Interactive simulation and visualisation for the computerised biochemistry

Die moderne Biochemie ist eine Wissenschaft, die sich im Wandel befindet. Während die bisherige Forschung sehr stark experimentell geprägt ist, existiert eine theoretische Biologie, analog zur theoretischen Chemie, nur in Ansätzen. Trotzdem wandelt sich auch diese Wissenschaft hin zu einer stärkeren Einbindung theoretischer Ansätze. Der Grund hierfür liegt in der Betrachtung von zunehmend komplexeren Systemen. So beschäftigt man sich in der Systembiologie, einem Teilbereich der Biochemie, unter anderem mit der Aufklärung komplexer Reaktionsnetzwerke. Während Ausschnitte dieser Netzwerke weiterhin experimentell aufgeklärt und verstanden werden, lässt sich das zusammenhängende Bild zunehmend nur noch durch eine theoretisch geprägte Modellbildung fassen. Darüber hinaus zeigen neuere Forschungsergebnisse die Bedeutung der Tatsache, dass Moleküle, Zellen und Zellhaufen, also wichtige Forschungsubjekte der Biochmie, dreidimensionale Gebilde sind – eine Tatsache, die bei der Modellbildung berücksichtigt werden muss. Eine Antwort auf die genannten Herausforderungen ist der konzertierte Einsatz von Simulation und Visualisierung als Mittel des Erkenntnisgewinns. Damit ist die Informatik gefordert entsprechende dedizierte Werkzeuge zu entwickeln, die Simulation, Visualisierung und Interaktion im Kontext des von der Anwendungsdisziplin gesetzten räumlich-zeitlichen Problemkreises miteinander verbinden. In dieser Arbeit wird ein integriertes Konzept zu Simulation, Interaktivität und Visualisierung vorgelegt, das auf einer Anforderungsanalyse in Bezug auf Anforderungen an die Simulation und Anforderungen an die Interaktivität und Visualisierung basiert. Zur Lösung der aufgeworfenen Probleme wird ein „Baukastensystem“ auf Basis von Multi-Agenten-Systemen vorgeschlagen. Die Auswahl des geeigneten Simulationsverfahrens, z. B. die Auswahl eines stochastischen Verfahrens gegenüber einem deterministischen Verfahrens, wird so zur Auswahl eines Bausteins, wobei gezeigt wird, wie z. B. mit Hilfe von Regeln die Auswahl auch automatisiert werden kann. Ebenso wird gezeigt, wie man „Baussteine“ auch im räumlichen Sinne verstehen kann, als Dinge, die in einem dreidimensionalen Kontext einen bestimmten Raum einnehmen und die, in ihrer Gesamtheit betrachtet, den Beobachtungsraum der Simulation ausfüllen. Diese Bausteine finden sich entsprechend ebenfalls im Kontext der Interaktion wieder. Ein wichtiger Aspekt in diesem Baukastenkonzept ist die Frage der Kommunikationsstruktur und des Kommunikationsprotokolls, für den ein Vorschlag erarbeitet wird. Das entwickelte Gesamtkonzept besteht aus zwei Teilen: Einem Konzept für Ein- und Ausgabegeräte mit einer gemeinsamen Metapher, die die Geräte logisch in den Anwendungskontext einbettet und einem Simulations- und Visualisierungskonzept auf der Basis der Kopplung heterogener intelligenter Agenten in eine gemeinsame Simulationsumgebung. Hierfür wurde ein spezieller Dialekt einer Agentenkommunikationssprache entwickelt, der dabei insbesondere den Aspekt der dreidimensionalen Visualierung einer solchen Simulation berücksichtigt.Modern biochemistry is a science is changing rapidly. While traditional research in this field is characterised by experimental studies, there is a growing interest in the inclusion computerised, model and simulation based methodologies. Although the objects of research are three dimensional entities, like molecules, cells etc. and a number of phenomena within these entities are identified as three dimensional, many models used nowadays abstract from this three-dimensionality. This is, at least to a significant part, due to the lack of dedicated visualisation and simulation tools. This thesis presents an integrated concept for the interactive simulation and visualisation in the biochemistry domain of molecular modelling, systems biology and multi-cellular structures which is based on a thorough requirements analysis. The concept consists of a modular system based on multi-agent methodologies. It is shown how this system can be used to couple heterogeneous simulation models and how three-dimensional structures can be represented in a modular way. These modular building blocks are revisited in the context of the inteactive visulisation of simulation studies. The concept is based on a newly developed agent communication language dialect. The implementation of the concept is twofold: a new I/O device, the virtual glove box, allowes for an intuitive approach to the simulation infrastructure, while several integrated software systems built on the communication structure provide a suited simulation and visualisation infrastructure wich caters for the needs of simulating three-dimensional phenomena

Ein informationslogistisches Architekturkonzept zur Akquisition simulationsrelevanter Daten

Der enorme Datenbedarf bei der Durchführung von Ablaufsimulationsstudien wird systematisch untersucht. Hieraus werden Anforderungen an ein Architekturkonzept zur offenen Datenkopplung zwischen relevanten Anlagenteilen und der Simulation abgeleitet. Die Realisierung dieses Konzepts zeigt anschließend, wie durch den Einsatz dieser Architektur ein simulationsbasiertes online-Monitoring im Rahmen von Betreibermodellen ermöglicht wird.The enormous amount of data required to carry out process simulation studies is systematically examined. From this, requirements for an architectural concept for open data coupling between relevant system parts and the simulation are derived. The implementation of this concept shows how the use of this architecture enables simulation-based online monitoring within the framework of operator models

Logistische Beherrschung von Technologieänderung am Beispiel der Schmiedeindustrie

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Unterwachen und Schlafen

Anthropophile Medien durchdringen zunehmend unsere lebensweltliche Realität, sei es im Ambient Assisted Living, als Pflegeassistenzsysteme, in den Arbeitsszenarien einer Industrie 4.0, als behagliche Interfaces des Affective Computing oder als Lifetracker der Quantified-Self-Bewegung. Verbunden ist damit der Einzug menschlicher Befindlichkeiten, Werte und sozialer Routinen in das Design medialer Agencies. Über 40 Jahre nach dem Erscheinen von Michel Foucaults "Surveiller et punir" gerät damit auch dessen Kritikbegriff ins Wanken. An die Stelle von "Überwachen und Strafen" tritt "Unterwachen und Schlafen". Unterwachen und Schlafen stellt nicht das theoretische Programm einer vollautomatisierten Lebenswelt in Aussicht, sondern das Konstrukt einer nunmehr medialen Umsetzung anthropologischer Grundelemente wie Autonomie, Freiheit oder Vertrauen

Unterwachen und Schlafen: Anthropophile Medien nach dem Interface

Anthropophile Medien durchdringen zunehmend unsere lebensweltliche Realität, sei es im Ambient Assisted Living, als Pflegeassistenzsysteme, in den Arbeitsszenarien einer Industrie 4.0, als behagliche Interfaces des Affective Computing oder als Lifetracker der Quantified-Self-Bewegung. Verbunden ist damit der Einzug menschlicher Befindlichkeiten, Werte und sozialer Routinen in das Design medialer Agencies. Über 40 Jahre nach dem Erscheinen von Michel Foucaults 'Surveiller et punir' gerät damit auch dessen Kritikbegriff ins Wanken. An die Stelle von 'Überwachen und Strafen' tritt 'Unterwachen und Schlafen'. 'Unterwachen und Schlafen' stellt nicht das theoretische Programm einer vollautomatisierten Lebenswelt in Aussicht, sondern das Konstrukt einer nunmehr medialen Umsetzung anthropologischer Grundelemente wie Autonomie, Freiheit oder Vertrauen

Wissenschaft und Innovation: Wissenschaftsforschung Jahrbuch 2009

Technologische Innovationen sind kreative Reaktionen auf Veränderungen des Bedarfs an neuer Technik. Sie bilden ein System zur Durchsetzung des Neuen in einer technologisch ausgerichteten Zukunftswelt und erzeugen einen permanenten Druck zum Fortschritt. Eine Welt ohne technologische Innovationen wird es nicht geben. Sie dienen der Sicherung unseres Wohlstandes und bedürfen einer vielseitigen wissenschaftlichen Begleitforschung. Dabei werden Innovationsfähigkeiten in der Erwartung entwickelt, dass sich kreative Ideen als Innovationen auf dem Weltmarkt durchsetzten. Die zukünftige Gesellschaft wird auf das Leistungsvermögen ihrer industriellen Arbeitskultur angewiesen sein. Eine Steigerung des Arbeitsbedarfs kann nur durch Wachstum des industriellen Innovationspotenzials erreicht werden. Die Gesellschaft für Wissenschaftsforschung hat sich dieser Fragestellung angenommen und sie im Rahmen ihrer Jahrestagung im Produktionstechnischen Zentrum der Technischen Universität Berlin am 27. und 28. März 2009 unter dem Thema „Wissenschaft und Innovation“ analysiert und diskutiert. Dabei ist es gelungen, theoretische Überlegungen mit historischen und aktuellen Fakten zu verbinden. Die Ergebnisse dieser Tagung werden in diesem Jahrbuch der Gesellschaft für Wissenschaftsforschung dem interessierten Leser vorgestellt.Peer Reviewe