Aufbau und Einsatz eines Multibeam Instrumentes zur DOAS-tomographischen Messung zweidimensionaler Konzentrationsverteilungen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden erste tomographische Langpfad DOAS Messungen (TOMDOAS)an der Autobahn A656 vorgenommen. Mit zwei Langpfad DOAS Instrumenten wurde abwechselnd entlang von 16 Lichtwegen gemessen. Aus den Messungen konnten zweidimensionale Konzentrationsverteilungen von NO2, SO2 und O3 senkrecht zur Fahrbahnrichtung rekonstruiert werden. Für die Rekonstruktion wurden die Messungen über 5-7 Stunden gemittelt. Die räumliche Auflösung der tomographischen Messung ist durch die Anzahl der Lichtwege begrenzt, das zeitliche Auflösungsvermögen durch die Fluktuation der Konzentrationsverteilung und der Anzahl von Lichtwegen, die simultan gemessen werden können. Um beides zu verbessern wurde ein Langpfad DOAS Instrument entwickelt, das die simultane Messung entlang von bis zu sechs Lichtwegen ermöglicht. Aufgrund dieser Eigenschaft wird es als Multibeam Instrument (MBI) bezeichnet. Die Nachweisgrenzen, die mit diesem Instrument erzielt werden können, sind vergleichbar denen eines konventionellen DOAS Instrumentes. Multibeam Instrumente wurden erfolgreich bei einer Testkampagne in einer Fabrikhalle und der FORMAT II Kampagne eingesetzt. Bei der LP-TOM-DOAS Testkampagne wurde eine bekannte, eindeutig definierte Konzentrationsverteilung von NO2 mit einem Messaufbau bestehend aus drei Multibeam Instrumenten und 39 Lichtwegen gemessen. Die rekonstruierten Konzentrationsverteilungen stimmen im Rahmen der verwendeten Diskretisierung gut mit der realen Konzentrationsverteilung überein, z. B. ist die Abweichung von der rekonstruierten und realen Gesamtkonzentration im Messfeld kleiner als 20%

inSARa: Hierarchical Networks for the Analysis, Visualization and Prediction of Structure-Activity Relationships

Die Kenntnis von Struktur-Aktivitäts-Beziehungen (SARs) kann die Entwicklung neuer Arzneistoffe entscheidend beschleunigen. Die fortlaufend zunehmende Menge an verfügbaren Bioaktivitätsdaten enthält potentiell diese wertvollen Schlüssel-Informationen. Die Herausforderung, die es noch zu lösen gilt, ist die Auswertung dieser Daten. Für die Bewältigung dieser Dimensionen werden heutzutage computergestützte Verfahren benötigt, die automatisiert, die wichtigsten Informationen über SARs extrahieren und möglichst anschaulich und intuitiv für den medizinischen Chemiker darstellen. Das Ziel dieser Arbeit war daher, die Entwicklung einer Methode namens inSARa (Abkürzung für „intuitive networks for Structure-Activity Relationship analysis“) zur intuitiven Analyse und Visualisierung von SARs. Die Hauptmerkmale des entwickelten Verfahrens sind hierarchische Netzwerke klar-definierter Substruktur-Beziehungen auf Basis gemeinsamer pharmakophorer Eigenschaften. Hierzu wurde das Konzept des „reduzierten Graphen“ (RG) mit dem intuitiven Konzept der „maximal gemeinsamen Substruktur“ (MCS) kombiniert, wodurch ein besonderer Synergismus für die SAR-Interpretation resultiert. Dieser ermöglicht, dass der medizinische Chemiker leicht gemeinsame bzw. bioaktivitätsbeeinflussende molekulare (pharmakophore) Merkmale in großen, auch strukturell diverseren Datensätzen, die aus Hunderten oder Tausenden von Molekülen bestehen, erfassen kann. Verschiedene Analysen (z.B. basierend auf der Bioaktivitäts-Vorhersage mittels kNN-Regression) konnten eine Komplementarität oder Überlegenheit der für inSARa verwendeten molekularen Repräsentation und Ähnlichkeitserfassung zum häufig verwendeten Ansatz der Fingerprint-basierten Ähnlichkeitsanalyse belegen. Der inSARa Hybrid Ansatz, der inSARa in verschiedenen Varianten mit Fingerprint-basierten Ähnlichkeits-Netzwerken kombiniert, zeigt zudem die Vorteile auf, die aus der Kombination beider Prinzipien resultieren können. Beim Analysieren von Datensätzen aktiver Moleküle einzelner Zielstrukturen haben sich die ohne Berücksichtigung von Bioaktivitätsinformation aufgebauten inSARa-Netzwerke als wertvoll für verschiedene essentielle Aufgaben der SAR-Analyse erwiesen. Neben gemeinsamen pharmakophoren Eigenschaften lassen sich so auf Grundlage einfacher Regeln bioisosterer Austausch, sprunghafte SARs oder „SAR Hotspots“ und sogenannte „Activity Switches“ erkennen. Die verschiedenen Typen an SAR-Information können sowohl mittels interaktiver Navigation durch die hierarchisch aufgebauten Netzwerke als auch durch automatisierte Netzwerk-Analyse (inSARaauto) identifiziert werden. Der auf inSARaauto aufbauende SARdisco Score ermöglicht zudem analog zum Fingerprint-basierten SAR-Index die globale Charakterisierung der Verteilung von SAR-(Dis-)Kontinuität in inSARa-Netzwerken. Der Vergleich der inSARa-Netzwerke verschiedener Zielstrukturen auf Basis der Schnittmenge an RG-MCSs hat außerdem gezeigt, dass die für die SAR-Interpretation entwickelten inSARa-Netzwerke auch wichtige Information im Hinblick auf Polypharmakologie enthalten. Die Ergebnisse dieser Analyse bestätigen, dass dieser RG-MCS-basierte Ansatz aufgrund seiner einfachen Interpretierbarkeit und Fokussierung auf Eigenschaften, die in die Protein-Ligand-Bindung involviert sind, das Potential für die Ergänzung verfügbarer Chemogenomik-Ansätze zur ligandbasierten Analyse von Target-Ähnlichkeiten und zur Identifizierung von Kreuzreaktivitäten aufweist. Zusammenfassend ist festzustellen, dass von dem in dieser Arbeit entwickelten inSARa-Ansatz somit durch seine vielseitige Anwendbarkeit ein wichtiger Beitrag zur Entwicklung neuer und sicherer Arzneistoffe erwartet werden kann.The analysis of Structure-Activity-Relationships (SARs) of small molecules is a fundamental task in drug discovery as this this knowledge is essential for the medicinal chemist at different stages of drug development. The increasing number of bioactivity data is a valuable source for this key information. Yet, up to now, the organization and mining of these data is one of the major challenges. To tackle this issue, computational methods aiming at the automatic extraction of SARs and their subsequent visualization are needed. Therefore, the goal of this thesis was the development of a method called inSARa (abbreviation for “intuitive networks for Structure-Activity Relationship analysis”) for the intuitive SAR analysis and visualization. The main features of the approach introduced herein are hierarchical networks of clearly-defined substructure relationships based on common pharmacophoric features. The method takes advantage of the synergy resulting from the combination of reduced graphs (RG) and the intuitive concept of the maximum common substructure (MCS). Using inSARa networks, common molecular or pharmacophoric features crucial for bioactivity modification are easily identified in data sets of different size (up to thousands of molecules) and heterogeneity. Various analyses (e.g. based on the prediction of bioactivities using kNN regression) show that the way of molecular representation and perception of similarity used in inSARa is superior to the commonly used concept of fingerprint-based similarity analysis. The inSARa Hybrid approach, which combines inSARa with fingerprint-based similarity networks in different ways, highlights the advantages resulting from the combination of both concepts. When focusing on a set of active molecules at one single target, the resulting inSARa networks are shown to be valuable for various essential tasks in SAR analysis. Based on simple rules not only common pharmacophoric patterns but also bioisosteric exchanges, activity cliffs or ‘SAR hotspots’ and ‘activity switches’ are easily identified. These different types of SAR information are either identified by interactive navigation of the hierarchical networks or automated network analysis (inSARaauto). In Analogy to the fingerprint-based SAR-Index, the SAR disco Score which is based on inSARaauto globally characterize the portion of SAR (dis)continuity in inSARa networks. Additionally, inSARa networks of a large number of different targets were pairwisely compared on the basis of the portion of common RG-MCSs. The results indicate that inSARa networks which were primarily devoloped for SAR interpretation are also valuable for gaining insights in polypharmacology. The promising results of the analysis show that the RG-MCS-based concept can complement published chemogenomic approaches for ligand-based analysis of targets similarities and the identification of cross-reactivities/off-target-relationships. The advantage of the devoloped RG-MCS approach is the easy interpretability and the the fact that molecular features involved in protein-ligand binding are represented. In summary, due to the versatility and the intuitive concept, the introduced inSARa approach is expected to support and stimulate the development of new or safer drugs

Entwicklung und Bewertung zeitkritischer Softwaremodelle

In der vorliegenden Arbeit wird eine Technik vorgestellt, die Software bereits aufgrund ihrer Modellbeschreibung in ihrem zeitlichen Verhalten bewertbar macht. Dazu wird eine Technik zur Beschreibung dynamischer Ausführungsmodelle für Zeitverhalten, sogenannte dynamische Performanz-Modelle, eingeführt. Ein Modellierungtechnik für Umgebungen wird beschrieben. Schließlich erlaubt die Definition einer zeitbehafteten Semantik die Bewertung einzelner Bearbeitungsabläufe. Mittels einer Petrinetzsemantik wird einerseits das Modellverhalten exakt festgelegt und andererseits ein Wohlgeformtheitsbegriff eingeführt, der einer späteren Werkzeugimplementierung dient. Die vorteilhaften technischen Eigenschaften dieses Entwurfes erlauben zudem eine Übersetzung aus UML-Aktivitätsdiagrammen. Anhand der Bewertung einzelner Abläufe wird das zeitliche Verhalten eines dynamischen Modells analysiert. Diese einzelnen Abläufe, sogenannte Szenarien, werden durch das Werkzeug bewertet. Jeweils ein Tripel aus einem dynamischen Modell, einem Szenario und einer passenden Umgebung läßt sich mit einen Zeitwert bewerten. Dynamischer Modelle können direkt aus UML-Aktivitätsdiagrammen erzeugt werden. Szenarien können graphisch editiert und Last- und Ressourcenmodellen aus Meßwerttabellen generiert werden. Die ermittelten Zeitwerte können dann graphisch aufbereitet und zur Beurteilung der dynamischen Eigenschaften herangezogen werden. Die hier entwickelten Modelle und eingesetzten formalen Spezifikationstechniken werden in der Werkzeugstudie vollständig gekapselt und müssen vom Werkzeuganwender nicht beherrscht werden. Somit stellt diese Arbeit auch ein Musterbeispiel für den Software-Entwurf unter Einbeziehung formaler Methoden dar.This book introduces a new technology to access performance properties of software based on its design artifacts. A technology of description of performance models and a technique of environment description is introduced. Finally time assessment of single runs is defined by a time semantics. A Petri nets semantics is introduced to grant a specific dynamic behaviour at one hand, and on the other hand the semantics grants a well formedness that is helpful for a later tool implementation. The advantageous semantics design allows a translation from UML activity graphs. One analyses temporal behaviour by assessment of distinct runs of the dynamic model. These runs are called \textit{scenarios} and are evaluated in a simulation environment. Each tuple of a dynamic model, a scenario and an simulation environment defines a distinct execution time. Dynamic performance models can be translated direct from UML activity diagrams. Scenarios cab be developed graphically. Load and ressource models can be generated based on measurement tables. Obtained results can be edited graphically and can be utilised for the assessment of the models dynamic behaviour. All models introduced in this approach are completely capsuled by the toolbench case study and need not to be handled by the user. Hence this approach represents also a paradigm for a modern software enigineering utilising formal methods

Die Rolle der Ökonomik in der Wissenschaftsphilosophie: Eine kritische Würdigung aus Sicht der Economics of Scientific Knowledge und eine Agentenbasierte Modellierung zur Konsensbildung mit eingeschränkt rationalen, adaptiv handelnden heterogenen Akteuren

Die Dissertation wendet sich insbesondere der Rolle der Ökonomik auf der Metaebene der wissenschaftsphilosophischen Argumentation zu. Ziel ist zu klären, welchen Erklärungsgehalt ökonomische Instrumente in der Wissenschaftsphilosophie haben können. Mit der Economics of Scientific Knowledge (ESK) hat sich seit Mitte der 1990er Jahre ein Literaturzweig herausgebildet, in dem genau diese Zielsetzung verfolgt wird, nämlich das Erkenntnisobjekt der wissenschaftlichen Koordination mit unterschiedlichen Methoden und Instrumenten der Ökonomik zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass den analytischen Modellen der ESK einige Probleme inhärent sind, die prinzipiell durch neue Methoden und Instrumente gelöst werden können. Als ein geeigneter Kandidat wird die Agentenbasierte Modellierung (ABM) identifiziert, die eine realitätsnähere Abbildung der Akteure, eine ergebnisoffene Modellierung ihrer Entscheidungen und des Koordinationsprozesses erlaubt. Der Analyse von der ESK zuzuordnenden analytischen und agentenbasierten Modellen folgt im zweiten Teil der Dissertation die Programmierung einer eigenen ABM Continuous Opinions of Satisficing Agents and Discrete Actions (COSDA) mit Hilfe der Multi-Agenten-Programmiersprache NetLogo. In der heuristischen ABM COSDA werden zentrale wissenschaftsphilosophische und ökonomische Prämissen, die im ersten Teil der Arbeit als Problemfelder identifiziert wurden, aufgegeben. Mit Modellierung heterogener Agententypen, die - mit unterschiedlichen Präferenzen und Verhaltensheuristiken ausgestattet - miteinander interagieren, wird eine mögliche Mikrospezifikation für die Emergenz eines Makrophänomens erzeugt. Das Makrophänomen, d.h. die unterschiedlichen Resultate im wissenschaftlichen Koordinationsprozess, sind aus den selbstverstärkenden Effekten der Interaktion erklärbar, aber nicht vorhersehbar. Die Mikrospezifikation kann als relevante, durch eine kohärente Fiktion formulierte Möglichkeit interpretiert werden, die anders als analytische Modelle der ESK kein rationales Entscheidungskalkül der Agenten voraussetzt

Musiktheorie als interdisziplinäres Fach: 8. Kongress der Gesellschaft für Musiktheorie Graz 2008

Im Oktober 2008 fand an der Universität für Musik und darstellende Kunst Graz (KUG) der 8. Kongress der Gesellschaft für Musiktheorie (GMTH) zum Thema »Musiktheorie als interdisziplinäres Fach« statt. Die hier vorgelegten gesammelten Beiträge akzentuieren Musiktheorie als multiperspektivische wissenschaftliche Disziplin in den Spannungsfeldern Theorie/Praxis, Kunst/Wissenschaft und Historik/Systematik. Die sechs Kapitel ergründen dabei die Grenzbereiche zur Musikgeschichte, Musikästhetik, zur Praxis musikalischer Interpretation, zur kompositorischen Praxis im 20. und 21. Jahrhundert, zur Ethnomusikologie sowie zur Systematischen Musikwissenschaft. Insgesamt 45 Aufsätze, davon 28 in deutscher, 17 in englischer Sprache, sowie die Dokumentation einer Podiumsdiskussion zeichnen in ihrer Gesamtheit einen höchst lebendigen und gegenwartsbezogenen Diskurs, der eine einzigartige Standortbestimmung des Fachs Musiktheorie bietet.The 8th congress of the Gesellschaft für Musiktheorie (GMTH) took place in October 2008 at the University for Music and Dramatic Arts Graz (KUG) on the topic »Music Theory and Interdisciplinarity«. The collected contributions characterize music theory as a multi-faceted scholarly discipline at the intersection of theory/practice, art/science and history/system. The six chapters explore commonalties with music history, music aesthetics, musical performance, compositional practice in twentieth- and twenty-first-century music, ethnomusicology and systematic musicology. A total of 45 essays (28 in German, 17 in English) and the documentation of a panel discussion form a vital discourse informed by contemporaneous issues of research in a broad number of fields, providing a unique overview of music theory today. A comprehensive English summary appears at the beginning of all contributions