Analyse und Simulation von Unsicherheiten in der flächendifferenzierten Niederschlags-Abfluss-Modellierung

Die deterministische Modellierung des Niederschlags-Abfluss(N-A)-Prozesses mit flächendifferenzierten, prozessbasierten Modellen ist von zahlreichen Unsicherheiten beeinflusst. Diese Unsicherheiten resultieren hauptsächlich aus den genutzten Daten, die Messfehlern unterliegen sowie für eine flächendifferenzierte Modellierung entsprechend aufbereitet werden müssen, und der Abstraktion der natürlichen Prozesse im Modell selbst. Da N-A-Modelle in der hydrologischen Praxis vielfältig eingesetzt werden, sind Zuverlässigkeitsaussagen im Hinblick auf eine spezielle Anwendung nötig, um das Vertrauen in die Modellergebnisse zu festigen. Die neu entwickelte Strategie zur Analyse und Simulation der Unsicherheiten eines flächendifferenzierten, prozessbasierten N-A-Modells ermöglicht eine umfassende, globale und komponentenbasierte Unsicherheitsbestimmung. Am Beispiel des mesoskaligen Einzugsgebiets der Schwarzen Pockau/Pegel Zöblitz im mittleren Erzgebirge wird der Einfluss maßgebender Unsicherheiten im N-A-Prozess sowie deren Kombination zu einer Gesamt-Unsicherheit auf den Gebietsabfluss aufgezeigt. Zunächst werden die maßgebenden Unsicherheiten separat quantifiziert, wobei die folgenden Methoden eingesetzt werden: (i) Monte-Carlo Simulationen mit flächendifferenzierten stochastischen Bodenparametern zur Analyse des Einflusses unsicherer Bodeninformationen, (ii) Bayes’sche Inferenz und Markov-Ketten-Monte-Carlo Simulationen, die eine Unsicherheitsbestimmung der konzeptionellen Modellparameter der Abflussbildung und -konzentration ermöglichen und (iii) Monte-Carlo Simulationen mit stochastisch generierten Niederschlagsfeldern, die die raum-zeitliche Variabilität interpolierter Niederschlagsdaten beschreiben. Die Kombination der Unsicherheiten zu einer hydrologischen Unsicherheit und einer Gesamt-Unsicherheit erfolgt ebenfalls mit Monte-Carlo Methoden. Dieses Vorgehen ermöglicht die Korrelationen der Zufallsvariablen zu erfassen und die mehrdimensionale Abhängigkeitsstruktur innerhalb der Zufallsvariablen empirisch zu beschreiben. Die Ergebnisse zeigen für das Untersuchungsgebiet eine Dominanz der Unsicherheit aus der raum-zeitlichen Niederschlagsverteilung im Gebietsabfluss gefolgt von den Unsicherheiten aus den Bodeninformationen und den konzeptionellen Modellparametern. Diese Dominanz schlägt sich auch in der Gesamt-Unsicherheit nieder. Die aus Messdaten abgeleiteten Unsicherheiten weisen eine Heteroskedastizität auf, die durch den Prozessablauf geprägt ist. Weiterhin sind Indizien für eine Abhängigkeit der Unsicherheit von der Niederschlagsintensität sowie strukturelle Defizite des N-A-Modells sichtbar. Die neu entwickelte Strategie ist prinzipiell auf andere Gebiete und Modelle übertragbar.Modelling rainfall-runoff (R-R) processes using deterministic, spatial distributed, process-based models is affected by numerous uncertainties. One major source of these uncertainties origins from measurement errors together with the errors occurring in the process of data processing. Inadequate representation of the governing processes in the model with respect to a given application is another source of uncertainty. Considering that R-R models are commonly used in the hydrologic practise a quantification of the uncertainties is essential for a realistic interpretation of the model results. The presented new framework allows for a comprehensive, total as well as component-based estimation of the uncertainties of model results from spatial distributed, process-based R-R modelling. The capabilities of the new framework to estimate the influence of the main sources of uncertainties as well as their combination to a total uncertainty is shown and analysed at the mesoscale catchment of the Schwarze Pockau of the Ore Mountains. The approach employs the following methods to quantify the uncertainties: (i) Monte Carlo simulations using spatial distributed stochastic soil parameters allow for the analysis of the impact of uncertain soil data (ii) Bayesian inference und Markov Chain Monte Carlo simulations, yield an estimate of the uncertainty of the conceptual model parameters governing the runoff formation and - concentration processes. (iii) Monte Carlo simulations using stochastically generated rainfall patterns describing the spatiotemporal variability of interpolated rainfall data. Monte Carlo methods are also employed to combine the single sources of uncertainties to a hydrologic uncertainty and a total uncertainty. This approach accounts for the correlations between the random variables as well as an empirical description of their multidimensional dependence structure. The example application shows a dominance of the uncertainty resulting from the spatio-temporal rainfall distribution followed by the uncertainties from the soil data and the conceptual model parameters with respect to runoff. This dominance is also reflected in the total uncertainty. The uncertainties derived from the data show a heteroscedasticity which is dominated by the process. Furthermore, the degree of uncertainty seems to depend on the rainfall intensity. The analysis of the uncertainties also indicates structural deficits of the R-R model. The developed framework can principally be transferred to other catchments as well as to other R-R models

Probabilistisch-logische Inferenz relationaler Situationsbeschreibungen aus Verkehrsbildfolgen

Fahrerassistenzsysteme mit maschineller Umfeldwahrnehmung gewinnen an Bedeutung. Die vorliegende Arbeit präsentiert ein auf Markov-Logik-Netzen basierendes Modell, mit welchem eine Situationsbeschreibung einer Verkehrsszene probabilistisch-logisch inferiert wird. Dieser Formalismus ermöglicht eine relationale Repräsentation von komplexen Diskursbereichen, in welcher probabilistisches Schließen durchgeführt wird. Der Ansatz wird anhand exemplarisch verwendeter Videosequenzen evaluiert

Probabilistische Vorhersage von Fahrstreifenwechseln für hochautomatisiertes Fahren auf Autobahnen

Die vorliegende Arbeit stellt ein Konzept zur zeitlichen Vorhersage von Fahrstreifenwechselmanövern auf Autobahnen für Systeme zur automatischen Fahrzeugführung vor. Derartige Systeme benötigen ein Verständnis der Fahrumgebung zur konfliktfreien und nachvollziehbaren Durchführung der Fahraufgabe. Dies beinhaltet die Wahrnehmung und Interpretation der Fahrumgebung zur Erkennung und Vorhersage von Fahrmanövern des umgebenden Verkehrs

SimMarket: Simulation des Abverkaufsverhaltens von Artikeln des Einzelhandels mit orobalbilistischen Agenten

Diese Arbeit ist in den Bereichen Business Intelligence, multiagentenbasierte Simulation und probabilistische Netzwerke angesiedelt. Das Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Entscheidungsunterstützungssystems für das Sortimentsmanagement im Einzelhandel, um Optimierung von Preisen, Promotionen und der Sortimentszusammensetzung zu ermöglichen. Es wird gezeigt, wie man mit probabilistischen Agenten das Abverkaufsverhalten von Artikeln im Einzelhandel ex ante simulieren kann. Dazu wurde ein probabilistisches holonisches Multiagentensystem (PH-MAS) entwickelt, bei dem die Wissensbasen der Agenten mittels Data-Mining-Verfahren aus den Realdaten der Händler extrahiert werden. Die gewonnenen Abverkaufsmuster werden in so genannten Verhaltensnetzen kodiert, die eine Simulation der repräsentierten Artikel verwendet werden. Es wird gezeigt, wie der Kern der Verhaltensnetze durch erweiterte Bayes';sche Netze realisiert werden kann. So werden neuen Evidenzarten Soft- und Extrapolationsevidenz eingeführt und in das Simulationssystem integriert. Für die Modellierung und Simulation von globalen Abhängigkeiten zwischen Artikelagenten wird ein Verschmelzungsalgorithmus vorgestellt, der die probabilistischen Verhaltensnetze der Agenten in holonische Metanetze fusioniert. Des Weiteren wird eine mehrdimensionale Simulationssprache (MSL) für beliebige Verhaltensnetze und andere mehrdimensionale Wissensrepräsentationsformen vorgestellt. Schließlich wird eine selbst optimierende Simulationsroutine präsentiert, die beliebige zu simulierende Szenarien Abfolgen von Netzkonfigurationen konvertiert und damit effiziente Simulationen auf der Basis von Verhaltensnetzen ermöglicht. Die entwickelten Technologien wurden vollständig in Agenten des PH-MAS integriert und mit Hilfe des neu entwickelten verteilten Agentenframeworks MASg auf der Basis der .NET-Technologie realisiert. Es wird beschrieben, wie dieses generische Multiagentensystem sukzessiv zu einem umfangreichen Simulationssystem für die Prognose von Artikelabverkaufsverhalten ausgebaut wurde.This work is part of the areas Business Intelligence, multiagent-based simulation and probabilistic networks. The goal of this work is the development of a decision support system for category management in the retail domain for optimizing pricing, promotions and sales mix. I will show how to simulate ex ante the sales behaviour of products with probabilistic agents. The basis of the system is a new developed probabilistic holonic multi-agent system (PH-MAS), where the knowledge bases of the agents are extracted by data mining retailers'; real data. The patterns of sale will be encoded into so-called behaviour networks, which will be used for simulating the represented items. We will see how the core of the behaviour networks is realised with extended Bayesian networks. New kinds of evidences — soft and extrapolation evidences — are introduced and concretised. For modelling and simulating global dependencies between item agents a merging algorithm is presented for fusing the probabilistic behaviour networks of the agents into holonic meta networks. Additionally, I will present a concept of a multi-dimensional simulation language (MSL) for arbitrary behaviour networks and other multi-dimensional knowledge representation formalisms. Finally, a self-optimising simulation routine is presented, which converts arbitrary simulation scenarios into a sequence of network configurations for efficient simulation based on behaviour networks. All developed technologies of this work are integrated into the agents of the PH-MAS, which is realised by using the new developed distributed agent framework MASg and the .NET technology. I will show how this generic multi-agent system is successively expanded to a massive simulation system to forecast the sales behaviour of products

Modeling everyday organization. A psychologically based agent model for predicting travel demand.

Die Entscheidungsträger unserer Gesellschaft müssen heutzutage hoch komplexe sozio-technische Systeme managen. Dies ist nach Ansicht der Autorin nur mit Hilfe von Computersimulationsmodellen in Form von Multiagentensystemen möglich, die auf einem psychologisch validen Agentenmodell basieren. Diese These wird in dieser interdisziplinären Dissertation am Beispiel städtischer Mobilität begründet und die Notwendigkeit eines psychologisch basierten Modells der Alltagsorganisation zur Erzeugung der Verkehrsnachfrage hergeleitet. Es wird die Verwendung der PSI-Theorie von Prof. Dr. Dietrich Dörner als psychologische Basis begründet; die Theorie wird entsprechend differenziert, auf Alltagsorganisation angewendet und in Form eines Agentenmodells implementiert. Hiermit ist ein erster Schritt auf dem Weg zu einer anderen Art von Verkehrsnachfragemodellierung getan, die Verkehrsverhalten kausal und psychologisch valide auf individueller Ebene erklärt. Die Zukunft wird zeigen, ob dies hilft, die im Rahmen der klassischen Verkehrsmodellierung auftretenden Erklärungs- und Prognoseprobleme zu lösen, jedoch zeigen die Systemanalyseergebnisse mögliche Quellen für diese Probleme auf, die durch den in dieser Arbeit vorgeschlagenen Ansatz eliminiert werden.Nowadays, decision-makers have to deal with highly complex socio-technical systems. The author argues that these require computer simulation models in the form of multi-agent systems, which are founded on a psychologically valid agent model. In this interdisciplinary thesis, this argument is demonstrated through the example of urban mobility and the necessity to use a psychologically based model is deduced. One of the most appropriate psychological theories is the PSI-theory of Prof. Dietrich Dörner; the theory is differentiated, applied to everyday organization and implemented as an agent model. This is a first step towards another form of travel demand modeling that explains travel behavior causally and psychologically on an individual level. The future will show if this is effective in solving some of the problems that arise in classical travel demand modeling. Some system analysis findings show potential causes of these problems, which are eliminated by the approach presented

Klassifikation morphologischer und pathologischer Strukturen in koronaren Gefäßen auf Basis intravaskulärer Ultraschallaufnahmen zur klinischen Anwendung in einem IVB-System

Erkrankungen des Herz-Kreislaufsystems sind in Deutschland für fast 50% der Todesfälle verantwortlich. Insbesondere die Arteriosklerose (vulgo: „Arterienverkalkung“) ist dabei ein dominierendes Krankheitsbild. So ist es auch nicht verwunderlich, dass die Arteriosklerose seit den Anfängen der wissenschaftlichen Medizin ein Feld für umfangreiche Untersuchungen gewesen ist. Speziell durch den technischen Fortschritt bildgebender Verfahren war es möglich neuartige Diagnose- und Therapiemethoden zu entwickeln. Dabei hat sich gerade der intravaskuläre Ultraschall zu einem Goldstandard in der Diagnose arteriosklerotischer Erkrankungen und, in Kombination mit der intravaskulären Brachytherapie, zu einer Erfolg versprechenden Basistechnik für therapeutische Maßnahmen entwickelt. Grundvoraussetzung fast jeder bildbasierten Intervention ist aber die Separierung der Bilddaten in anatomisch und pathologisch differenzierte, saliente Regionen. In Anbetracht zunehmender, umfangreicherer Datenmengen kann eine derartige Aufarbeitung nur rechnergestützt durch Problem adaptierte Klassifikationsalgorithmen gewährleistet werden. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, neue Methoden zur Merkmalsextraktion und Algorithmen zur Klassifikation morphologischer und pathologischer Strukturen in koronaren Gefäßen bereitzustellen. Aus der initialen Fragestellung wurde zudem zeitnah deutlich, dass das Forschungsvorhaben Anknüpfungspunkte zu weiteren hochgradig relevanten inter- und intradisziplinären Forschungsthemen, beispielsweise der Histologie, Systembiologie oder Chemietechnik, aufweist. Aber auch vonseiten der Anwendungsszenarien wurden teilweise völlig neue, innovative Wege beschritten. Exemplarisch sei ein E-Learning-Ansatz zur „Übersetzung“ digitaler Bilddaten in haptisch erfahrbare Reliefs für blinde und sehbehinderte Schülerinnen und Schüler genannt. In Anbetracht dieser partiell divergierenden Sichtweisen war auch die generalisierte, von der expliziten Fragestellung abstrahierte Umsetzung eine Ausrichtung der Arbeit. Dieser Intention folgend wurden drei wesentliche methodische und konzeptionelle Entwicklungen innerhalb der Arbeit realisiert: ein Expertensystem zur Approximation arterieller Kompartimente mittels unscharfer elliptischer Templates, ein neuartiger, effizienter Ansatz zur signaltheoretischen Extraktion textureller Merkmale und die Etablierung maschinelle Lernverfahren unter Integration von a priori Wissen. Über eine konsequente Integration statistischer Gütemaße konnte zudem eine ausgeprägte Rückkopplung zwischen Klassifikations- und Bewertungsansätzen gewährleistet werden. Gemeinsam ist allen Ansätzen das Ansinnen, trotz hoch anwendungsbezogener Umsetzungen, die fortwährende Portabilität zu beachten. In einer übergeordneten Abstraktion kann die Intention der Arbeit somit auch in der „generalisierten Nutzung signaltheoretischer Merkmale zur Klassifikation heterogener, durch texturelle Ausprägungen zu differenzierende Kompartimente mittels maschineller Lernverfahren“ verstanden werden

Chemiehausaufgaben in der Sekundarstufe I des Gymnasiums. Fragebogenerhebung zur gegenwärtigen Praxis und Entwicklung eines optimierten Hausaufgabendesigns im Themenbereich Säure-Base.

In dieser Arbeit wird zunächst die aktuelle Hausaufgabenpraxis im gymnasialen Chemieunterricht am Ende der Sekundarstufe I erhoben und anschließend werden optimierte Hausaufgaben im Themenbereich Säure-Base entwickelt und im Rahmen einer Fallstudie eingesetzt. Die Erhebung der gegenwärtigen Hausaufgabenpraxis erfolgt mit Hilfe eines Verhaltensfragebogens für Lehrer/innen. Der Fragebogen wird in Baden-Württemberg, Nordrhein-Westfalen und Schleswig-Holstein eingesetzt. Dabei zeigen sich nur geringfügige Unterschiede zwischen den drei untersuchten Bundesländern. Die Mehrheit der befragten Lehrkräfte gibt an, in jeder oder jeder zweiten Stunde Hausaufgaben zu stellen und jede der erteilten Hausaufgaben auch zu kontrollieren. Für die Erledigung werden im Schnitt 10 bis 15 Minuten eingeplant, wobei geschätzte 50 bis 75 Prozent der Schüler/innen die gestellten Aufgaben auch bearbeiten. Die entwickelte Interventionsmaßnahme umfasst eine achtstündige Unterrichtsreihe im Themenbereich Säure-Base sowie je eine Hausaufgabe für jede der acht Unterrichtsstunden. Die Fallstudie an einem Gymnasium in Nordrhein-Westfalen mit einer Chemielehrerin und zwei zehnten Parallelklassen gibt Hinweise auf die Lernwirksamkeit des optimierten Hausaufgabendesigns. Die Interventionsgruppe zeigt einen signifikant größeren residualen Lernzuwachs bei mittlerer Effektstärke als die Kontrollgruppe. Bezüglich Interesse und Motivation können keine Effekte der Intervention nachgewiesen werden