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Semantic-Aware Coordinated Multiple Views for the Interactive Analysis of Neural Activity Data
(2024)
Visualizing brain simulation data is in many aspects a challenging task. For one, data used in brain simulations and the resulting datasets is heterogeneous and insight is derived by relating all different kinds of it. Second, the analysis process is rapidly changing while creating hypotheses about the results. Third, the scale of data entities in these heterogeneous datasets is manifold, reaching from single neurons to brain areas interconnecting millions. Fourth, the heterogeneous data consists of a variety of modalities, e.g.: from time series data to connectivity data, from single parameters to a set of parameters spanning parameter spaces with multiple possible and biological meaningful solutions; from geometrical data to hierarchies and textual descriptions, all on mostly different scales. Fifth, visualizing includes finding suitable representations and providing real-time interaction while supporting varying analysis workflows. To this end, this thesis presents a scalable and flexible software architecture for visualizing, integrating and interacting with brain simulations data. The scalability and flexibility is achieved by interconnected services forming in a series of Coordinated Multiple View (CMV) systems. Multiple use cases are presented, introducing views leveraging this architecture, extending its ecosystem and resulting in a Problem Solving Environment (PSE) from which custom-tailored CMV systems can be build. The construction of such CMV system is assisted by semantic reasoning hence the term semantic-aware CMVs.
Industrial companies mainly aim for increasing their profit. That is why they intend to reduce production costs without sacrificing the quality. Furthermore, in the context of the 2020 energy targets, energy efficiency plays a crucial role. Mathematical modeling, simulation and optimization tools can contribute to the achievement of these industrial and environmental goals. For the process of white wine fermentation, there exists a huge potential for saving energy. In this thesis mathematical modeling, simulation and optimization tools are customized to the needs of this biochemical process and applied to it. Two different models are derived that represent the process as it can be observed in real experiments. One model takes the growth, division and death behavior of the single yeast cell into account. This is modeled by a partial integro-differential equation and additional multiple ordinary integro-differential equations showing the development of the other substrates involved. The other model, described by ordinary differential equations, represents the growth and death behavior of the yeast concentration and development of the other substrates involved. The more detailed model is investigated analytically and numerically. Thereby existence and uniqueness of solutions are studied and the process is simulated. These investigations initiate a discussion regarding the value of the additional benefit of this model compared to the simpler one. For optimization, the process is described by the less detailed model. The process is identified by a parameter and state estimation problem. The energy and quality targets are formulated in the objective function of an optimal control or model predictive control problem controlling the fermentation temperature. This means that cooling during the process of wine fermentation is controlled. Parameter and state estimation with nonlinear economic model predictive control is applied in two experiments. For the first experiment, the optimization problems are solved by multiple shooting with a backward differentiation formula method for the discretization of the problem and a sequential quadratic programming method with a line search strategy and a Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno update for the solution of the constrained nonlinear optimization problems. Different rounding strategies are applied to the resulting post-fermentation control profile. Furthermore, a quality assurance test is performed. The outcomes of this experiment are remarkable energy savings and tasty wine. For the next experiment, some modifications are made, and the optimization problems are solved by using direct transcription via orthogonal collocation on finite elements for the discretization and an interior-point filter line-search method for the solution of the constrained nonlinear optimization problems. The second experiment verifies the results of the first experiment. This means that by the use of this novel control strategy energy conservation is ensured and production costs are reduced. From now on tasty white wine can be produced at a lower price and with a clearer conscience at the same time.
In this thesis, we present a new approach for estimating the effects of wind turbines for a local bat population. We build an individual based model (IBM) which simulates the movement behaviour of every single bat of the population with its own preferences, foraging behaviour and other species characteristics. This behaviour is normalized by a Monte-Carlo simulation which gives us the average behaviour of the population. The result is an occurrence map of the considered habitat which tells us how often the bat and therefore the considered bat population frequent every region of this habitat. Hence, it is possible to estimate the crossing rate of the position of an existing or potential wind turbine. We compare this individual based approach with a partial differential equation based method. This second approach produces a lower computational effort but, unfortunately, we lose information about the movement trajectories at the same time. Additionally, the PDE based model only gives us a density profile. Hence, we lose the information how often each bat crosses special points in the habitat in one night. In a next step we predict the average number of fatalities for each wind turbine in the habitat, depending on the type of the wind turbine and the behaviour of the considered bat species. This gives us the extra mortality caused by the wind turbines for the local population. This value is used for a population model and finally we can calculate whether the population still grows or if there already is a decline in population size which leads to the extinction of the population. Using the combination of all these models, we are able to evaluate the conflict of wind turbines and bats and to predict the result of this conflict. Furthermore, it is possible to find better positions for wind turbines such that the local bat population has a better chance to survive. Since bats tend to move in swarm formations under certain circumstances, we introduce swarm simulation using partial integro-differential equations. Thereby, we have a closer look at existence and uniqueness properties of solutions.
The classic Capital Asset Pricing Model and the portfolio theory suggest that investors hold the market portfolio to diversify idiosyncratic risks. The theory predicts that expected return of assets is positive and that reacts linearly on the overall market. However, in reality, we observe that investors often do not have perfectly diversified portfolios. Empirical studies find that new factors influence the deviation from the theoretical optimal investment. In the first part of this work (Chapter 2) we study such an example, namely the influence of maximum daily returns on subsequent returns. Here we follow ideas of Bali et al. (2011). The goal is to find cross-sectional relations between extremely positive returns and expected average returns. We take account a larger number of markets worldwide. Bali et al. (2011) report with respect to the U.S. market a robust negative relation between MAX (the maximum daily return) and the expected return in the subsequent time. We extent substantially their database to a number of other countries, and also take more recent data into account (until end of 2009). From that we conclude that the relation between MAX and expected returns is not consistent in all countries. Moreover, we test the robustness of the results of Bali et al. (2011) in two time-periods using the same data from CRSP. The results show that the effect of extremely positive returns is not stable over time. Indeed we find a negative cross-sectional relation between the extremely positive returns and the average returns for the first half of the time series, however, we do not find significant effects for the second half. The main results of this chapter serve as a basis for an unpublished working paper Yuan and Rieger (2014b). While in Chapter 2 we have studied factors that prevent optimal diversification, we consider in Chapter 3 and 4 situations where the optimal structure of diversification was previously unknown, namely diversification of options (or structured financial products). Financial derivatives are important additional investment form with respect to diversification. Not only common call and put options, but also structured products enable investors to pursue a multitude of investment strategies to improve the risk-return profile. Since derivatives become more and more important, diversification of portfolios with dimension of derivatives is of particularly practical relevance. We investigate the optimal diversification strategies in connection with underlying stocks for classical rational investors with constant relative risk aversion (CRRA). In particular, we apply Monte Carlo method based on the Black-Scholes model and the Heston model for stochastic volatility to model the stock market processes and the pricing of the derivatives. Afterwards, we compare the benchmark portfolio which consists of derivatives on single assets with derivatives on the index of these assets. First we compute the utility improvement of an investment in the risk-free assets and plain-vanilla options for CRRA investors in various scenarios. Furthermore, we extend our analysis to several kinds of structured products, in particular capital protected notes (CPNs), discount certificates (DCs) and bonus certificates (BCs). We find that the decision of an investor between these two diversification strategies leads to remarkable differences. The difference in the utility improvement is influenced by risk-preferences of investors, stock prices and the properties of the derivatives in the portfolio. The results will be presented in Chapter 3 and are the basis for a yet unpublished working paper Yuan and Rieger (2014a). To check furthermore whether underlyings of structured products influence decisions of investors, we discuss explicitly the utility gain of a stock-based product and an index-based product for an investor whose preferences are described by cumulative prospect theory (CPT) (Chapter 4, compare to Yuan (2014)). The goal is that to investigate the dependence of structured products on their underlying where we put emphasis on the difference between index-products and single-stock-products, in particular with respect to loss-aversion and mental accounting. We consider capital protected notes and discount certificates as examples, and model the stock prices and the index of these stocks via Monte Carlo simulations in the Black-Scholes framework. The results point out that market conditions, particularly the expected returns and volatility of the stocks play a crucial role in determining the preferences of investors for stock-based CPNs and index-based CPNs. A median CPT investor prefers the index-based CPNs if the expected return is higher and the volatility is lower, while he prefers the stock-based CPNs in the other situation. We also show that index-based DCs are robustly more attractive as compared to stock-based DCs for CPT investors.
Bei synthetischen Simulationsgesamtheiten handelt es sich um künstlichernDaten, die zur Nachbildung von realen Phänomenen in Simulationen verwendetrnwerden. In der vorliegenden Arbeit werden Anforderungen und Methoden zur Erzeugung dieser Daten vorgestellt. Anhand von drei Beispielen wird gezeigt, wie erzeugte synthetische Daten in einer Simulation zur Anwendung kommen.
Die Auswirkungen von Rahmenfehlern in Zensen werden bereits seit vielen Jahren untersucht. Eine Methode, um aktuelle Bevölkerungszahlen zu gewinnen, basiert auf Fortschreibung. Wegen Ungenauigkeiten in der Fortschreibung wurden aber auch andere Modelle entwickelt - die capture-recapture-Modelle. Am 29. August 2006 hat die Bundesregierung beschlossen, dass in Deutschland 2011 ein registergestützter Zensus durchgeführt wird. Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt in der Anwendung des capture-recapture-Modelles im deutschen Zensus 2011. Die Dissertation vergleicht den dual system estimator (DSE) und alternative Schätzer (Verallgemeinerter-Regressionsschätzer, Verhältnis-synthetischer Schätzer, Schätzer basierend auf dem Unit-level Modell) für die Schätzung der Anzahl der tatsächlich vorhandenen Personen. Die empirische Untersuchung der Güte der Schätzer basiert auf Monte Carlo Simulationen synthetischer Populationen des Bundeslandes Saarland.
Auf der Grundlage von bodenphysikalischen Standortdaten wurden mit dem physikalisch basierten Modell CATFLOW Bodenwassergehalte und Abflussprozesse von verschiedenen Standorten im Mesozoikum der Trierer Bucht auf der Plotskale simuliert. Die Standorte unterscheiden sich durch das Ausgangssubstrat der Bodenbildung (lehmig-tonig, schluffig-sandig) und die Landnutzung (Acker, Grünland, Wald). Für die Modellvalidierung standen wöchentliche Bodenwassergehaltsmessungen, monatliche Sickerwassersummen aus Lysimetermessungen und Oberflächen- und Zwischenabflusskurven von Beregnungsversuchen zur Verfügung. Ziel der Arbeit ist es zu untersuchen, inwieweit Retentionseigenschaften, Abflussprozesse und Abflussmengen aus Standortdaten ohne eine weitere Kalibrierung des Modells abgeleitet werden können. Besonderer Wert wird dabei auf die Parametrisierung des Bodens gelegt. Das Modell simuliert den Wassertransport in der Bodenmatrix über die zweidimensionale Richardsgleichung und den schnellen Wassertransport in Makroporen über ein einfaches Bulk-Modell. Daneben werden Oberflächenrauhigkeit, Durchwurzelungstiefe und Vegetationsbedeckung im Jahresgang berücksichtigt. Um den Einfluss von unterschiedlichen Parametrisierungen des Bodens aufzuzeigen, werden verschiedene Parametrisierungsvarianten untersucht. Die van Genuchten/Mualem-Parameter, welche die Retentions- und Leitfähigkeitseigenschaften der einzelnen Bodenhorizonte beschreiben, wurden zum einen über die Bodenart und Trockenrohdichte bestimmt und zum anderen über die Anpassung von Retentionskurven an im Labor bestimmte Punkte der Wasserspannungskurve ermittelt. Die Ergebnisse der Simulationen für die Standorte mit Bodenfeuchtemessung zeigen, dass mit dem Modell der Jahresgang der Bodenfeuchte prinzipiell nachvollzogen werden kann. Jedoch führt keine der drei Parametrisierungsvarianten zu einer eindeutigen Überlegenheit bei der Simulationsgüte. Um neben den üblichen Gütemaßen ein weiteres Kriterium für den Erfolg oder Misserfolg einer Standortsimulation zu gewinnen, wurden die Simulationsergebnisse mit den Messwerten der anderen Standorte verglichen. An vier von zehn Standorten führt der Vergleich der Messwerte mit den Simulationen von anderen Standorten zu einer deutlich besseren Übereinstimmung als die Simulation für diesen Standort. Die Ergebnisse der Simulationen der Lysimeterstandorte zeigen, dass mit dem Makroporenansatz ein schneller Wasserfluss im Sommer nicht simuliert werden kann, da das "Anspringen" der Makroporen im Modellkonzept an den Bodenwassergehalt geknüpft ist. Auch hier wurden die Simulationsergebnisse mit den Messwerten der anderen Standorte verglichen. Für fünf von acht Standorten konnte mit den simulierten Sickerwassermengen von anderen Standorten eine bessere Übereinstimmung erzielt werden. Die Simulation der Sickerwassermenge aus Lysimetern scheint daher auf Grundlage der vorliegenden Datenbasis den jeweiligen Standort nicht in seiner Einzigartigkeit charakterisieren zu können. Die mit den Beregnungsversuchen bestimmten Abflussprozesse konnten für die Mehrheit der 18 Standorte mit dem Modell abgebildet werden. Der Oberflächenabfluss konnte für Standorte, die nicht zur Verschlämmung neigen, unter Berücksichtigung von Infiltrationsdaten sehr gut nachgezeichnet werden. Zwischenabfluss wird zwar simuliert, bleibt aber auf der Plotskale in Dynamik und Abflussmenge hinter dem Realsystem zurück. Mit der Untersuchung konnte gezeigt werden, dass sich sowohl die zeitliche Entwicklung des Bodenwassergehaltes, als auch die gemessenen Abflussprozesse allein über die Standortdaten, ohne eine weitere Kalibrierung des Modells, abbilden lassen. Die Trennschärfe der Modellierung ist bei Standorten mit relativ ähnlicher bodenphysikalischer Ausstattung begrenzt. Andererseits müssen aber auch Messungenauigkeiten, besonders bei der thermogravimetrischen Bestimmung des Bodenwassergehaltes, berücksichtigt werden. Eine standortbezogene Aussage über Retentions- und Abflussverhalten ist über eine Simulation möglich, jedoch bleibt die quantitative Aussagekraft begrenzt.
Die Arbeit befasst sich mit der quantifizierenden Wirkungsabschätzung folgender Hochwasserschutzmaßnahmen: Auwaldaufforstung, Kleinrückhalte, Tieflockerung und Wegebaumaßnahmen. Neben der Betrachtung der hochwassermindernden Wirkung der einzelnen Maßnahmen werden auch die Grenzen der eingesetzten Simulationsmodelle aufgezeigt, diskutiert und Impulse für die Weiterentwicklung der Modellsysteme geben. Für die Auwaldaufforstung wurde ein zweidimensional instationäres Strömungsmodell auf der Basis des Rauhigkeitsansatzes nach Manning-Strickler auf einen rund 7,0 km langen Abschnitt eines Auetalgewässers angewendet. Bezüglich der hochwassermindernden Wirkung der Maßnahme Auwaldaufforstung konnte festgestellt werden, dass sich die Wirkung nahe der modelltechnischen Nachweisbarkeitsgrenze bewegt. Als Referenzereignisse dienten ein ca. 5-10 jährliches sowie ein ca. 50-80 jährliches Hochwasserereignis. In allen untersuchten Fällen blieb die relative Scheitelabminderung deutlich unter 1 %. Der Maßnahmentyp Kleinrückhalte wurde zunächst anhand von zwei Einzugsgebieten der Mesoskale (Obere Blies, AE ca. 8,5 km-² und Thalfanger Bach, AE ca.17 km-²) sowie anhand von mehreren hieraus abgeleiteten Fiktivsystemen mit Hilfe eines konzeptionellen Flussgebietsmodells untersucht. Die Untersuchung von Fiktivsystemen diente der Identifikation derjenigen Modellparameter, die den Effekt " also die hochwassermindernde Wirkung der Maßnahme " im Wesentlichen bewirken. Anschließend erfolgte eine Betrachtung des Maßnahmentyps Kleinrückhalte in den Flussgebieten von Prims (AE ca. 730 km-²) und Blies (AE ca. 1.890 km-²). Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Retentionswirkung von Kleinrückhalten entscheidend vom Volumen der jeweiligen Standorte und vom Volumen des betrachteten Hochwassers abhängt. In Abhängigkeit des Volumens wurden Scheitelabminderungen " je nach Ereignis " von < 1 % bis über 60 % simuliert. Entscheidend ist die Summe des Volumens der Einzelstandorte. Liegt das Gesamtvolumen unter einem Wert von 2,0 mm Gebietsrückhalt, so kann davon ausgegangen werden, dass die Maßnahmen nicht signifikant zur Hochwasserminderung beitragen können. Das Retentionspotenzial der Kleinrückhalte kann entscheidend gesteigert werden, wenn die Drosselöffnungen der Kleinrückhalte entsprechend optimiert werden. Die Arbeit stellt ein einfach handhabbares Regionalisierungsverfahren zur Abschätzung des Retentionspotenzials in mesoskaligen Einzugsgebieten (bis 20 km-²) vor. In den Einzugsgebieten von Blies und Prims würden jeweils 104 bzw. 79 Standorte mit einem Gesamtvolumen von 1,9 bzw. 2,5 mm zu Scheitelabminderungen am Gebietsauslass von 2-4 % bzw. 3-5 % bei interessanten, schadbringenden Hochwasserereignissen führen. Die Maßnahmentypen Tieflockerung und Wegebaumaßnahmen wurden mit Hilfe eines Wasserhaushaltsmodells im Einzugsgebiet der Oberen Blies untersucht. Für dieses Gebiet liegen die simulierten Scheitelabminderungen bezogen auf das zugrunde liegende Hochwasserereignis vom Dezember 1993 (ca. HQ10) bei jeweils < 5 % für die beiden untersuchten Maßnahmentypen Tieflockerung und Wegebaumaßnahmen. Generell sind die Möglichkeiten der Tieflockerung und der wegebaulichen Maßnahmen als Hochwasserschutzmaßnahmen begrenzt auf kleinere, 1-5 jährliche Ereignisse. Große, schadbringende Ereignisse können nicht signifikant abgemindert werden.