der Sedimentschichten, welche im vorhinein schon durch gravimetrische Messungen bestimmt worden war, konnten nach Inversion der H/V-Spektralverhältnisse lokale Scherwellengeschwindigkeitsprofile und nach Interpolation zwischen den einzelnen Profilen ein dreidimensionales Modell berechnet werden. Darüberhinaus wurde mit den verfügbaren Daten untersucht, ob auf lokaler Ebene ein Zusammenhang zwischen der mittleren Scherwellengeschwindigkeit in den obersten 30 m (vs30) und dem Gefälle existiert, ein Verfahren, welches kürzlich von Wald und Allen (2007) vorgestellt wurde. Da für jede lithologische Einheit eine starke Streuung für die seismischen Geschwindigkeiten gefunden wurde, konnte kein Zusammenhang zwischen dem Gefälle und vs30 hergestellt werden; demgegenüber besteht zumindest ein tendenzieller Zusammenhang zwischen vs30 und der unterliegenden Geologie. Ein Vergleich der Verteilung von vs30 mit den MKS-Intensitäten für das 1985 Valparaiso-Erdbeben in Santiago zeigt, dass hohe Intensitätswerte vor allem in Bereichen geringer vs30-Werte und dicker Sedimentschichten auftraten. Weiterhin ermöglichte die Kenntnis über das Sedimentbeckens Simulationen der Bodenbewegung mittels eines spektralen-Elemente-Verfahrens. Die Simulation eines regionalen Erdbebens, welches auch von einem dichten seismischen Netzwerk aufgezeichnet wurde, das im Stadtgebiet von Santiago infolge des Maule-Erdbebens am 27. Februar 2010 installiert wurde, zeigt, dass das Modell des Sedimentbeckens realistische Berechnungen hinsichtlich Amplitude, Dauer und Frequenz erlaubt und die ausgeprägte Topographie in Verbindung mit der Form der Grenzfläche zwischen den Sedimenten und dem Festgestein starken Einfluss auf die Bodenbewegung haben. Weitere Untersuchungen zur Abhängigkeit der Bodenerschütterung von der Position des Hypozentrums für ein hypothetisches Erdbeben an der San Ramón-Verwerfung, welche die östlichen Vororte der Stadt kreuzt, zeigen, dass die ungünstige Wechselwirkung zwischen dem Verlauf des Bruchs, der Abstrahlung der Energie und der komplexen geologischen Gegebenheiten hohe Werte bei der maximalen Bodengeschwindigkeit erzeugen kann. Dies führt zu einer signifikanten Zunahme des seismischen Risikos für Santiago de Chile. KW - Standorteffekte KW - seismisches Rauschen KW - Sedimentbecken KW - Simulation KW - site effects KW - seismic noise KW - sedimentary basin KW - simulation Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52961 ER - TY - THES A1 - Fischer, Jost Leonhardt T1 - Nichtlineare Kopplungsmechanismen akustischer Oszillatoren am Beispiel der Synchronisation von Orgelpfeifen T1 - Nonlinear coupling mechanisms of acoustical oscillators using the example of synchronization of organ pipes N2 - In dieser Arbeit werden nichtlineare Kopplungsmechanismen von akustischen Oszillatoren untersucht, die zu Synchronisation führen können. Aufbauend auf die Fragestellungen vorangegangener Arbeiten werden mit Hilfe theoretischer und experimenteller Studien sowie mit Hilfe numerischer Simulationen die Elemente der Tonentstehung in der Orgelpfeife und die Mechanismen der gegenseitigen Wechselwirkung von Orgelpfeifen identifiziert. Daraus wird erstmalig ein vollständig auf den aeroakustischen und fluiddynamischen Grundprinzipien basierendes nichtlinear gekoppeltes Modell selbst-erregter Oszillatoren für die Beschreibung des Verhaltens zweier wechselwirkender Orgelpfeifen entwickelt. Die durchgeführten Modellrechnungen werden mit den experimentellen Befunden verglichen. Es zeigt sich, dass die Tonentstehung und die Kopplungsmechanismen von Orgelpfeifen durch das entwickelte Oszillatormodell in weiten Teilen richtig beschrieben werden. Insbesondere kann damit die Ursache für den nichtlinearen Zusammenhang von Kopplungsstärke und Synchronisation des gekoppelten Zwei-Pfeifen Systems, welcher sich in einem nichtlinearen Verlauf der Arnoldzunge darstellt, geklärt werden. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird der Einfluss des Raumes auf die Tonentstehung bei Orgelpfeifen betrachtet. Dafür werden numerische Simulationen der Wechselwirkung einer Orgelpfeife mit verschiedenen Raumgeometrien, wie z. B. ebene, konvexe, konkave, und gezahnte Geometrien, exemplarisch untersucht. Auch der Einfluss von Schwellkästen auf die Tonentstehung und die Klangbildung der Orgelpfeife wird studiert. In weiteren, neuartigen Synchronisationsexperimenten mit identisch gestimmten Orgelpfeifen, sowie mit Mixturen wird die Synchronisation für verschiedene, horizontale und vertikale Pfeifenabstände in der Ebene der Schallabstrahlung, untersucht. Die dabei erstmalig beobachteten räumlich isotropen Unstetigkeiten im Schwingungsverhalten der gekoppelten Pfeifensysteme, deuten auf abstandsabhängige Wechsel zwischen gegen- und gleichphasigen Sychronisationsregimen hin. Abschließend wird die Möglichkeit dokumentiert, das Phänomen der Synchronisation zweier Orgelpfeifen durch numerische Simulationen, also der Behandlung der kompressiblen Navier-Stokes Gleichungen mit entsprechenden Rand- und Anfangsbedingungen, realitätsnah abzubilden. Auch dies stellt ein Novum dar. N2 - In this work non-linear coupling mechanisms in acoustic oscillator systems are examined which can lead to synchronization phenomena. This mechanisms are investigated in particular on organ pipes. Building up on the questions of preceding works the elements of the sound generation are identified using detailed experimental and theoretical studies, as well as numerical simulations. Furthermore the organ pipes interaction mechanisms of the mutual coupling are developed. This leads to a non-linear coupled oscillator model which is developed on the aeroacoustical and fluiddynamical first principles. The carried out model calculations are compared to the experimental results from preceding works. It appears that the sound generation and the coupling mechanisms are properly described by the developed nonlinear coupled model of self-sustained oscillators. In particular the cause can be cleared with it for the non-linear edges of the Arnold tongue of the coupled two-pipe system. With the new knowledge the influence of various space geometries on the sound generation of organ pipes is investigated. With numerical simulations the interaction of an organ pipe and different space geometries, like plane, convex, concave, and ridged geometry is studied. Also the influence of so called swell boxes on the sound generation and the sound pattern of the organ pipe is studied. In further new synchronization experiments with precisely equally tuned pairs of organ pipes, as well as with mixtures the synchronization is examined for various grids of horizontal and vertical pipe distances in the 2D-plane of sound radiation. The spatial discontinuities observed in the oscillation behaviour of the coupled pipe systems, point to changes between anti-phase and in-phase regimes of sychronization depending on pipes distances. Finally the possibility is documented to describe the phenomenon of the synchronization of two organ pipes realisticaly by solving the compressible Navier-Stokes equations numerically. KW - Synchronisation KW - Orgelpfeifen KW - Simulation KW - Experiment KW - Modell KW - synchronization KW - organ pipes KW - simulation KW - experiment KW - model Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-71975 ER - TY - THES A1 - Schröder, Sarah T1 - Modelling surface evolution coupled with tectonics T1 - Modellierung von Oberflächenprozessen gekoppelt mit Tektonik BT - A case study for the Pamir BT - Eine Fallstudie zum Pamir N2 - This study presents the development of 1D and 2D Surface Evolution Codes (SECs) and their coupling to any lithospheric-scale (thermo-)mechanical code with a quadrilateral structured surface mesh. Both SECs involve diffusion as approach for hillslope processes and the stream power law to reflect riverbed incision. The 1D SEC settles sediment that was produced by fluvial incision in the appropriate minimum, while the supply-limited 2D SEC DANSER uses a fast filling algorithm to model sedimantation. It is based on a cellular automaton. A slope-dependent factor in the sediment flux extends the diffusion equation to nonlinear diffusion. The discharge accumulation is achieved with the D8-algorithm and an improved drainage accumulation routine. Lateral incision enhances the incision's modelling. Following empirical laws, it incises channels of several cells width. The coupling method enables different temporal and spatial resolutions of the SEC and the thermo-mechanical code. It transfers vertical as well as horizontal displacements to the surface model. A weighted smoothing of the 3D surface displacements is implemented. The smoothed displacement vectors transmit the deformation by bilinear interpolation to the surface model. These interpolation methods ensure mass conservation in both directions and prevent the two surfaces from drifting apart. The presented applications refer to the evolution of the Pamir orogen. A calibration of DANSER's parameters with geomorphological data and a DEM as initial topography highlights the advantage of lateral incision. Preserving the channel width and reflecting incision peaks in narrow channels, this closes the huge gap between current orogen-scale incision models and observed topographies. River capturing models in a system of fault-bounded block rotations reaffirm the importance of the lateral incision routine for capturing events with channel initiation. The models show a low probability of river capturings with large deflection angles. While the probability of river capturing is directly depending on the uplift rate, the erodibility inside of a dip-slip fault speeds up headward erosion along the fault: The model's capturing speed increases within a fault. Coupling DANSER with the thermo-mechanical code SLIM 3D emphasizes the versatility of the SEC. While DANSER has minor influence on the lithospheric evolution of an indenter model, the brittle surface deformation is strongly affected by its sedimentation, widening a basin in between two forming orogens and also the southern part of the southern orogen to south, east and west. N2 - Im Rahmen dieser Studie werden 1D und 2D Erosionsmodelle im Gebirgsmaßstab implementiert und mit Modellen für tektonische Deformation gekoppelt. Die Kopplungsmethode erlaubt unterschiedlich räumliche und zeitliche Auflösungen im tektonischen und im Erosionsmodell. Es werden sowohl vertikale als auch horizontale Bewegungen zwischen den Modellen transferiert. Darüber hinaus enthält die Kopplungsmethode ein Glättungsverfahren, um eventuelle Instabilitäten des tektonischen Modelles zu kompensieren. Beide Erosionsmodelle beziehen Hangerosion, Flusseinschneidung und Sedimentation ein. Der 1D Code nutzt Hack's Law, um die Wassermengen zu berechnen. Er garantiert Massenerhaltung, indem er Sedimente in Senken speichert. Das 2D Erosionsmodell DANSER basiert auf einem zellulären Automaten. Ein zusätzlicher steigungsabhängiger Faktor erweitert lineare zu nichtlinearer Diffusion. Wassermengen werden mit Hilfe des D8-Algorithmus und einer veränderten Form von O'Callaghans (1984) Algorithmus akkumuliert. Laterale Einschneidung, berechnet durch einen neuen Verteilungs-Algorithmus, verbessert die Modellierung von Flusssystemen. Flüsse sind dabei repräsentiert durch eine unterschiedliche Anzahl an Zellen orthogonal zur Fließrichtung. Ihre Breite wird nach empirischen Gesetzen ermittelt. Die präsentierten Anwendungen dienen der Studie des Pamirgebirges. Zunächst werden die Modellparameter anhand von Einschneidungs- und Erosionsraten sowie Sedimentdurchflüssen kalibriert. Ein digitales Höhenmodell dient als Anfangstopographie und zur Extraktion von Flussprofilen. Laterale Einschneidung zeigt eine deutliche Verbesserung zu bisher vorhandenen Modellen. Sie ermöglicht die Erhaltung der Flussbreite und zeigt hohe Einschneidungsraten in engen Flusspassagen. Modelle von Flussanzapfungen in einem System paralleler Verwerfungen bestätigen die Wichtigkeit von lateraler Einschneidung für Flussanzapfungsmodelle, die Hangerosion einbeziehen. Während die Modelle eine geringe Wahrscheinlichkeit von Flussanzapfungen mit hohem Ablenkungswinkel zeigen, belegen sie auch, dass deren (allgemeine) Wahrscheinlichkeit direkt von der Hebungsrate der Verwerfungen abhängt. Die Erodibilität beschleunigt lediglich die Geschwindigkeit von Flussanzapfungen. Ein Modell, das die Codes SLIM 3D und DANSER koppelt, dokumentiert die vielseitige Verwendbarkeit des neuen Codes: Es zeigt einen geringen Einfluss von Oberflächenprozessen auf die Lithosphärendeformation, während die Sedimentationsroutine erheblich auf spröde Oberflächendeformationen einwirkt. Das Modell legt nahe, dass Sedimentation ein zwischen zwei entstehenden Gebirgen gelegenes Becken weitet. Außerdem weitet sich der südlich von der interkontinentalen Kollisionszone gelegene Teil des Gebirge-Models ebenfalls durch Sedimentation. KW - erosion KW - coupling KW - SEC KW - surface evolution KW - thermo-mechanics KW - surface processes KW - DANSER KW - Pamir KW - Tien-Shan KW - Tian-Shan KW - tectonics KW - modelling KW - modeling KW - numerical model KW - simulation KW - surface KW - fluvial incision KW - hillslope diffusion KW - finite differences KW - finite elements KW - Eulerian grid KW - DANSER KW - DANSER KW - Erosion KW - Modellierung KW - Tektonik KW - Koppelung KW - SEC KW - numerische Modellierung KW - Oberflächenprozesse KW - Pamir KW - Tien-Shan KW - Tian-Shan KW - Tiefendeformation KW - Software KW - Simulation KW - Oberfläche KW - fluviale Einschneidung KW - Hangerosion KW - finite Differenzen KW - finite Elemente KW - Eulerische Gitter Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-90385 ER - TY - THES A1 - Kieling, Katrin T1 - Quantification of ground motions by broadband simulations T1 - Quantifizierung von Bodenbewegung durch Breitband-Simulationen N2 - In many procedures of seismic risk mitigation, ground motion simulations are needed to test systems or improve their effectiveness. For example they may be used to estimate the level of ground shaking caused by future earthquakes. Good physical models for ground motion simulation are also thought to be important for hazard assessment, as they could close gaps in the existing datasets. Since the observed ground motion in nature shows a certain variability, part of which cannot be explained by macroscopic parameters such as magnitude or position of an earthquake, it would be desirable that a good physical model is not only able to produce one single seismogram, but also to reveal this natural variability. In this thesis, I develop a method to model realistic ground motions in a way that is computationally simple to handle, permitting multiple scenario simulations. I focus on two aspects of ground motion modelling. First, I use deterministic wave propagation for the whole frequency range – from static deformation to approximately 10 Hz – but account for source variability by implementing self-similar slip distributions and rough fault interfaces. Second, I scale the source spectrum so that the modelled waveforms represent the correct radiated seismic energy. With this scaling I verify whether the energy magnitude is suitable as an explanatory variable, which characterises the amount of energy radiated at high frequencies – the advantage of the energy magnitude being that it can be deduced from observations, even in real-time. Applications of the developed method for the 2008 Wenchuan (China) earthquake, the 2003 Tokachi-Oki (Japan) earthquake and the 1994 Northridge (California, USA) earthquake show that the fine source discretisations combined with the small scale source variability ensure that high frequencies are satisfactorily introduced, justifying the deterministic wave propagation approach even at high frequencies. I demonstrate that the energy magnitude can be used to calibrate the high-frequency content in ground motion simulations. Because deterministic wave propagation is applied to the whole frequency range, the simulation method permits the quantification of the variability in ground motion due to parametric uncertainties in the source description. A large number of scenario simulations for an M=6 earthquake show that the roughness of the source as well as the distribution of fault dislocations have a minor effect on the simulated variability by diminishing directivity effects, while hypocenter location and rupture velocity more strongly influence the variability. The uncertainty in energy magnitude, however, leads to the largest differences of ground motion amplitude between different events, resulting in a variability which is larger than the one observed. For the presented approach, this dissertation shows (i) the verification of the computational correctness of the code, (ii) the ability to reproduce observed ground motions and (iii) the validation of the simulated ground motion variability. Those three steps are essential to evaluate the suitability of the method for means of seismic risk mitigation. N2 - In vielen Verfahren zur Minimierung seismischen Risikos braucht man Seismogramme, um die Effektivität von Systemen zu testen oder diese zu verbessern. So können realistische Bodenbewegungen genutzt werden, um das Ausmaß der Erschütterungen durch zukünftige Erdbeben abzuschätzen. Gute physikalische Bodenbewegungsmodelle haben auch das Potential, Lücken in den beobachteten Datensätzen zu schließen und somit Gefährdungsabschätzungen zu verbessern. Da die in der Natur beobachtete Bodenbewegung einer gewissen Variabilität unterliegt, von der ein Teil nicht durch makroskopische Parameter wie Magnitude oder Position des Erdbebens erklärt werden kann, ist es wünschenswert, dass ein gutes physikalisches Modell nicht nur ein einzelnes Seismogramm produziert, sondern auch die natürliche Variabilität widerspiegelt. In dieser Arbeit beschreibe ich eine Methode zur Modellierung von realistischen Bodenbewegungen, die – aufgrund ihrer einfachen Modellkonfiguration – mehrere Szenario-Simulationen ermöglicht. Dabei konzentriere ich mich auf zwei Aspekte: Einerseits nutze ich ein deterministisches Verfahren für die Wellenausbreitung für den gesamten Frequenzbereich, von der statischen Deformation bis etwa 10 Hz, unter Berücksichtigung der Variabilität der Quelle durch die Einbeziehung von selbstähnlichen Slipverteilungen und rauen Störungsflächen. Andererseits skaliere ich das Quellspektrum so, dass die modellierte Wellenform die abgestrahlte seismische Ener-gie wiedergibt. Damit überprüfe ich, ob die Energie-Magnitude als Stellgröße geeignet ist, die den Anteil der Energie beschreibt, der im Hochfrequenzbereich abgestrahlt wird. Der Vorteil der Energie- Magnitude ist, dass diese aus Beobachtungen, sogar in sehr kurzer Zeit, ermittelt werden kann. Anwendungen der entwickelten Methode für das Wenchuan (China) Erdbeben von 2008, das Tokachi-Oki (Japan) Erdbeben von 2003 und das Northridge (Kalifornien, USA) Erdbeben von 1994 demonstrieren, dass durch eine feine Diskretisierung und kleinskalige Variabilität in der Quelle hohe Frequenzen ausreichend in die Wellenform eingeführt werden, was den deterministischen Ansatz auch im Hochfrequenzbereich bestätigt. Ich zeige, dass die Energie-Magnitude verwendet werden kann um den Hochfrequenzanteil in Bodenbewegungssimulationen zu kalibrieren. Da die determistische Wellenausbreitung auf den gesamten Frequenzbereich angewandt wird, können die Variabilitäten, die durch parametrische Unsicherheiten in der Quellbeschreibung entstehen, beziffert werden. Zahlreiche Simulationen für ein M=6 Beben zeigen, dass die Rauigkeit der Quelle und die Slipverteilung durch Minderung der Direktivitätseffekte die simulierte Variabilität der Bodenbewegung geringfügig verringern. Dagegen haben die Bruchgeschwindigkeit und die Lage des Hypozentrums einen stärkeren Einfluss auf die Variabilität. Die Unsicherheit in der Energie-Magnitude dagegen führt zu großen Unterschieden zwischen verschiedenen Erdbebensimulationen, welche größer sind als die beobachtete Variabilität von Bodenbewegungen. In Bezug auf die vorgestellte Methode zeigt diese Arbeit (i) den Nachweis der Richtigkeit des Computerprogramms, (ii) die Eignung zur Modellierung beobachteter Bodenbewegung und (iii) den Vergleich der simulierten Variabilität von Bodenbewegung mit der beobachteten. Dies sind die ersten drei Schritte auf dem Weg zur Nutzbarkeit von Bodenbewegungssimulationen in Maßnahmen zur Verminderung des seismischen Risikos. KW - ground motions KW - earthquake KW - simulation KW - seismic risk KW - ground motion variability KW - Bodenbewegung KW - Erdbeben KW - seismisches Risiko KW - Simulation KW - Variabilität von Bodenbewegung Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-85989 ER - TY - JOUR A1 - Kühn, Michael A1 - Altmannsberger, Charlotte A1 - Hens, Carmen T1 - Waiweras WarmwasserreservoirWelche Aussagekraft haben Modelle? JF - Grundwasser : Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie in der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften (FH-DGG) N2 - The warm water geothermal reservoir below the village of Waiwera in New Zealand has been known by the native Maori for centuries. Development by the European immigrants began in 1863. Until the year 1969, the warm water flowing from all drilled wells was artesian. Due to overproduction, water up to 50 A degrees C now needs to be pumped to surface. Further, between 1975 and 1976, all warm water seeps on the beach of Waiwera ran dry. Within the context of sustainable water management, hydrogeological models must be developed as part of a management plan. Approaches of varying complexity have been set-up and applied since the 1980s. However, none of the models directly provide all results required for optimal water management. Answers are given simply to parts of the questions, nonetheless improving resource management of the geothermal reservoir. KW - Groundwater KW - Geothermal water KW - Seawater intrusion KW - Simulation KW - Reservoir KW - Management Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1007/s00767-016-0323-2 SN - 1430-483X SN - 1432-1165 VL - 21 SP - 107 EP - 117 PB - Springer CY - Heidelberg ER - TY - BOOK A1 - Dyck, Johannes A1 - Giese, Holger A1 - Lambers, Leen T1 - Automatic verification of behavior preservation at the transformation level for relational model transformation N2 - The correctness of model transformations is a crucial element for model-driven engineering of high quality software. In particular, behavior preservation is the most important correctness property avoiding the introduction of semantic errors during the model-driven engineering process. Behavior preservation verification techniques either show that specific properties are preserved, or more generally and complex, they show some kind of behavioral equivalence or refinement between source and target model of the transformation. Both kinds of behavior preservation verification goals have been presented with automatic tool support for the instance level, i.e. for a given source and target model specified by the model transformation. However, up until now there is no automatic verification approach available at the transformation level, i.e. for all source and target models specified by the model transformation. In this report, we extend our results presented in [27] and outline a new sophisticated approach for the automatic verification of behavior preservation captured by bisimulation resp. simulation for model transformations specified by triple graph grammars and semantic definitions given by graph transformation rules. In particular, we show that the behavior preservation problem can be reduced to invariant checking for graph transformation and that the resulting checking problem can be addressed by our own invariant checker even for a complex example where a sequence chart is transformed into communicating automata. We further discuss today's limitations of invariant checking for graph transformation and motivate further lines of future work in this direction. N2 - Die Korrektheit von Modelltransformationen ist von zentraler Wichtigkeit bei der Anwendung modellgetriebener Softwareentwicklung für die Entwicklung hochqualitativer Software. Insbesondere verhindert Verhaltensbewahrung als wichtigste Korrektheitseigenschaft die Entstehung semantischer Fehler während des modellgetriebenen Entwicklungsprozesses. Techniken zur Verifikation von Verhaltensbewahrung zeigen, dass bestimmte spezifische Eigenschaften bewahrt bleiben oder, im allgemeineren und komplexeren Fall, dass eine Form von Verhaltensäquivalenz oder Verhaltensverfeinerung zwischen Quell- und Zielmodell der Transformation besteht. Für beide Ansätze existieren automatisierte Werkzeuge für die Verifikation auf der Instanzebene, also zur Überprüfung konkreter Paare aus Quell- und Zielmodellen der Transformation. Allerdings existiert kein automatischer Verifikationsansatz, der auf der Transformationsebene arbeitet, also Aussagen zu allen Quell- und Zielmodellen einer Modelltransformation treffen kann. Dieser Bericht erweitert unsere Vorarbeit und Ergebnisse aus [27] und stellt einen neuen Ansatz zur automatischen Verifikation von Verhaltensbewahrung vor, der auf Bisimulation bzw. Simulation basiert. Dabei werden Modelltransformationen durch Triple-Graph-Grammatiken und Verhaltensdefinitionen mittels Graphtransformationsregeln beschrieben. Insbesondere weisen wir nach, dass das Problem der Verhaltensbewahrung durch Bisimulation auf Invariant-Checking für Graphtransformationssysteme reduziert werden kann und dass das entstehende Invariant-Checking-Problem für ein komplexes Beispiel durch unser Werkzeug zur Verifikation induktiver Invarianten gelöst werden kann. Das Beispiel beschreibt die Transformation von Sequenzdiagrammen in Systeme kommunizierender Automaten. Darüber hinaus diskutieren wir bestehende Einschränkungen von Invariant-Checking für Graphtransformationssysteme und Ansätze für zukünftige Arbeiten in diesem Bereich. T3 - Technische Berichte des Hasso-Plattner-Instituts für Digital Engineering an der Universität Potsdam - 112 KW - model transformation KW - behavior preservation KW - semantics preservation KW - relational model transformation KW - bisimulation KW - simulation KW - invariant checking KW - transformation level KW - behavioral equivalenc KW - behavioral refinement KW - behavioral abstraction KW - graph transformation systems KW - graph constraints KW - triple graph grammars KW - Modelltransformationen KW - Verhaltensbewahrung KW - relationale Modelltransformationen KW - Bisimulation KW - Simulation KW - Invariant-Checking KW - Transformationsebene KW - Verhaltensäquivalenz KW - Verhaltensverfeinerung KW - Verhaltensabstraktion KW - Graphtransformationssysteme KW - Graph-Constraints KW - Triple-Graph-Grammatiken Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-100279 SN - 978-3-86956-391-6 SN - 1613-5652 SN - 2191-1665 IS - 112 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - JOUR A1 - Grum, Marcus A1 - Bender, Benedict A1 - Alfa, A. S. A1 - Gronau, Norbert T1 - A decision maxim for efficient task realization within analytical network infrastructures JF - Decision support systems : DSS ; the international journal N2 - Faced with the increasing needs of companies, optimal dimensioning of IT hardware is becoming challenging for decision makers. In terms of analytical infrastructures, a highly evolutionary environment causes volatile, time dependent workloads in its components, and intelligent, flexible task distribution between local systems and cloud services is attractive. With the aim of developing a flexible and efficient design for analytical infrastructures, this paper proposes a flexible architecture model, which allocates tasks following a machine-specific decision heuristic. A simulation benchmarks this system with existing strategies and identifies the new decision maxim as superior in a first scenario-based simulation. KW - Analytics KW - Architecture concepts KW - Cyber-physical systems KW - Internet of things KW - Task realization strategies KW - Simulation Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1016/j.dss.2018.06.005 SN - 0167-9236 SN - 1873-5797 VL - 112 SP - 48 EP - 59 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Lohmann, Dirk A1 - Guo, Tong A1 - Tietjen, Britta T1 - Zooming in on coarse plant functional types-simulated response of savanna vegetation composition in response to aridity and grazing JF - Theoretical ecology N2 - Precipitation and land use in terms of livestock grazing have been identified as two of the most important drivers structuring the vegetation composition of semi-arid and arid savannas. Savanna research on the impact of these drivers has widely applied the so-called plant functional type (PFT) approach, grouping the vegetation into two or three broad types (here called meta-PFTs): woody plants and grasses, which are sometimes divided into perennial and annual grasses. However, little is known about the response of functional traits within these coarse types towards water availability or livestock grazing. In this study, we extended an existing eco-hydrological savanna vegetation model to capture trait diversity within the three broad meta-PFTs to assess the effects of both grazing and mean annual precipitation (MAP) on trait composition along a gradient of both drivers. Our results show a complex pattern of trait responses to grazing and aridity. The response differs for the three meta-PFTs. From our findings, we derive that trait responses to grazing and aridity for perennial grasses are similar, as suggested by the convergence model for grazing and aridity. However, we also see that this only holds for simulations below a MAP of 500 mm. This combined with the finding that trait response differs between the three meta-PFTs leads to the conclusion that there is no single, universal trait or set of traits determining the response to grazing and aridity. We finally discuss how simulation models including trait variability within meta-PFTs are necessary to understand ecosystem responses to environmental drivers, both locally and globally and how this perspective will help to extend conceptual frameworks of other ecosystems to savanna research. KW - Traits KW - Dryland KW - Degradation KW - Shrub encroachment KW - Simulation KW - Eco-hydrological model KW - EcoHyD Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1007/s12080-017-0356-x SN - 1874-1738 SN - 1874-1746 VL - 11 IS - 2 SP - 161 EP - 173 PB - Springer CY - Heidelberg ER - TY - THES A1 - Michalczyk, Anna T1 - Modelling of nitrogen cycles in intensive winter wheat–summer maize double cropping systems in the North China Plain T1 - Modellierung von Stickstoffkreisläufen in intensiven Winterweizen–Sommermais-Doppelfruchtfolgen in der Nordchinesischen Tiefebene BT - site specific optimisation of nitrogen fertilisation with regard to nitrogen losses, water protection, productivity and regionalisation N2 - The North China Plain (NCP) is one of the most productive and intensive agricultural regions in China. High doses of mineral nitrogen (N) fertiliser, often combined with flood irrigation, are applied, resulting in N surplus, groundwater depletion and environmental pollution. The objectives of this thesis were to use the HERMES model to simulate the N cycle in winter wheat (Triticum aestivum L.)–summer maize (Zea mays L.) double crop rotations and show the performance of the HERMES model, of the new ammonia volatilisation sub-module and of the new nitrification inhibition tool in the NCP. Further objectives were to assess the models potential to save N and water on plot and county scale, as well as on short and long-term. Additionally, improved management strategies with the help of a model-based nitrogen fertiliser recommendation (NFR) and adapted irrigation, should be found. Results showed that the HERMES model performed well under growing conditions of the NCP and was able to describe the relevant processes related to soil–plant interactions concerning N and water during a 2.5 year field experiment. No differences in grain yield between the real-time model-based NFR and the other treatments of the experiments on plot scale in Quzhou County could be found. Simulations with increasing amounts of irrigation resulted in significantly higher N leaching, higher N requirements of the NFR and reduced yields. Thus, conventional flood irrigation as currently practised by the farmers bears great uncertainties and exact irrigation amounts should be known for future simulation studies. In the best-practice scenario simulation on plot-scale, N input and N leaching, but also irrigation water could be reduced strongly within 2 years. Thus, the model-based NFR in combination with adapted irrigation had the highest potential to reduce nitrate leaching, compared to farmers practice and mineral N (Nmin)-reduced treatments. Also the calibrated and validated ammonia volatilisation sub-module of the HERMES model worked well under the climatic and soil conditions of northern China. Simple ammonia volatilisation approaches gave also satisfying results compared to process-oriented approaches. During the simulation with Ammonium sulphate Nitrate with nitrification inhibitor (ASNDMPP) ammonia volatilisation was higher than in the simulation without nitrification inhibitor, while the result for nitrate leaching was the opposite. Although nitrification worked well in the model, nitrification-born nitrous oxide emissions should be considered in future. Results of the simulated annual long-term (31 years) N losses in whole Quzhou County in Hebei Province were 296.8 kg N ha−1 under common farmers practice treatment and 101.7 kg N ha−1 under optimised treatment including NFR and automated irrigation (OPTai). Spatial differences in simulated N losses throughout Quzhou County, could only be found due to different N inputs. Simulations of an optimised treatment, could save on average more than 260 kg N ha−1a−1 from fertiliser input and 190 kg N ha−1a−1 from N losses and around 115.7 mm a−1 of water, compared to farmers practice. These long-term simulation results showed lower N and water saving potential, compared to short-term simulations and underline the necessity of long-term simulations to overcome the effect of high initial N stocks in soil. Additionally, the OPTai worked best on clay loam soil except for a high simulated denitrification loss, while the simulations using farmers practice irrigation could not match the actual water needs resulting in yield decline, especially for winter wheat. Thus, a precise adaption of management to actual weather conditions and plant growth needs is necessary for future simulations. However, the optimised treatments did not seem to be able to maintain the soil organic matter pools, even with full crop residue input. Extra organic inputs seem to be required to maintain soil quality in the optimised treatments. HERMES is a relatively simple model, with regard to data input requirements, to simulate the N cycle. It can offer interpretation of management options on plot, on county and regional scale for extension and research staff. Also in combination with other N and water saving methods the model promises to be a useful tool. N2 - Die Nordchinesische Tiefebene (NCP) ist eine der produktivsten und intensivsten Agrarregionen Chinas. Große Düngermengen an mineralischem Stickstoff (N) und der oft in Kombination genutzten Überflutungsbewässerung führen zu Stickstoffüberflüssen, Grundwasserabsenkung und Umweltverschmutzung. Ziel dieser Arbeit war die Simulation des N-Kreislaufes in Winterweizen (Triticum aestivum L.)–Sommermais (Zea mays L.) -Doppelfruchtfolgen mit dem HERMES Modell. Weitere Ziele waren ein Test der Modellgüte, sowie das Potential des Modells aufzuzeigen, N und Wasser mit Hilfe einer modellbasierten N-Düngeempfehlung (NFR) und angepassten Bewässerungsstrategien einzusparen. Dies erfolgte auf Schlag- und Countyebene wie auch in Kurzzeit- und in Langzeitsimulationen, um verbesserte Managementstrategien für Quzhou-County in der Hebei-Provinz zu finden. Die Ergebnisse zeigten, dass das HERMES Modell gut unter den Wachstumsbedingungen der NCP funktioniert und alle relevanten Boden-Pflanze-Interaktionen während der Versuchszeit von 2,5 Jahren in Bezug auf N und Wasser beschreiben konnte. Es konnten keine Ertragsunterschiede zwischen Echtzeit modellbasierter NFR und anderen Behandlungen auf Schlagebene in Quzhou-County festgestellt werden. Simulationen mit steigenden Bewässerungsgaben ergaben signifikant höheren N-Austrag, höheren N-Bedarf der NFR und reduzierte Erträge. Daher birgt die konventionelle Überflutungsbewässerung, wie sie derzeit von den Landwirten praktiziert wird, große Unsicherheiten und genaue Bewässerungsmengen sollten für zukünftige Simulationsstudien bekannt sein. In der optimierten („best-practice“) Szenariosimulation auf Schlagebene konnte insbesondere die N-Düngung und der N-Austrag, aber auch die Bewässerung innerhalb 2 Jahre stark gesenkt werden. Daher hat die modellbasierte NFR in Kombination mit angepasster Bewässerung, im Gegensatz zu konventioneller und mineralischen N (Nmin)-reduzierter Behandlung, das höchste Potential Nitratauswaschung zu reduzieren. Auch das kalibrierte und validierte Ammoniak-Verflüchtigungs-modul des HERMES Modells funktionierte gut unter den Klima- und Bodenverhältnissen in Nordchina. Die zwei einfacheren Ammoniak-Verflüchtigungsansätze erreichten auch gute Ergebnisse, während die zwei prozessorientierten Ansätze Umwelteinflüsse besser darstellen konnten. In der Simulation mit der Ammonsulfatsalpeter-Düngung mit Nitrifikationsinhibitor (ASNDMPP) war die Ammoniakverflüchtigung höher als in der Simulation ohne Nitrifikationshemmer, während das Ergebnis für Nitratauswaschung umgekehrt war. Obwohl der Nitrifikationsansatz gut funktionierte, sollten von der Nitrifikation stammende Lachgasemissionen in Zukunft im Modell berücksichtigt werden. Im Jahresdurchschnitt lagen die simulierten Langzeit (31 Jahre) N-Verluste für eine Weizen-Mais-Doppelfruchtfolge im ganzen Quzhou-County bei 296,8 kg N ha−1 unter konventioneller Düngung und bei 101,7 kg N ha−1 unter optimierter Düngung inklusive NFR and automatischer Bewässerung (OPTai). Räumliche Unterschiede von simulierten N-Verlusten in Quzhou-County konnten nur aufgrund von unterschiedlichen N-Düngemengen gefunden werden. Simulationen einer optimierten Behandlung konnten im Durchschnitt mehr als 260 kg N ha−1a−1 an N-Düngung und 190 kg N ha−1a−1 an N-Verlusten und 115,7 mm a−1 an Wasser, im Vergleich zur konventionellen Behandlung, einsparen. Im Vergleich zu den Kurzzeitsimulationen ist es ein niedrigeres N- und Wasserreduktionspotential und unterstreicht die Notwendigkeit von Langzeitsimulationen um den Effekt von hohen Anfangs Nmin-Gehalten im Boden zu berücksichtigen. Zudem kommt, dass auf tonigem Lehm Simulationen mit konventioneller Bewässerung nicht den aktuellen Wasserbedarf decken konnten, welches zu Ertragseinbußen insbesondere für Winterweizen führte. Die OPTai Behandlung funktionierte bis auf hohe simulierte Denitrifikationsverluste auf diesem Standort am besten. Daher ist dort für zukünftige Simulationen ein an aktuelle Wetterverhältnisse und Pflanzenwachstumsbedürfnisse angepasstes Management von N und Wasser nötig. Trotzdem schienen die optimierten Behandlungen, trotz voller Strohrückgabe, die organische Bodensubstanz nicht zu erhalten. Zur Sicherung der Bodenfruchtbarkeit in den optimierten Behandlungen scheinen zusätzliche organische Düngergaben wahrscheinlich notwendig zu sein. HERMES ist ein relativ einfaches Modell, im Hinblick auf die Anforderungen an die Eingangsdaten, um den Stickstoffkreislauf zu simulieren. Es ermöglicht, Managementoptionen für Berater und Wissenschaftler auf Schlag-, County- und Regionalebene anzuwenden. Auch in Kombination mit anderen N- und Wasser-Einsparmethoden verspricht das Modell ein nützliches Instrument zu sein. KW - nitrogen KW - Stickstoff KW - simulation KW - Simulation KW - China KW - China Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-444213 ER - TY - JOUR A1 - Gronau, Norbert T1 - Determining the appropriate degree of autonomy in cyber-physical production systems JF - CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology N2 - Existing factories face multiple problems due to their hierarchical structure of decision making and control. Cyber-physical systems principally allow to increase the degree of autonomy to new heights. But which degree of autonomy is really useful and beneficiary? This paper differentiates diverse definitions of autonomy and approaches to determine them. Some experimental findings in a lab environment help to answer the question raised in this paper. KW - Cyber-phyiscal system KW - Degree of autonomy KW - Simulation KW - Production system Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2019.05.001 SN - 1755-5817 VL - 26 SP - 70 EP - 80 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - THES A1 - Šustr, David T1 - Molecular diffusion in polyelectrolyte multilayers N2 - Research on novel and advanced biomaterials is an indispensable step towards their applications in desirable fields such as tissue engineering, regenerative medicine, cell culture, or biotechnology. The work presented here focuses on such a promising material: polyelectrolyte multilayer (PEM) composed of hyaluronic acid (HA) and poly(L-lysine) (PLL). This gel-like polymer surface coating is able to accumulate (bio-)molecules such as proteins or drugs and release them in a controlled manner. It serves as a mimic of the extracellular matrix (ECM) in composition and intrinsic properties. These qualities make the HA/PLL multilayers a promising candidate for multiple bio-applications such as those mentioned above. The work presented aims at the development of a straightforward approach for assessment of multi-fractional diffusion in multilayers (first part) and at control of local molecular transport into or from the multilayers by laser light trigger (second part). The mechanism of the loading and release is governed by the interaction of bioactives with the multilayer constituents and by the diffusion phenomenon overall. The diffusion of a molecule in HA/PLL multilayers shows multiple fractions of different diffusion rate. Approaches, that are able to assess the mobility of molecules in such a complex system, are limited. This shortcoming motivated the design of a novel evaluation tool presented here. The tool employs a simulation-based approach for evaluation of the data acquired by fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) method. In this approach, possible fluorescence recovery scenarios are primarily simulated and afterwards compared with the data acquired while optimizing parameters of a model until a sufficient match is achieved. Fluorescent latex particles of different sizes and fluorescein in an aqueous medium are utilized as test samples validating the analysis results. The diffusion of protein cytochrome c in HA/PLL multilayers is evaluated as well. This tool significantly broadens the possibilities of analysis of spatiotemporal FRAP data, which originate from multi-fractional diffusion, while striving to be widely applicable. This tool has the potential to elucidate the mechanisms of molecular transport and empower rational engineering of the drug release systems. The second part of the work focuses on the fabrication of such a spatiotemporarily-controlled drug release system employing the HA/PLL multilayer. This release system comprises different layers of various functionalities that together form a sandwich structure. The bottom layer, which serves as a reservoir, is formed by HA/PLL PEM deposited on a planar glass substrate. On top of the PEM, a layer of so-called hybrids is deposited. The hybrids consist of thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) -based hydrogel microparticles with surface-attached gold nanorods. The layer of hybrids is intended to serve as a gate that controls the local molecular transport through the PEM–solution-interface. The possibility of stimulating the molecular transport by near-infrared (NIR) laser irradiation is being explored. From several tested approaches for the deposition of hybrids onto the PEM surface, the drying-based approach was identified as optimal. Experiments, that examine the functionality of the fabricated sandwich at elevated temperature, document the reversible volume phase transition of the PEM-attached hybrids while sustaining the sandwich stability. Further, the gold nanorods were shown to effectively absorb light radiation in the tissue- and cell-friendly NIR spectral region while transducing the energy of light into heat. The rapid and reversible shrinkage of the PEM-attached hybrids was thereby achieved. Finally, dextran was employed as a model transport molecule. It loads into the PEM reservoir in a few seconds with the partition constant of 2.4, while it spontaneously releases in a slower, sustained manner. The local laser irradiation of the sandwich, which contains the fluorescein isothiocyanate tagged dextran, leads to a gradual reduction of fluorescence intensity in the irradiated region. The release system fabricated employs renowned photoresponsivity of the hybrids in an innovative setting. The results of the research are a step towards a spatially-controlled on-demand drug release system that paves the way to spatiotemporally controlled drug release. The approaches developed in this work have the potential to elucidate the molecular dynamics in ECM and to foster engineering of multilayers with properties tuned to mimic the ECM. The work aims at spatiotemporal control over the diffusion of bioactives and their presentation to the cells. N2 - Die Forschung an neuartigen und komplexen Biomaterialien ist unabdingbar für deren Einsatz in begehrten Bereichen wie der Gewebezüchtung, regenerativen Medizin, Zellkultivierung und Biotechnologie. Die hier vorgelegte Arbeit beschäftigt sich eingehend mit einem dieser vielversprechenden Materialien: Polyelektrolytische Multilayers (PEM), die aus Hyaluronsäure (Hyaluronic Acid, HA) und Poly-L-Lysin (PLL) zusammengesetzt sind. Diese gelartige Polymerbeschichtung ermöglicht es, (Bio-) Moleküle wie z.B. Proteine oder Medikamente zu akkumulieren und diese kontrolliert wieder abzugeben. Durch ihre Zusammensetzung und intrinsischen Merkmale können die PEM der Imitation einer Extrazellulären Matrix (ECM) dienen. Diese Eigenschaften machen die HA/PLL-PEM zu einem Anwärter auf verschiedene Bio-Anwendungen, wie den oben genannten. Die vorliegende Arbeit zielt auf die Entwicklung eines Ansatzes zur Einschätzung der multi-fraktionellen Diffusion in Multilayers (1. Teil), und auf die Kontrolle des lokalen molekularen Transports in und aus den Multilayers durch Laser-Stimulation (2. Teil). Der Aufnahme- und Freisetzungsmechanismus wird bestimmt von der Wechselwirkung zwischen Bioaktiva und den Bestandteilen der Multilayers, sowie allgemein vom Diffusionsprozess. Der Diffusion eines Molekül in HA/PLL-PEM weist unterschiedliche Diffusionsraten einzelner Molekülbestandteile auf. Derzeit existieren nur wenige Ansätze zur Einschätzung der Mobilität von Molekülen in derart komplexen Systemen. Diesem Mangel will die vorliegende Arbeit durch das Design eines neuartigen Evaluations-Instruments abhelfen. Dieses Instrument bedient sich eines simulationsbasierten Ansatzes zur Evaluation von Daten, die durch die fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) -Methode erfasst wurden. Der Ansatz simuliert zunächst mögliche Szenarien der Fluoreszenz-Rückbildung, um diese anschließend mit Messdaten zu vergleichen; dazu werden Modell-Parameter angepasst, um suffiziente Vergleichswerte zu erzielen. Fluoreszierende Latex-Partikel verschiedener Größe und eine Fluoresceinlösung wurden als Kontroll- und Vergleichs-Proben verwendet, um die Ergebnisse zu überprüfen. Zusätzlich wurde die Diffusion des Proteins Cytochrom C in eine HA/PLL-PEM ausgewertet. Dieses Instrument weitet die Möglichkeiten der Analyse von spatiotemporären FRAP-Daten, die aus der multi-fraktionellen Diffusion stammen, erheblich und gleichzeitig ist es vielseitig einsetzbar. Das Instrument hat das Potential, die Mechanismen des Molekültransports weiter zu erhellen, und eine gezielte Steuerung der Freisetzung medikamentöser Wirkstoffe zu ermöglichen. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Erstellung eines Systems zur spatiotemporären Wirkstofffreisetzung, das sich die HA/PLL-PEM zunutze macht. Dieses Freisetzungssystem umfasst verschiedene Lagen mit jeweils unterschiedlichen Funktionsweisen, die zusammen ein „Sandwich“ bilden. Die zugrundeliegende Schicht aus HA/PLL-PEM auf einem planaren Glassubstrat dient als Reservoir. Auf diese PEM ist eine Schicht sogenannter Hybride aufgebracht. Die Hybride bestehen aus thermoresponsiven Poly-N-Isopropylacrylamid (PNIPAM) -basierten Hydrogel-Mikropartikeln auf deren Gold-Nanostäbchen gebunden sind. Die Hybridschicht dient in der räumlichen Kontrolle des lokalen Molekültransports als „Schlupfloch“ an der Schnittstelle von PEM und Lösung. Die Möglichkeit der Stimulation des molekülaren Transports durch Bestrahlung mit einem Nah-Infrarot-Laser (NIR) wird hier untersucht. Von den mehreren getesteten Ansätzen zur Aufbringung von Hybriden auf die PEM-Oberfläche stellte sich die Trocknung als beste Möglichkeit heraus. Funktionalitätskontrollen des hergestellten Sandwiches bei erhöhter Temperatur ergaben eine reversible Volumenphasenübergang der PEM-gebundenen Hybride, wobei die Sandwich-Struktur erhalten blieb. Weiterhin wurde eine effektive Lichtabsorption durch die Gold-Nanostäbchen in den gewebe- und zellschonenden NIR-Spektrumsbereich gezeigt, wobei die aufgenommene Lichtenergie in Wärme umgewandelt wurde. Dadurch wurde eine schnelle und reversible Schrumpfung der PEM-gebundenen Hybride erreicht. Zuguterletzt wird Dextran als Modellmolekül für den Transport eingesetzt. Dieses wird in wenigen Sekunden – mit einem Verteilungskoeffizient von 2,4 – in das PEM-Reservoir aufgenommen, während es auf langsamere, anhaltende Weise freigesetzt wird. Die lokale Laser-Bestrahlung des Dextran-FITC-haltigen Sandwiches bewirkte eine schrittweise Reduktion der Fluoreszenz-Intensität in der bestrahlten Region. Das hier vorgestellte Molekül-Freisetzungssystem verwendet die vielzitierte Photoresponsivität von Hybriden auf neuartige Weise. Die Ergebnisse der Untersuchung bedeuten einen Fortschritt in Richtung eines räumlich kontrollierten, nach Bedarf steuerbaren Freisetzungs-Systems, das wiederum den Weg zu einer spatiotemporären Kontrollierbarkeit der Wirkstoff-Freisetzung bereiten könnte. Die in dieser Arbeit entwickelten Ansätze ermöglichen ein besseres Verständnis der Dynamik in der ECM, sowie die Entwicklung ECM-ähnlicher Multilayers. Die Arbeit hat die spatiotemporäre Kontrolle der Diffusion von bioaktiven Stoffen und deren Präsentation gegenüber Zellen zum Ziel. T2 - Molekulare Diffusion in Polyelektrolyt-Multischichten KW - polyelectrolyte multilayers KW - diffusion KW - simulation KW - FRAP KW - microgel KW - drug release KW - PNIPAM KW - IR laser KW - assessment of the diffusion KW - mulifractional diffusion KW - spatially and temporally controlled drug release KW - ordering of particles on the surface KW - close packing KW - dichteste Packung KW - Diffusion KW - Einschätzung der Diffusion KW - Wirkstoff-Freisetzun KW - Mikrogel KW - multi-fraktionelle Diffusion KW - Ordnung der Partikel auf der Oberfläche KW - Polyelektrolyt-Multischichten KW - Simulation KW - räumlich und zeitlich kontrollierte Wirkstoff-Freisetzung KW - FRAP KW - IR laser KW - PNIPAM Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-489038 ER - TY - THES A1 - Engelhardt, Max Angel Ronan T1 - Zwischen Simulation und Beweis - eine mathematische Analyse des Bienaymé-Galton-Watson-Prozesses und sein Einsatz innerhalb des Mathematikunterrichts T1 - Between simulation and proof - a mathematical analysis of the Bienaymé-Galton-Watson-process and its application in mathematics lessons N2 - Die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse können für die Untersuchung von speziellen und sich entwickelnden Populationen verwendet werden. Die Populationen umfassen Individuen, welche sich identisch, zufällig, selbstständig und unabhängig voneinander fortpflanzen und die jeweils nur eine Generation existieren. Die n-te Generation ergibt sich als zufällige Summe der Individuen der (n-1)-ten Generation. Die Relevanz dieser Prozesse begründet sich innerhalb der Historie und der inner- und außermathematischen Bedeutung. Die Geschichte der Bienaymé-Galton-Watson-Prozesse wird anhand der Entwicklung des Konzeptes bis heute dargestellt. Dabei werden die Wissenschaftler:innen verschiedener Disziplinen angeführt, die Erkenntnisse zu dem Themengebiet beigetragen und das Konzept in ihren Fachbereichen angeführt haben. Somit ergibt sich die außermathematische Signifikanz. Des Weiteren erhält man die innermathematische Bedeutsamkeit mittels des Konzeptes der Verzweigungsprozesse, welches auf die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse zurückzuführen ist. Die Verzweigungsprozesse stellen eines der aussagekräftigsten Modelle für die Beschreibung des Populationswachstums dar. Darüber hinaus besteht die derzeitige Wichtigkeit durch die Anwendungsmöglichkeit der Verzweigungsprozesse und der Bienaymé-Galton-Watson Prozesse innerhalb der Epidemiologie. Es werden die Ebola- und die Corona-Pandemie als Anwendungsfelder angeführt. Die Prozesse dienen als Entscheidungsstütze für die Politik und ermöglichen Aussagen über die Auswirkungen von Maßnahmen bezüglich der Pandemien. Neben den Prozessen werden ebenfalls der bedingte Erwartungswert bezüglich diskreter Zufallsvariablen, die wahrscheinlichkeitserzeugende Funktion und die zufällige Summe eingeführt. Die Konzepte vereinfachen die Beschreibung der Prozesse und bilden somit die Grundlage der Betrachtungen. Außerdem werden die benötigten und weiterführenden Eigenschaften der grundlegenden Themengebiete und der Prozesse aufgeführt und bewiesen. Das Kapitel erreicht seinen Höhepunkt bei dem Beweis des Kritikalitätstheorems, wodurch eine Aussage über das Aussterben des Prozesses in verschiedenen Fällen und somit über die Aussterbewahrscheinlichkeit getätigt werden kann. Die Fälle werden anhand der zu erwartenden Anzahl an Nachkommen eines Individuums unterschieden. Es zeigt sich, dass ein Prozess bei einer zu erwartenden Anzahl kleiner gleich Eins mit Sicherheit ausstirbt und bei einer Anzahl größer als Eins, die Population nicht in jedem Fall aussterben muss. Danach werden einzelne Beispiele, wie der linear fractional case, die Population von Fibroblasten (Bindegewebszellen) von Mäusen und die Entstehungsfragestellung der Prozesse, angeführt. Diese werden mithilfe der erlangten Ergebnisse untersucht und einige ausgewählte zufällige Dynamiken werden im nachfolgenden Kapitel simuliert. Die Simulationen erfolgen durch ein in Python erstelltes Programm und werden mithilfe der Inversionsmethode realisiert. Die Simulationen stellen beispielhaft die Entwicklungen in den verschiedenen Kritikalitätsfällen der Prozesse dar. Zudem werden die Häufigkeiten der einzelnen Populationsgrößen in Form von Histogrammen angebracht. Dabei lässt sich der Unterschied zwischen den einzelnen Fällen bestätigen und es wird die Anwendungsmöglichkeit der Bienaymé-Galton-Watson Prozesse bei komplexeren Problemen deutlich. Histogramme bekräftigen, dass die einzelnen Populationsgrößen nur endlich oft vorkommen. Diese Aussage wurde von Galton aufgeworfen und in der Extinktions-Explosions-Dichotomie verwendet. Die dargestellten Erkenntnisse über das Themengebiet und die Betrachtung des Konzeptes werden mit einer didaktischen Analyse abgeschlossen. Die Untersuchung beinhaltet die Berücksichtigung der Fundamentalen Ideen, der Fundamentalen Ideen der Stochastik und der Leitidee „Daten und Zufall“. Dabei ergibt sich, dass in Abhängigkeit der gewählten Perspektive die Anwendung der Bienaymé-Galton-Watson Prozesse innerhalb der Schule plausibel ist und von Vorteil für die Schüler:innen sein kann. Für die Behandlung wird exemplarisch der Rahmenlehrplan für Berlin und Brandenburg analysiert und mit dem Kernlehrplan Nordrhein-Westfalens verglichen. Die Konzeption des Lehrplans aus Berlin und Brandenburg lässt nicht den Schluss zu, dass die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse angewendet werden sollten. Es lässt sich feststellen, dass die zugrunde liegende Leitidee nicht vollumfänglich mit manchen Fundamentalen Ideen der Stochastik vereinbar ist. Somit würde eine Modifikation hinsichtlich einer stärkeren Orientierung des Lehrplans an den Fundamentalen Ideen die Anwendung der Prozesse ermöglichen. Die Aussage wird durch die Betrachtung und Übertragung eines nordrhein-westfälischen Unterrichtsentwurfes für stochastische Prozesse auf die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse unterstützt. Darüber hinaus werden eine Concept Map und ein Vernetzungspentagraph nach von der Bank konzipiert um diesen Aspekt hervorzuheben. N2 - The Bienaymé-Galton-Watson processes can be used to study special and developing populations. These populations include individuals that reproduce identically, randomly, separately, independently of each other, and which exist only for one generation. The n-th generation is the random sum of the individuals of the (n-1)-th generation. The relevance of these processes is based on their history and their significance in mathematical and extra-mathematical contexts. The history of the Bienaymé-Galton-Watson processes is illustrated by the development of the concept to the present day. Various scientists from different disciplines who have contributed to the topic in their respective fields are listed. This illustrates moreover the significance in extra-mathematical contexts. Furthermore, the inner- mathematical magnitude is obtained by means of the superordinate concept of branching processes, which can be traced back to the Bienaymé-Galton-Watson processes. These branching processes are one of the most significant models for describing population growth. In addition, the current importance arises from the applicability of branching processes and the Bienaymé-Galton-Watson processes within epidemiology. The Ebola and Corona pandemics are mentioned as fields of application. The processes serve as a basis for political decision-making and enable statements made on the impact of pandemic measures. In addition to the processes, the conditional expectation value for discrete random variables, the probability generating function and the random sum are also introduced. These concepts simplify the description of the processes and thus form the basis of the considerations. Also, the required and further properties of the basic topics and processes are listed and demonstrated. The chapter reaches its climax with the proof of the criticality theorem, whereby a statement can be made about the extinction of the process in different cases and thus about the extinction probability. These cases are distinguished based on the expected number of offspring from the individuals. It turns out that a process with an expected number of less than one certainly becomes extinct. On the contrary, a process with a number greater than one does not necessarily has to die out. Individual examples are then given, such as the linear fractional case, the population of fibroblasts (connective tissue cells) of mice and the question of origin. These are investigated using the results obtained and some selected random dynamics are simulated in the following chapter. The simulations are carried out by a Python self-written program and are realized using the inversion method. These simulations exemplify the developments in the different criticality cases of the processes. Besides, the frequencies of the individual population sizes are displayed in the form of histograms. The difference between the individual cases can be confirmed and the analysis of the fibroblasts reveals the applicability of the Bienaymé-Galton-Watson processes to more complex problems. Histograms confirm that the individual population sizes occur only finitely often. This statement was raised by Galton and is used in the extinction-explosion dichotomy. The presented findings about the topic and the consideration of the concept are concluded with an analysis of didactic-background. This involves the fundamental ideas, the fundamental ideas of stochastics and the guiding idea of data and chance. Depending on the chosen perspective, the use of the Bienaymé-Galton-Watson processes within the school is plausible and may be beneficial for the students. For the treatment, the Rahmenlehrplan for Berlin and Brandenburg is analysed and compared with the core curriculum of Nord Rhine-Westphalia as an example. The design of the curriculum of Berlin and Brandenburg does not allow the conclusion of applying the Bienaymé-Galton-Watson processes. It can be seen that the underlying guiding idea is not fully compatible with some fundamental ideas of stochastics. Thus, a modification to the curriculum more oriented towards these fundamental ideas would allow the application of the processes. This statement is supported by the observation and transfer of a North Rhine-Westphalian teaching design for stochastic processes to the Bienaymé-Galton-Watson processes by means of chain letters. In addition, a concept map and a Vernetzungspentagraph by von der Bank are designed to highlight this aspect. KW - Bienaymé-Galton-Watson Prozess KW - Kritikalitätstheorem KW - Verzweigungsprozess KW - Populationen KW - linear fractional case KW - bedingter Erwartungswert KW - zufällige Summe KW - Simulation KW - wahrscheinlichkeitserzeugende Funktion KW - Historie der Verzweigungsprozesse KW - Instabilität des Prozesses KW - Aussterbewahrscheinlichkeit KW - Geometrische Reproduktionsverteilung KW - Fibroblasten KW - Entstehungsfragestellung KW - Fundamentale Ideen KW - Leitidee „Daten und Zufall“ KW - Rahmenlehrplan KW - Markov-Ketten KW - Corona KW - Bienaymé-Galton-Watson process KW - criticality theorem KW - branching process KW - populations KW - linear fractional case KW - conditional expectation value KW - random sum KW - simulation KW - probability generating function KW - history of branching processes KW - instability of the process KW - extinction probability KW - geometric reproduction distribution KW - fibroblasts KW - question of origin KW - fundamental ideas KW - guiding idea “Daten und Zufall” KW - Rahmenlehrplan KW - Markov chains KW - Corona Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-524474 ER - TY - THES A1 - Seidel, Karen T1 - Modelling binary classification with computability theory T1 - Binäre Klassifikation modellieren mit Berechenbarkeitstheorie N2 - We investigate models for incremental binary classification, an example for supervised online learning. Our starting point is a model for human and machine learning suggested by E.M.Gold. In the first part, we consider incremental learning algorithms that use all of the available binary labeled training data in order to compute the current hypothesis. For this model, we observe that the algorithm can be assumed to always terminate and that the distribution of the training data does not influence learnability. This is still true if we pose additional delayable requirements that remain valid despite a hypothesis output delayed in time. Additionally, we consider the non-delayable requirement of consistent learning. Our corresponding results underpin the claim for delayability being a suitable structural property to describe and collectively investigate a major part of learning success criteria. Our first theorem states the pairwise implications or incomparabilities between an established collection of delayable learning success criteria, the so-called complete map. Especially, the learning algorithm can be assumed to only change its last hypothesis in case it is inconsistent with the current training data. Such a learning behaviour is called conservative. By referring to learning functions, we obtain a hierarchy of approximative learning success criteria. Hereby we allow an increasing finite number of errors of the hypothesized concept by the learning algorithm compared with the concept to be learned. Moreover, we observe a duality depending on whether vacillations between infinitely many different correct hypotheses are still considered a successful learning behaviour. This contrasts the vacillatory hierarchy for learning from solely positive information. We also consider a hypothesis space located between the two most common hypothesis space types in the nearby relevant literature and provide the complete map. In the second part, we model more efficient learning algorithms. These update their hypothesis referring to the current datum and without direct regress to past training data. We focus on iterative (hypothesis based) and BMS (state based) learning algorithms. Iterative learning algorithms use the last hypothesis and the current datum in order to infer the new hypothesis. Past research analyzed, for example, the above mentioned pairwise relations between delayable learning success criteria when learning from purely positive training data. We compare delayable learning success criteria with respect to iterative learning algorithms, as well as learning from either exclusively positive or binary labeled data. The existence of concept classes that can be learned by an iterative learning algorithm but not in a conservative way had already been observed, showing that conservativeness is restrictive. An additional requirement arising from cognitive science research %and also observed when training neural networks is U-shapedness, stating that the learning algorithm does diverge from a correct hypothesis. We show that forbidding U-shapes also restricts iterative learners from binary labeled data. In order to compute the next hypothesis, BMS learning algorithms refer to the currently observed datum and the actual state of the learning algorithm. For learning algorithms equipped with an infinite amount of states, we provide the complete map. A learning success criterion is semantic if it still holds, when the learning algorithm outputs other parameters standing for the same classifier. Syntactic (non-semantic) learning success criteria, for example conservativeness and syntactic non-U-shapedness, restrict BMS learning algorithms. For proving the equivalence of the syntactic requirements, we refer to witness-based learning processes. In these, every change of the hypothesis is justified by a later on correctly classified witness from the training data. Moreover, for every semantic delayable learning requirement, iterative and BMS learning algorithms are equivalent. In case the considered learning success criterion incorporates syntactic non-U-shapedness, BMS learning algorithms can learn more concept classes than iterative learning algorithms. The proofs are combinatorial, inspired by investigating formal languages or employ results from computability theory, such as infinite recursion theorems (fixed point theorems). N2 - Wir untersuchen Modelle für inkrementelle binäre Klassifikation, ein Beispiel für überwachtes online Lernen. Den Ausgangspunkt bildet ein Modell für menschliches und maschinelles Lernen von E.M.Gold. Im ersten Teil untersuchen wir inkrementelle Lernalgorithmen, welche zur Berechnung der Hypothesen jeweils die gesamten binär gelabelten Trainingsdaten heranziehen. Bezogen auf dieses Modell können wir annehmen, dass der Lernalgorithmus stets terminiert und die Verteilung der Trainingsdaten die grundsätzliche Lernbarkeit nicht beeinflusst. Dies bleibt bestehen, wenn wir zusätzliche Anforderungen an einen erfolgreichen Lernprozess stellen, die bei einer zeitlich verzögerten Ausgabe von Hypothesen weiterhin zutreffen. Weiterhin untersuchen wir nicht verzögerbare konsistente Lernprozesse. Unsere Ergebnisse bekräftigen die Behauptung, dass Verzögerbarkeit eine geeignete strukturelle Eigenschaft ist, um einen Großteil der Lernerfolgskriterien zu beschreiben und gesammelt zu untersuchen. Unser erstes Theorem klärt für dieses Modell die paarweisen Implikationen oder Unvergleichbarkeiten innerhalb einer etablierten Auswahl verzögerbarer Lernerfolgskriterien auf. Insbesondere können wir annehmen, dass der inkrementelle Lernalgorithmus seine Hypothese nur dann verändert, wenn die aktuellen Trainingsdaten der letzten Hypothese widersprechen. Ein solches Lernverhalten wird als konservativ bezeichnet. Ausgehend von Resultaten über Funktionenlernen erhalten wir eine strikte Hierarchie von approximativen Lernerfolgskriterien. Hierbei wird eine aufsteigende endliche Zahl von \emph{Anomalien} (Fehlern) des durch den Lernalgorithmus vorgeschlagenen Konzepts im Vergleich zum Lernziel erlaubt. Weiterhin ergibt sich eine Dualität abhängig davon, ob das Oszillieren zwischen korrekten Hypothesen als erfolgreiches Lernen angesehen wird. Dies steht im Gegensatz zur oszillierenden Hierarchie, wenn der Lernalgorithmus von ausschließlich positiven Daten lernt. Auch betrachten wir einen Hypothesenraum, der einen Kompromiss zwischen den beiden am häufigsten in der naheliegenden Literatur vertretenen Arten von Hypothesenräumen darstellt. Im zweiten Teil modellieren wir effizientere Lernalgorithmen. Diese aktualisieren ihre Hypothese ausgehend vom aktuellen Datum, jedoch ohne Zugriff auf die zurückliegenden Trainingsdaten. Wir konzentrieren uns auf iterative (hypothesenbasierte) und BMS (zustandsbasierte) Lernalgorithmen. Iterative Lernalgorithmen nutzen ihre letzte Hypothese und das aktuelle Datum, um die neue Hypothese zu berechnen. Die bisherige Forschung klärt beispielsweise die oben erwähnten paarweisen Vergleiche zwischen den verzögerbaren Lernerfolgskriterien, wenn von ausschließlich positiven Trainingsdaten gelernt wird. Wir vergleichen verzögerbare Lernerfolgskriterien bezogen auf iterative Lernalgorithmen, sowie das Lernen von aussschließlich positiver oder binär gelabelten Daten. Bereits bekannt war die Existenz von Konzeptklassen, die von einem iterativen Lernalgorithmus gelernt werden können, jedoch nicht auf eine konservative Weise. U-shapedness ist ein in den Kognitionswissenschaften beobachtetes Phänomen, demzufolge der Lerner im Lernprozess von einer bereits korrekten Hypothese divergiert. Wir zeigen, dass iterative Lernalgorithmen auch durch das Verbieten von U-Shapes eingeschränkt werden. Zur Berechnung der nächsten Hypothese nutzen BMS-Lernalgorithmen ergänzend zum aktuellen Datum den aktuellen Zustand des Lernalgorithmus. Für Lernalgorithmen, die über unendlich viele mögliche Zustände verfügen, leiten wir alle paarweisen Implikationen oder Unvergleichbarkeiten innerhalb der etablierten Auswahl verzögerbarer Lernerfolgskriterien her. Ein Lernerfolgskriterium ist semantisch, wenn es weiterhin gilt, falls im Lernprozess andere Parameter ausgegeben werden, die jeweils für die gleichen Klassifikatoren stehen. Syntaktische (nicht-semantische) Lernerfolgskriterien, beispielsweise Konservativität und syntaktische Non-U-Shapedness, schränken BMS-Lernalgorithmen ein. Um die Äquivalenz der syntaktischen Lernerfolgskriterien zu zeigen, betrachten wir witness-based Lernprozesse. In diesen wird jeder Hypothesenwechsel durch einen später korrekt klassifizierten Zeugen in den Trainingsdaten gerechtfertig. Weiterhin sind iterative und BMS-Lernalgorithmen für die semantischen verzögerbaren Lernerfolgskriterien jeweils äquivalent. Ist syntaktische Non-U-Shapedness Teil des Lernerfolgskriteriums, sind BMS-Lernalgorithmen mächtiger als iterative Lernalgorithmen. Die Beweise sind kombinatorisch, angelehnt an Untersuchungen zu formalen Sprachen oder nutzen Resultate aus dem Gebiet der Berechenbarkeitstheorie, beispielsweise unendliche Rekursionstheoreme (Fixpunktsätze). KW - Binary Classification KW - Recursion KW - U-Shaped-Learning KW - Simulation KW - Binäre Klassifikation KW - Rekursion KW - U-Förmiges Lernen KW - Simulation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-529988 ER - TY - THES A1 - Grum, Marcus T1 - Construction of a concept of neuronal modeling N2 - The business problem of having inefficient processes, imprecise process analyses, and simulations as well as non-transparent artificial neuronal network models can be overcome by an easy-to-use modeling concept. With the aim of developing a flexible and efficient approach to modeling, simulating, and optimizing processes, this paper proposes a flexible Concept of Neuronal Modeling (CoNM). The modeling concept, which is described by the modeling language designed and its mathematical formulation and is connected to a technical substantiation, is based on a collection of novel sub-artifacts. As these have been implemented as a computational model, the set of CoNM tools carries out novel kinds of Neuronal Process Modeling (NPM), Neuronal Process Simulations (NPS), and Neuronal Process Optimizations (NPO). The efficacy of the designed artifacts was demonstrated rigorously by means of six experiments and a simulator of real industrial production processes. N2 - Die vorliegende Arbeit addressiert das Geschäftsproblem von ineffizienten Prozessen, unpräzisen Prozessanalysen und -simulationen sowie untransparenten künstlichen neuronalen Netzwerken, indem ein Modellierungskonzept zum Neuronalen Modellieren konstruiert wird. Dieses neuartige Konzept des Neuronalen Modellierens (CoNM) fungiert als flexibler und effizienter Ansatz zum Modellieren, Simulieren und Optimieren von Prozessen mit Hilfe von neuronalen Netzwerken und wird mittels einer Modellierungssprache, dessen mathematischen Formalisierung und technischen Substanziierung sowie einer Sammlung von neuartigen Subartefakten beschrieben. In der Verwendung derer Implementierung als CoNM-Werkzeuge können somit neue Arten einer Neuronalen-Prozess-Modellierung (NPM), Neuronalen-Prozess-Simulation (NPS) sowie Neuronalen-Prozess-Optimierung (NPO) realisiert werden. Die Wirksamkeit der erstellten Artefakte wurde anhand von sechs Experimenten demonstriert sowie in einem Simulator in realen Produktionsprozessen gezeigt. T2 - Konzept des Neuronalen Modellierens KW - Deep Learning KW - Artificial Neuronal Network KW - Explainability KW - Interpretability KW - Business Process KW - Simulation KW - Optimization KW - Knowledge Management KW - Process Management KW - Modeling KW - Process KW - Knowledge KW - Learning KW - Enterprise Architecture KW - Industry 4.0 KW - Künstliche Neuronale Netzwerke KW - Erklärbarkeit KW - Interpretierbarkeit KW - Geschäftsprozess KW - Simulation KW - Optimierung KW - Wissensmanagement KW - Prozessmanagement KW - Modellierung KW - Prozess KW - Wissen KW - Lernen KW - Enterprise Architecture KW - Industrie 4.0 Y1 - 2021 ER - TY - JOUR A1 - Hoffmann, Falk A1 - Machatschek, Rainhard Gabriel A1 - Lendlein, Andreas T1 - Analytical model and Monte Carlo simulations of polymer degradation with improved chain cut statistics JF - Journal of materials research : JMR N2 - The degradation of polymers is described by mathematical models based on bond cleavage statistics including the decreasing probability of chain cuts with decreasing average chain length. We derive equations for the degradation of chains under a random chain cut and a chain end cut mechanism, which are compared to existing models. The results are used to predict the influence of internal molecular parameters. It is shown that both chain cut mechanisms lead to a similar shape of the mass or molecular mass loss curve. A characteristic time is derived, which can be used to extract the maximum length of soluble fragments l of the polymer. We show that the complete description is needed to extract the degradation rate constant k from the molecular mass loss curve and that l can be used to design polymers that lose less mechanical stability before entering the mass loss phase. KW - Modeling KW - Degradable KW - Polymer KW - Molecular weight KW - Simulation Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1557/s43578-022-00495-4 SN - 0884-2914 SN - 2044-5326 VL - 37 IS - 5 SP - 1093 EP - 1101 PB - Springer CY - Heidelberg ER - TY - THES A1 - Panzer, Marcel T1 - Design of a hyper-heuristics based control framework for modular production systems T1 - Design eines auf Hyperheuristiken basierenden Steuerungsframeworks für modulare Produktionssysteme N2 - Volatile supply and sales markets, coupled with increasing product individualization and complex production processes, present significant challenges for manufacturing companies. These must navigate and adapt to ever-shifting external and internal factors while ensuring robustness against process variabilities and unforeseen events. This has a pronounced impact on production control, which serves as the operational intersection between production planning and the shop- floor resources, and necessitates the capability to manage intricate process interdependencies effectively. Considering the increasing dynamics and product diversification, alongside the need to maintain constant production performances, the implementation of innovative control strategies becomes crucial. In recent years, the integration of Industry 4.0 technologies and machine learning methods has gained prominence in addressing emerging challenges in production applications. Within this context, this cumulative thesis analyzes deep learning based production systems based on five publications. Particular attention is paid to the applications of deep reinforcement learning, aiming to explore its potential in dynamic control contexts. Analysis reveal that deep reinforcement learning excels in various applications, especially in dynamic production control tasks. Its efficacy can be attributed to its interactive learning and real-time operational model. However, despite its evident utility, there are notable structural, organizational, and algorithmic gaps in the prevailing research. A predominant portion of deep reinforcement learning based approaches is limited to specific job shop scenarios and often overlooks the potential synergies in combined resources. Furthermore, it highlights the rare implementation of multi-agent systems and semi-heterarchical systems in practical settings. A notable gap remains in the integration of deep reinforcement learning into a hyper-heuristic. To bridge these research gaps, this thesis introduces a deep reinforcement learning based hyper- heuristic for the control of modular production systems, developed in accordance with the design science research methodology. Implemented within a semi-heterarchical multi-agent framework, this approach achieves a threefold reduction in control and optimisation complexity while ensuring high scalability, adaptability, and robustness of the system. In comparative benchmarks, this control methodology outperforms rule-based heuristics, reducing throughput times and tardiness, and effectively incorporates customer and order-centric metrics. The control artifact facilitates a rapid scenario generation, motivating for further research efforts and bridging the gap to real-world applications. The overarching goal is to foster a synergy between theoretical insights and practical solutions, thereby enriching scientific discourse and addressing current industrial challenges. N2 - Volatile Beschaffungs- und Absatzmärkte sowie eine zunehmende Produktindividualisierung konfrontieren Fertigungsunternehmen mit beträchtlichen Herausforderungen. Diese erfordern eine Anpassung der Produktion an sich ständig wechselnde externe Einflüsse und eine hohe Prozessrobustheit gegenüber unvorhersehbaren Schwankungen. Ein Schlüsselelement in diesem Kontext ist die Produktionssteuerung, die als operative Schnittstelle zwischen der Produktions- planung und den Fertigungsressourcen fungiert und eine effiziente Handhabung zahlreicher Prozessinterdependenzen sicherstellen muss. Angesichts dieser gesteigerten Produktionsdynamik und Produktvielfalt rücken innovative Steuerungsansätze in den Vordergrund. In jüngerer Zeit wurden daher verstärkt Industrie-4.0-Ansätze und Methoden des maschinellen Lernens betrachtet. Im Kontext der aktuellen Forschung analysiert die vorliegende kumulative Arbeit Deep-Learning basierte Produktionssysteme anhand von fünf Publikationen. Hierbei wird ein besonderes Augenmerk auf die Anwendungen des Deep Reinforcement Learning gelegt, um dessen Potenzial zu ergründen. Die Untersuchungen zeigen, dass das Deep Reinforcement Learning in vielen Produktionsanwendungen sowohl herkömmlichen Ansätzen als auch an- deren Deep-Learning Werkzeugen überlegen ist. Diese Überlegenheit ergibt sich vor allem aus dem interaktiven Lernprinzip und der direkten Interaktion mit der Umwelt, was es für die dynamische Produktionssteuerung besonders geeignet macht. Dennoch werden strukturelle, organisatorische und algorithmische Forschungslücken identifiziert. Die überwiegende Mehrheit der untersuchten Ansätze fokussiert sich auf Werkstattfertigungen und vernachlässigt dabei potenzielle Prozesssynergien modularer Produktionssysteme. Ferner zeigt sich, dass Multi- Agenten- und Mehr-Ebenen-Systeme sowie die Kombination verschiedener algorithmischer Ansätze nur selten zur Anwendung kommen. Um diese Forschungslücken zu adressieren, wird eine auf Deep Reinforcement Learning basierende Hyper-Heuristik für die Steuerung modularer Produktionssysteme vorgestellt, die nach der Design Science Research Methodology entwickelt wird. Ein semi-heterarchisches Multi-Agenten-System ermöglicht eine dreifache Reduktion der Steuerungs- und Optimierungs- komplexität und gewährleistet gleichzeitig eine hohe Systemadaptabilität und -robustheit. In Benchmarks übertrifft das Steuerungskonzept regelbasierte Ansätze, minimiert Durchlaufzeiten und Verspätungen und berücksichtigt kunden- sowie auftragsorientierte Kennzahlen. Die ent- wickelte Steuerungsmethodik ermöglicht einen schnellen Szenarienentwurf, um dadurch weitere Forschungsbemühungen zu stimulieren und die bestehende Transferlücke zur Realität weiter zu überbrücken. Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, eine Synergie zwischen theoretischen Erkenntnissen und Praxis-relevanten Lösungen zu schaffen, um sowohl den wissenschaftlichen Diskurs zu bereichern als auch Antworten auf aktuelle industrielle Herausforderungen zu bieten. KW - modular production KW - deep learning KW - modulare Produktion KW - Produktionssteuerung KW - Deep Learning KW - Reinforcement Learning KW - Simulation KW - production control KW - reinforcement learning KW - simulation Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-633006 ER -