Anwendung des genetischen Algorithmus zur Lösung des iterierten Freiwilligendilemmas

Anwendung des genetischen Algorithmus nach Robert Axelrod (1987) auf das iterierte Freiwilligendilemma nach Andreas Diekmann (1985

Entwicklung eines individuenbasierten Modells zur Abbildung des Bewegungsverhaltens von Passagieren im Flughafenterminal

Mit der Entwicklung eines stochastischen Modells zur Abbildung des Bewegungsverhaltens von Passagieren wird die Basis für eine virtuelle Anwendungsumgebung geschaffen, mit der die Passagierabfertigungsprozesse im Flughafenterminal und die hierfür notwendigen Infrastrukturen modelliert, implementiert, untersucht und gezielt optimiert werden können. Es werden vorhandene wissenschaftliche Modellansätze zur mikroskopischen Agentensimulation kritisch gewürdigt und Anforderungen an das zu entwickelnde Bewegungsmodell abgeleitet. Das eigens entwickelte stochastische Bewegungsmodell stellt die Erweiterung eines räumlich diskreten mikroskopischen Modells auf Basis eines zellularen Automaten dar, wobei Defizite aufgrund der verwendeten diskreten Gitterstruktur bereits auf Modellebene kompensiert werden. Zu den Erweiterungen zählen die autonome Umgebungsanalyse und die Routenplanung des Agenten, die Abbildung weitreichender Wechselwirkungen zwischen den Agenten und die Berücksichtigung von gruppendynamischen Entscheidungen. Durch die Validierung des stochastischen Bewegungsmodells anhand des Fundamentaldiagramms für Fußgänger kann gezeigt werden, dass das Modell in der Lage ist, den charakteristischen Verlauf der Geschwindigkeit in Relation zur Agentendichte quantitativ abzubilden. Auch typische, in der Realität beobachtbare Selbstorganisationseffekte können durch das Modell reproduziert werden. Für die Anwendung des stochastischen Modells zur Abbildung des Bewegungsverhaltens von Passagieren im Flughafenterminal wird das Modell durch empirisch erhobene Passagierbewegungsdaten kalibriert. Die Datenerhebung erfolgt am Flughafen Dresden unter Verwendung eines entwickelten videogestützten Bewegungsverfolgungssystems und erlaubt eine gezielte Kalibrierung hinsichtlich der Passagierparameter: Geschlecht, Reisemotivation (privat oder geschäftlich), Gruppengröße sowie Gepäckart und -anzahl. Für die Erstellung der virtuellen Terminalumgebung werden die Passagierabfertigungsprozesse eingehend analysiert und die Prozesszeiten der jeweiligen Abfertigungsstationen durch spezifische Wahrscheinlichkeitsverteilungen modelliert. Hierfür stehen empirische Datenerhebungen am Flughafen Stuttgart zur Verfügung, die eine detaillierte Prozessanalyse hinsichtlich der Passagierparameter und der Prozessparameter (Erfahrung des Personals, Reaktionszeiten bei Störungen) erlauben. Im Anschluss an die Kalibrierung des stochastischen Bewegungsmodells und die Modellierung der Passagierabfertigungsprozesse erfolgt die Entwicklung einer Anwendungsumgebung für die Implementierung des virtuellen Flughafens. Durch den modularen Aufbau der Anwendungsumgebung ist eine effiziente Implementierung der Flughafenstrukturen (Grundriss, Flugplan, Personaleinsatz), der Abfertigungsprozesse und des stochastischen Bewegungsmodells möglich. Die Anwendungsumgebung stellt dabei einen übergeordneten Rahmen dar, durch den eine allgemeine Nutzerschnittstelle (Konfigurationsumgebung), eine grafische Ergebnisaufbereitung und die dreidimensionale Abbildung des Bewegungsverhaltens der Passagiere zur Verfügung steht. Die Anwendung des entwickelten stochastischen Bewegungsmodells erfolgt für die Validierung der Passagierabfertigungsprozesse (Check-In und Sicherheitskontrolle), für die Entwicklung einer passagierbezogener Prozessbewertung und für die vollständige Abbildung der Terminalprozesse (Abflug) am Beispiel des Flughafens Dresden. Durch die Analyse des Einstiegsverhaltens der Passagiere in ein Verkehrsflugzeug werden die Notwendigkeit des Einsatzes stochastischer Bewegungsmodelle und das Potential mikroskopischer Modellierungsansätze verdeutlicht. Das entwickelte stochastische Bewegungsmodell kann das Passagierverhalten auch in komplexen Umgebungen umfänglich widerspiegeln und die entwickelte Anwendungsumgebung stellt einen idealen Rahmen für die Modellanwendung und -weiterentwicklung dar. Durch die anwendungsorientierten Implementierungen steht eine Vielzahl von geeigneten Detaillösungen zur Verfügung, um den zukünftigen wissenschaftlichen und praxisrelevanten Herausforderungen der Personendynamik zu begegnen.:1. Methodische Konzeption 1.1. Motivation 1.2. Modell und Simulation 1.2.1. Modellierung 1.2.2. Computerbasierte Simulation 1.3. Modellansätze zur Abbildung individueller Verhaltensweisen 1.3.1. Kollektive Phänomene 1.3.2. Modellierung individueller Verhaltensweisen 1.3.3. Modell der sozialen Kräfte 1.3.4. Modell unter Verwendung von zellularen Automaten 1.3.5. Modell der diskreten Entscheidungen 1.4. Passagierabfertigungsprozesse im Flughafenterminal 1.5. Anforderungen an ein applikationsorientiertes Modell 2. Individuenbasiertes Bewegungsmodell 2.1. Eindimensionale Modellansätze 2.1.1. Random walk 2.1.2. Asymmetric simple exclusion process (ASEP) 2.2. Zweidimensionaler zellularer Automat 2.2.1. Gitterabhängigkeiten - Geschwindigkeit und Varianz 2.2.2. Implementierung - Testumgebung 2.2.3. Kalibrierung - Fundamentaldiagramm 2.3. Umgebungsanalyse zur Richtungsbestimmung 2.3.1. Geometrischer Ansatz 2.3.2. Diskreter Ansatz unter Nutzung eines regulären Gitters 2.4. Interaktionsmodellierung 3. Datenerhebung im Flughafenterminal 3.1. Videogestützte Personenverfolgung 3.1.1. Rechtliche Rahmenbedingungen 3.1.2. Methodische Umsetzung 3.1.3. Datenerhebung im Terminal des Flughafens Dresden 3.2. Erhebung passagierbezogener Daten 3.2.1. Indirekte Geschwindigkeitsindikation - Altersstruktur 3.2.2. Geschwindigkeitsverteilung - Geschlechtsspezifisch 3.2.3. Geschwindigkeitsverteilung - Reisemotivation 3.2.4. Geschwindigkeitsverteilung - Gruppengröße 3.2.5. Geschwindigkeitsverteilung - Gepäckanzahl 3.3. Allgemeines Bewegungsverhalten im Terminal 3.4. Erhebung prozessbezogener Daten 3.4.1. Ankunftsverteilung 3.4.2. Check-In 3.4.3. Sicherheitskontrolle 3.4.4. Pass- und Bordkartenkontrolle 4. Anwendungen 4.1. Entwicklung/Implementierung einer Anwendungsumgebung 4.1.1. Entwicklung eines Software-Prototyps 4.1.2. Modellimplementierung 4.2. Eindimensionaler Simulationsansatz - Boarding eines Verkehrsflugzeuges 4.2.1. Modellbeschreibung 4.2.2. Simulationsergebnisse 4.3. Anwendungsgebiet Flughafenterminal 4.3.1. Validierung der Passagierabfertigungsprozesse 4.3.2. Passagierbezogene Prozessbewertung 4.3.3. Abfertigungsprozesse am Flughafen Dresden (Abflug) 5. Schlussbetrachtungen A. Anhang Literaturverzeichnis DanksagungThe development of a stochastic motion model allows for using a virtual application environment, to reproduce passenger motion behavior and handling processes at airport terminals. Based on the introduced scientific approaches for microscopic agent simulation, requirements for an application-oriented motion model are derived. The developed model is a substantial extension of a stochastic cellular automata approach, where the deficiencies due to the discrete grid structure are compensated on a fundamental level. The model development is completed by adding agent-oriented environment analysis, route planning, and mid-range agent interaction. The stochastic motion model proves its capabilities for a quantitative reproduction of the characteristic shape of the common fundamental diagram of pedestrian dynamics. Moreover, generic self-organization effects are reproduced by the model. For the application of the stochastic approach for modeling the motion behavior of passengers inside an airport terminal, a comprehensive acqusition of data at Dresden International Airport provides a solid basis. A video-supported tracking environment allows for an efficient categorization of passengers and analysis of their motion behavior regarding to their gender, travel purpose (private or business), group size, and baggage types and quantities. In addition to the passenger-related data, the process time of passenger handling at each station at Stuttgart Airport is analyzed in detail and transformed to statistic probabilities by functional data fitting. Finally, the calibrated stochastic motion model is prepared for passenger dynamics at airport terminals. After the successful development and calibration, the implementation of the motion model in a virtual application environment is accomplished. To implement the terminal structure, the passenger handling processes, and the individual passenger motion behavior common programming interfaces are used as well as specific components for linking model and animation requirements. The application of the stochastic motion models aims at the validation of passenger handling process on the basis of empirical data from Stuttgart airport and at the development of a passenger-oriented process evaluation using Dresden Airport environment. The simulation of passenger dynamics at airport terminals points out that the stochastic motion model reproduces the motion behavior of passengers close to reality. Due to the application-oriented implementation a variety of appropriate solutions are available for future scientific and operational challenges related to passenger dynamics.:1. Methodische Konzeption 1.1. Motivation 1.2. Modell und Simulation 1.2.1. Modellierung 1.2.2. Computerbasierte Simulation 1.3. Modellansätze zur Abbildung individueller Verhaltensweisen 1.3.1. Kollektive Phänomene 1.3.2. Modellierung individueller Verhaltensweisen 1.3.3. Modell der sozialen Kräfte 1.3.4. Modell unter Verwendung von zellularen Automaten 1.3.5. Modell der diskreten Entscheidungen 1.4. Passagierabfertigungsprozesse im Flughafenterminal 1.5. Anforderungen an ein applikationsorientiertes Modell 2. Individuenbasiertes Bewegungsmodell 2.1. Eindimensionale Modellansätze 2.1.1. Random walk 2.1.2. Asymmetric simple exclusion process (ASEP) 2.2. Zweidimensionaler zellularer Automat 2.2.1. Gitterabhängigkeiten - Geschwindigkeit und Varianz 2.2.2. Implementierung - Testumgebung 2.2.3. Kalibrierung - Fundamentaldiagramm 2.3. Umgebungsanalyse zur Richtungsbestimmung 2.3.1. Geometrischer Ansatz 2.3.2. Diskreter Ansatz unter Nutzung eines regulären Gitters 2.4. Interaktionsmodellierung 3. Datenerhebung im Flughafenterminal 3.1. Videogestützte Personenverfolgung 3.1.1. Rechtliche Rahmenbedingungen 3.1.2. Methodische Umsetzung 3.1.3. Datenerhebung im Terminal des Flughafens Dresden 3.2. Erhebung passagierbezogener Daten 3.2.1. Indirekte Geschwindigkeitsindikation - Altersstruktur 3.2.2. Geschwindigkeitsverteilung - Geschlechtsspezifisch 3.2.3. Geschwindigkeitsverteilung - Reisemotivation 3.2.4. Geschwindigkeitsverteilung - Gruppengröße 3.2.5. Geschwindigkeitsverteilung - Gepäckanzahl 3.3. Allgemeines Bewegungsverhalten im Terminal 3.4. Erhebung prozessbezogener Daten 3.4.1. Ankunftsverteilung 3.4.2. Check-In 3.4.3. Sicherheitskontrolle 3.4.4. Pass- und Bordkartenkontrolle 4. Anwendungen 4.1. Entwicklung/Implementierung einer Anwendungsumgebung 4.1.1. Entwicklung eines Software-Prototyps 4.1.2. Modellimplementierung 4.2. Eindimensionaler Simulationsansatz - Boarding eines Verkehrsflugzeuges 4.2.1. Modellbeschreibung 4.2.2. Simulationsergebnisse 4.3. Anwendungsgebiet Flughafenterminal 4.3.1. Validierung der Passagierabfertigungsprozesse 4.3.2. Passagierbezogene Prozessbewertung 4.3.3. Abfertigungsprozesse am Flughafen Dresden (Abflug) 5. Schlussbetrachtungen A. Anhang Literaturverzeichnis Danksagun

Ein Simulationsmodell für Öffentlichen Personennahverkehr mit regelbasiertem Verkehrsmanagement

Das Projekt Computer Aided Traffic Scheduling (CATS) zielte bisher auf den Entwurf und die Entwicklung von Methoden und Softwarewerkzeugen zur Generierung, Simulation und Bewertung von Stadtbahnfahrplänen, um Verkehrsplaner während der taktischen Planungsphase zu unterstützen. Im Zuge der Arbeit am Projekt entstand der Wunsch nach einem Simulationsmodul, das zur Abbildung von multi-modalem Öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV) in der Lage ist und Verkehrsplaner nicht nur während der taktischen Planungsphase, sondern auch während des operativen Betriebs unterstützen kann. Im Zuge dieser Arbeit werden Ziele aus drei Bereichen bearbeitet: Zunächst wird ein Optimierungsmodul zur Generierung von Fahrplänen mit hoher Serviceregularität für multi-modale Verkehrssysteme entworfen und entwickelt, das zusätzlich die Möglichkeit bietet Interdependenzen innerhalb und zwischen Verkehrsmodi, wie bspw. Umsteigeverbindungen, zu berücksichtigen. Um eine Anwendbarkeit der resultierenden Fahrpläne im täglichen Betrieb zu gewährleisten, besteht außerdem die Möglichkeit bereits während der Optimierung von Verkehrsplanern formulierte ökonomische, betriebliche und politische Bedingungen zu berücksichtigen. Anhand beispielhafter Anwendungen des Optimierungsmoduls auf Modelle künstlicher Nahverkehrsnetze sowie auf ein Modell des Kölner Busnetzes aus dem Jahr 2001 wird seine Korrektheit und Leistungsfähigkeit nachgewiesen. Weiterhin wird ein neues ereignisbasiertes, mesoskopisches Simulationsmodul für multi-modalen ÖPNV entworfen und entwickelt, das zur Evaluation der Güte eingesetzter Fahrpläne verwendet werden kann. Die einzelnen Bestandteile des Moduls sind so gestaltet, dass zukünftige Erweiterungen, wie z.B. neue Verkehrsmodi, auf einfache Art und Weise möglich sind. Durch theorie- und funktionsbezogene Validierungen anhand von Modellen eines künstlichen Busnetzes sowie des Kölner Stadtbahnnetzes aus dem Jahr 2001 wird die Korrektheit des Simulationsmodells nachgewiesen und gezeigt, dass es auch bei Verwendung sehr spärlicher Datengrundlagen noch plausibles Verhalten aufweist. Die Leistungsfähigkeit des Simulationsmoduls wird anhand von beispielhaften Laufzeituntersuchungen nachgewiesen. Das Simulationsmodul wird daraufhin um die Möglichkeit erweitert selbstständig Maßnahmen des Verkehrsmanagements anstoßen zu können, um Anwenderinnen in die Lage zu versetzen unterschiedliche Verkehrsmanagementstrategien evaluieren zu können. Die Korrektheit der implementierten Verfahren wird beispielhaft anhand einiger Anwendungen auf Modelle künstlicher und realer Verkehrsnetze nachgewiesen. Zuletzt wird die Anwendbarkeit des resultierenden Gesamtprogrammpakets anhand eines typischen Anwendungsfalls für das Kölner Gesamt-ÖPNV-Netz aus dem Jahr 2001 nachgewiesen. Die Arbeit beginnt mit einer Einführung in Kontext, Motivation und Ziele (Kapitel 1), woraufhin eine Einführung in das Gebiet der Fahrplanerstellung für den ÖPNV, sowie eine kurze Besprechung ausgewählter aus der Literatur bekannter Optimierungsmodelle folgt (Kapitel 2). Auf Basis zweier dort besprochener Modelle wird anschließend ein neues Optimierungsmodell zur Fahrplangenerierung für multi-modale ÖPNV-Systeme vorgestellt (Kapitel 3). Die zur Lösung des Optimierungsmodells entworfene Softwareanwendung wird dabei anhand einiger Beispielanwendungen auf ihre Korrektheit und Leistungsfähigkeit untersucht. Darauf folgend werden einige allgemeine Simulationsverfahren sowie diverse in der Literatur zu findende speziell für Verkehrssysteme entwickelte Simulationsmodelle besprochen (Kapitel 4), bevor ein neues Simulationsmodell zur Abbildung von multi-modalen ÖPNV-Systemen vorgestellt wird (Kapitel 5). Die Korrektheit und Leistungsfähigkeit der resultierenden Simulationsanwendung wird durch beispielhafte Anwendungen auf Modelle künstlicher und realer Nahverkehrssysteme untersucht. Im Anschluss wird das Simulationsmodell um die Möglichkeit erweitert selbstständig regelbasierte Verkehrsmanagementmaßnahmen einzuleiten. Dazu erfolgt zunächst eine kurze Einführung in die Grundlagen des Verkehrsmanagements im Nah- und Fernverkehr sowie eine Besprechung ausgewählter in der Literatur zu findender Ansätze (Kapitel 6), bevor die eigentlichen Erweiterungen des Modells besprochen werden (Kapitel 7). Ausgewählte Erweiterungen des Simulationsmodells werden dabei anhand weiterer Beispielanwendungen auf ihre Korrektheit und Plausibilität untersucht. Nach Abschluss der Einzeluntersuchungen, wird die Anwendbarkeit des Gesamtprogrammpakets abschließend demonstriert, indem ein typischer Anwendungsfall für ein Modell des gesamten ÖPNV-Netzes der Stadt Köln aus dem Jahr 2001 besprochen wird (Kapitel 8). Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung des Erreichten und einem Ausblick auf weitere Forschungsmöglichkeiten (Kapitel 9)

Neue Methoden der Analyse historischer Daten

Die Beiträge des Sammelbandes sind überwiegend aus Vorträgen hervorgegangen, die auf der Cologne Computer Conference 1988 gehalten wurden. Das Hauptanliegen dieses Kongresses war es, die methodischen und methodologischen Konsequenzen informationstechnologischer Entwicklungen in den Geistes- und Sozialwissenschaften darzustellen. Die Autoren verbindet folgende Intention: Die oft gepriesenen "einfachen" Methoden (wie prozentuierte Kontingenztabellen, bivariate Korrelations- und Regressionsrechnung) reichen in der historischen Forschungspraxis nicht aus. Sie werden der üblichen Komplexität theoretischer Konzepte und den unterschiedlichen Niveaus verfügbarer oder erreichbarer Daten nicht gerecht; sie schöpfen den informativen Gehalt der Daten nicht optimal aus. Vorgestellt werden daher komplexere Ansätze zur Analyse historischer Daten. (pmb

Identification of Influentials in virtual social network: an agent-based simulation model of social influence processes

Die zunehmende Virtualisierung von gesellschaftlichen Sozialstrukturen durch den Social Media Bereich und insbesondere durch die virtuellen sozialen Netzwerke stellt die Marketingforschung vor neue Herausforderungen. Aufgrund der technologischen Entwicklung des Web 2.0 entstehen für Konsumenten schnelle und einfache Kommunikations- und Interaktionsmöglichkeiten zum Erfahrungsaustausch über die Produkte und Dienstleistungen eines Unternehmens. Innerhalb eines virtuellen sozialen Netzwerkes existieren Influentials, die aufgrund ihrer kommunikativen Verhaltensweisen und der netzwerkstrukturellen Einbettung eine einzigartige soziale Beeinflussungsfähigkeit aufweisen. Für das Marketing der Unternehmen stellen das Verständnis über die sozialen Beeinflussungsprozesse und die Identifikation der Influentials die zentralen Erfolgsfaktoren dar, um die Konsumenteninteraktion im Sinne der Unternehmenszielsetzung zu beeinflussen. Bisherige Analyse- bzw. Identifikationsmethoden für diese Influentials vernachlässigen jedoch die bedeutsame interpersonelle Perspektive. Die netzwerkstrukturelle Einbettung der Konsumenten bzw. Individuen sowie deren Kommunikations- und Interaktionsprozesse untereinander führen zu einem dynamischen, nichtlinearen und komplexen Sozialsystem. Bei der Untersuchung dieser Dynamiken stoßen traditionelle Analysemethoden der Marketingforschung an ihre Grenzen. Deshalb entwickelt der Verfasser ein agentenbasiertes Simulationsmodell, um das individuelle Konsumentenhalten als komplexes und dynamisches System abzubilden. Die Simulationsergebnisse deuten darauf hin, dass die Influentials weder über eine strukturell besonders bedeutsame Position innerhalb des Netzwerkes verfügen, noch eine erhöhte soziale Aktivität aufweisen. Die bisher verwendeten Verfahren der strukturellen sozialen Netzwerkanalyse und der sozialen Aktivitätsanalyse sind deshalb nur eingeschränkt zur Identifikation von Influentials geeignet. Aus einer interpersonellen Analyseperspektive zeigt sich, dass die Influentials eine besonders hohe wahrgenommene Glaubwürdigkeit aufweisen und das soziale Umfeld dieser Individuen durch eine hohe Empfänglichkeit für soziale Beeinflussungen gekennzeichnet ist. Die agentenbasierte Simulation erweitert somit das Verständnis über das sozial beeinflusste Konsumentenverhalten und liefert damit wertvolle Hinweise für die praxisnahe Identifikation von Influentials in einem virtuellen sozialen Netzwerk.Virtual social networking sites have become more and more popular over the last few years, attract millions of users worldwide and are growing exponentially. The increasing amount of virtually connected consumers leads to a social-driven information exchange about products, brands or services. Within virtual social networks, influentials can be considered as key users with high influence capabilities, unique communication patterns and important structural network positions. For marketers an understanding of social influence is key to benefit from consumer-to-consumer interaction and to address potential new customers by utilizing these influentials. So far, virtual social network analysis neglects interpersonal factors of influence as well as an individual consumer decision making perspective. The analysis of individual interaction and the lack of empirical data from virtual social networks require a research method, which models individual consumer behaviors as a complex and adaptive system. Therefore, the author develops an agent-based simulation model to explore and to investigate social influence processes by integrating perceived social activity, perceived structural positions and interpersonal relationship characteristics with an individual decision making perspective. Simulation results indicate that important members in virtual social networks are inadequately identified either through structural network or activity analysis respectively. Hence, these methods are less appropriate to identify influentials within a virtual social network. The interpersonal analysis of the social influence processes shows that influentials are characterized by a high perceived credibility. Moreover, the social contacts of the influentials are highly susceptible for social influences. The agent-based simulation model provides a deeper understanding of social influence processes in virtual social networks and serves marketers as a superior opportunity for identifying socially influential network members

Dienstorientierte Sensornetze: Programmierabstraktionen und Dienstkomposition

In dieser Arbeit wird eine Programmierabstraktion für dienstorientierte Sensornetze entwickelt. Einfache Dienste können zu turingmächtigen Anwendungen komponiert werden, die aufgrund des deklarativen Charakters fortlaufend nach aktuellen Umgebungsbedingungen optimiert werden können. Im zweiten Teil wird eine modusbasierte Optimierung der Kommunikation in Sensornetzen entwickelt. Nach Bedarf kann das Sensornetz auf energiesparende, schnelle oder robuste Kommunikationmodi umgeschaltet werden

Entwurf und Realisierung eines computergestützten Systems zur in silico Modellierung und Simulation von Epithelgeweben

Die Entwicklung prädiktiver in silico Modelle mit unmittelbarer medizinischer Relevanz ist eines der wesentlichen Ziele der Systembiologie. Solche Modelle umspannen bei hinreichend komplexer Fragestellung mehrere biologische Organisationsebenen, um den meist vorhandenen Vorwärtsschleifen und Rückkopplungen der betrachteten funktionellen Prozesse des Organismus über diese Ebenen hinweg Rechnung zu tragen. Mit einem solchen, methodisch betrachtet, multiskalierten Modell, lässt sich eine semantische Brücke von der Subzell- zur Zell- bis hin zur Gewebe- oder sogar Organebene schlagen. Um die i.d.R. vielfältigen zu berücksichtigenden biologischen Prozessen auf unterschiedlichen räumlichen wie zeitlichen Skalen adäquat abzubilden, werden in multiskalierten Modellen eine Reihe unterschiedlicher Modellierungs- und Simulationsansätze kombiniert und semantisch miteinander verwoben. Dies erfordert nicht nur einschlägige Kenntnisse aus den Domänen Biologie und Medizin, sondern Erfahrung mit Methoden aus den Bereichen Biophysik, Biochemie, Mathematik und nicht zuletzt eine hohe technische Kompetenz in Sachen Programmierung sowie, bei größeren Projekten, Software Engineering. Diese vielschichtige Komplexität multiskalierter Modelle motiviert, wie auch wiederholt in der einschlägigen Literatur gefordert, die Bereitstellung von computergestützten Systemen zur Erstellung und Simulation derselben. Um diese an Bedeutung zunehmende Form der in silico Modellierung einem Personenkreis mit einem, fachlich gesehen, biologisch-medizinischen Schwerpunkt zugänglich zu machen, müssen solche Systeme die Komplexität der Modellerstellung insbesondere mit Blick auf die technische Umsetzung der Modellsimulation reduzieren. Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Arbeit war daher der Entwurf und die Realisierung eines computergestützten Systems zur (multiskalierten) in silico Modellierung und Simulation (CMS) von Epithelgeweben. Die Fokussierung auf Epithelgewebe ist wegen deren Relevanz im Bereich der Onkologie und der Einbettung dieser Arbeit in einen Forschungskontext, der in der systembiologischen Erforschung der Epidermis seinen Schwerpunkt hat, vorgenommen worden. Neben der Gebrauchstauglichkeit, Flexibilität sowie Erweiterbarkeit soll insbesondere die Benutzerfreundlichkeit ein wesentliches Merkmal dieses Systems sein und eine Anwenderzielgruppe mit keinen oder nur geringfügigen Programmierkenntnissen im Fokus haben. Zu diesem Zweck sind neben verschiedenen Konzepten zur konkreten technischen Realisierung des Systems eine modulare multiskalierte (Gewebe-)Modellarchitektur und ein mehrstufiges modellgetriebenes Systementwicklungs¬konzept entworfen worden. Den Kern der Modellarchitektur bildet die grafische Modellierung des Verhaltens von räumlich diskret repräsentierten Zellen in einem multizellulären Kontext. Hierfür ist eine grafische Modellierungssprache entwickelt worden, mit der Zellverhalten in Form von Prozessdiagrammen deterministisch, stochastisch oder hybrid modelliert werden kann. Ein grafisches Zellverhaltensmodell (CBM) ist dynamisch an ein seitens des CMS bereitgestelltes, wählbar zwei- oder dreidimensionales, biomechanisches Modell (BM) gekoppelt. Die dynamische Kopplung ermöglicht potentiell die Wiederverwendung von CBMs in unterschiedlichem räumlichem Kontext. Ein BM bildet die räumlichen und biophysikalischen Zelleigenschaften auf Basis eines der hierfür entwickelten diskreten Zellmodelle ab. Das BM verbindet das zellbasierte CBM mit der Gewebeebene, da über dieses ein (biomechanischer) semantischer Bezug zu den benachbarten Zellen, bspw. durch Abbildung von Kontaktinhibition bei proliferierenden Zellen, und damit zur zellulären Mikroumgebung hergestellt wird. Ergänzt wird dieser wechselseitige Bezug von Zell- und Gewebemodellebene durch extrazelluläre Diffusionsfelder (DF), die ebenfalls modularer Bestandteil der Modellarchitektur sind. Mittels eines DF kann die Sekretion, Absorption, der Zerfall sowie die gewebeübergreifende Ausbreitung eines Stoffs abgebildet und simuliert werden, der im Modell einem Zytokin oder Chemokin entsprechen kann. Schließlich können quantitative subzelluläre Modelle (QSMs), die im weit verbreiteten Modellstandard Systems Biology Markup Language (SBML) vorliegen, semantisch in ein CBM integriert werden. Somit umfasst die modulare multiskalierte (Gewebe-)Modellarchitektur die Subzell-, die Zell- und die Gewebemodellebene. Die zuvor beschriebenen Teilmodelle CBM, BM, DF und QSM werden durch das entwickelte und realisierte Konzept der automatisch vom CMS erzeugten Modell-Konnektor-Komponenten (MKK) semantisch miteinander verbunden. Die MKKs übernehmen in diesem Kontext auch die Abbildung der unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen der Teilmodelle. Das mehrstufige modellgetriebene Systementwicklungskonzept ermöglicht auf der ersten Stufe die Formalisierung der grafischen Zellverhaltensmodellierungssprache als, ebenfalls grafisches, Meta-Modell derselben. Aus diesem Meta-Modell können Softwarekomponenten, die die grafische Zellverhaltensmodellierungssprache technisch realisieren, automatisch erzeugt werden, wodurch eine flexible und effiziente Anpassung an neue Anforderungen möglich wird. Auf der zweiten Stufe wird das Zellverhalten mit dieser grafischen Sprache unter semantischer Einbindung der zuvor beschriebenen modularen Bestandteile eines multiskalierten (Gewebe-)Modells abgebildet. Aus dem grafischen CBM wird mittels eines hierfür entwickelten Code-Generators lauffähiger, bezüglich Rechenzeit optimierter Code erzeugt, der dynamisch in eine multiagentenbasierte Simulation dieses Modells integriert wird. Als Realisierung des zuvor skizzierten Entwurfs des CMS sind die beiden Endanwender-Softwaresysteme EPISIM Modeller als grafisches Modellierungssystem (GMS) und EPISIM Simulator als Simulationsumgebung (SE) entstanden. Mit dem GMS werden die (multiskalierten) grafischen CBMs erstellt, validiert, in lauffähigen optimierten Code übersetzt und in einer Modellarchiv-Datei gespeichert. Auf der Basis dieser Datei führt die SE eine multiagentenbasierte Simulation des Modells durch und bietet in diesem Zusammenhang die Möglichkeit, in Echtzeit das zwei- bzw. dreidimensionale Gewebe zu visualisieren und die Simulationsdaten zielgerichtet vorzuverarbeiten bzw. auszuwerten. Für das CMS ist eine Modellinfrastruktur geschaffen worden, die sich in Basismodelle für die SE und in BMs gliedert. Für die SE sind Basismodelle für Stoffaustausch zwischen Zellen und damit Zell-Zell-Kommunikation, ein Reaktions-Diffusions-Modell für die extrazellulären DF und in diesem Zusammenhang ein Sekretions- bzw. Absorptionsmodell entwickelt worden. Diese Modelle können über entsprechende Funktionen im GMS in einem CBM verwendet werden. Ferner sind ein gitterfreies sowie ein gitterbasiertes BM entwickelt und jeweils eine zwei- wie dreidimensionale Variante realisiert worden. Beim gitterfreien BM handelt es sich um ein Zell-Zentrumsmodell, das die Annahme einer elliptischen bzw. ellipsoiden Zellmorphologie und die Berücksichtigung bzw. Parametrisierung der Kräfte Zelladhäsion und Zellabstoßung erlaubt. Das gitterbasierte BM ermöglicht hingegen die Abbildung einer gerichteten Zellmigration in einem extrazellulären Stoffkonzentrations¬gradienten (Chemotaxis). Das CMS ist anhand einer Reihe von Anwendungsfällen der methodischen Ansätze und der bereitgestellten Modellinfrastruktur evaluiert worden. Diese Evaluation umfasste sowohl die Demonstration der Möglichkeiten des CMS, die Erprobung von deren technischer Umsetzung als auch die Anwendung des CMS im Kontext von forschungsrelevanten Fragestellungen. Die methodische Eignung zur multiskalierten zellbasierten Modellierung von Geweben, insbesondere die diesbezügliche Eignung der grafischen Zellverhaltensmodellierungssprache, ist anhand des von Grabe et al. 2005 veröffentlichten, zweidimensionalen in silico Modells der humanen epidermalen Homöostase erfolgt. Das Modell sowie die Simulationsergebnisse konnten mit dem CMS in vollem Umfang reproduziert werden. Darüber hinaus ist das Modell auf die dritte Dimension erweitert worden, indem das CBM an das dreidimensionale gitterfreie BM gekoppelt wurde. Damit wurde demonstriert, dass CBMs potentiell in verschiedenen räumlichen Kontexten simuliert werden können, ohne dass hierfür, abgesehen von Anpassungen an Modellparametern, strukturelle Anpassungen am Modell als solchem notwendig sind. Die Unterschiede zwischen zwei- und dreidimensionaler Simulation des Modells in Abhängigkeit von der Form der Basalmembran sind unter Nutzung der entsprechenden Möglichkeiten der SE ausführlich charakterisiert und dargestellt worden. Ein wesentliches Ergebnis hiervon war die Feststellung, dass die Homöostase der in silico Epidermis bei einer Basalmembran mit Reteleisten stabiler ist als bei einer flachen Basalmembran, wie man sie bspw. bei in vitro Vollhautkulturen vorfindet. Anhand verschiedener realisierter Zellzyklusmodelle wurde die semantische Integration von quantitativen subzellulären Modellen in diskrete CBMs demonstriert. Tysons Zellzyklusmodell bildete in diesem Zusammenhang einen Anwendungsfall, mit dem erfolgreich die automatische Abbildung verschiedener zeitlicher Modellskalen durch das CMS gezeigt werden konnte. Mit einen qualitativen in silico Modell der Reepithelialisierung akuter epidermaler Wunden konnte das CMS direkt in den systembiologischen Forschungskontext eingebracht werden. In einem neu etablierten in vitro Wundmodell, basierend auf Vollhautkulturen, ist die Reepithelialisierung im zeitlichen Verlauf anhand von histologischen Schnitten der kompletten Wunde untersucht worden. Auf Basis der so gewonnenen experimentellen Ergebnisse ist ein neuer Reepithelialisierungsmechanismus abgeleitet und postuliert worden. Mit dem in silico Modell wurde dieser Reepithelialisierungsmechanismus in einer zwei- und dreidimensionalen Simulation übereinstimmend reproduziert, was die theoretische Plausibilität des Mechanismus als solchem im Kontext der Publikation der Ergebnisse untermauerte. Neben verschiedenen Anwendungsfällen mit Test- und Veranschaulichungscharakter konnte mit dem gitterbasierten BM unter kooperativem Einsatz des entwickelten CMS im klinischen Forschungskontext ein T-Zell-Migrationsmodell realisiert und simuliert werden. Abgebildet wurde die gerichtete Migration von T-Zellen in einem chemotaktischen Stoffkonzentrationsgradienten in der Grenzregion von gesunder Leber und Lebermetastase eines kolorektalen Primärtumors. Von Interesse war die sich ergebende räumliche Verteilung der T-Zellen in Abhängigkeit von der räumlichen Dichte sekretorischer Zellen in der Grenzregion, die den Stoffkonzentrations-gradienten erzeugen. Die Simulationsergebnisse zeigten eine quantitativ signifikante Übereinstimmung der räumlichen T-Zell-Verteilung in Gegenüberstellung mit entsprechenden histologischen Schnitten von Biopsien aus der zuvor beschriebenen Grenzregion. Neben den zuvor geschilderten Anwendungsfällen wird die Gebrauchstauglichkeit des CMS auch durch den erfolgreichen Einsatz desselben durch Dritte u.a. im Kontext der Anfertigung von Masterarbeiten im Bereich der Systembiologie und einer medizinischen Dissertation demonstriert. Auf der Grundlage der Anwenderrückmeldungen ist das CMS kontinuierlich verbessert worden. Verschiedene im weiteren Sinne vergleichbare CMS sind zeitlich parallel in anderen Institutionen entstanden. Betrachtet man die Chronologie der Systempublizierung, dann kann festgestellt werden, dass das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte CMS zu den ersten veröffentlichten Systemen einer einschlägigen wissenschaftlichen Gemeinschaft gehört, die sich kontinuierlich erweitert. Stellt man die Systeme vergleichend gegenüber, dann ergibt sich eine Zweiteilung in Frameworks, die sich an Anwender mit vergleichsweise soliden Programmierkenntnissen richten, und Endanwender-Softwaresysteme, wie das hier vorgestellte CMS. Unter den Endanwender-Softwaresystemen bietet dieses einen vergleich-baren Funktionsumfang mit Blick auf die bereitgestellte Modellinfrastruktur. Es ist jedoch das einzige mit einer grafischen Modellierungssprache, automatischer Codeerzeugung und weitreichenden Datenauswertungsmöglichkeiten in der Simulationsumgebung. Auch ist es das einzige, das eine automatische semantische Integration von SBML-basierten Modellen ohne Modellkonvertierung oder die Erfordernis manueller Codierung einer MKK zur Abbildung der zeitlichen Skalen bietet. Schlussfolgernd kann festgehalten werden, dass mit dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten CMS ein relevanter Beitrag zur Vereinfachung der Erstellung multiskalierter multizellulärer (Gewebe-)Modelle geleistet werden konnte. Das CMS als solches, dessen methodische Infrastruktur sowie die durch es bereitgestellten Modelle konnten in forschungsrelevanten Fragestellungen erfolgreich zur Erstellung und Simulation von in silico Modellen eingebracht und publiziert werden. Ausblickend ist ein erweiterter Einsatz des CMS in Forschungsprojekten abzusehen. Beispielhaft sei hier die kooperative Weiterentwicklung des in silico Modells der Epidermis genannt, das um das Stratum corneum als strukturelles Kompartiment und die explizite Abbildung eines Wasser- sowie pH-Gradienten erweitert wird