Die Untersuchung des Phänotyps bringt z.B. bei genetischen Krankheiten ein Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen mit sich. Aufgrund dessen wurden neue Technologien wie RNA-Interferenz (RNAi) entwickelt, die Genfunktionen entschlüsseln und mehr phänotypische Daten erzeugen. Interpretation der Ergebnisse solcher Versuche ist insbesondere bei heterogenen Daten eine große Herausforderung. Wenige Ansätze haben bisher Daten über die direkte Verknüpfung von Genotyp und Phänotyp hinaus interpretiert. Diese Dissertation zeigt neue Methoden, die Entdeckungen in Phänotypen über Spezies und Methodik hinweg ermöglichen. Es erfolgt eine Erfassung der verfügbaren Datenbanken und der Ansätze zur Analyse ihres Inhalts. Die Grenzen und Hürden, die noch bewältigt werden müssen, z.B. fehlende Datenintegration, lückenhafte Ontologien und der Mangel an Methoden zur Datenanalyse, werden diskutiert. Der Ansatz zur Integration von Genotyp- und Phänotypdaten, PhenomicDB 2, wird präsentiert. Diese Datenbank assoziiert Gene mit Phänotypen durch Orthologie über Spezies hinweg. Im Fokus sind die Integration von RNAi-Daten und die Einbindung von Ontologien für Phänotypen, Experimentiermethoden und Zelllinien. Ferner wird eine Studie präsentiert, in der Phänotypendaten aus PhenomicDB genutzt werden, um Genfunktionen vorherzusagen. Dazu werden Gene aufgrund ihrer Phänotypen mit Textclustering gruppiert. Die Gruppen zeigen hohe biologische Kohärenz, da sich viele gemeinsame Annotationen aus der Gen-Ontologie und viele Protein-Protein-Interaktionen innerhalb der Gruppen finden, was zur Vorhersage von Genfunktionen durch Übertragung von Annotationen von gut annotierten Genen zu Genen mit weniger Annotationen genutzt wird. Zuletzt wird der Prototyp PhenoMIX präsentiert, in dem Genotypen und Phänotypen mit geclusterten Phänotypen, PPi, Orthologien und weiteren Ähnlichkeitsmaßen integriert und deren Gruppierungen zur Vorhersage von Genfunktionen, sowie von phänotypischen Wörtern genutzt. / In diseases with a genetic component, examination of the phenotype can aid understanding the underlying genetics. Technologies to generate high-throughput phenotypes, such as RNA interference (RNAi), have been developed to decipher functions for genes. This large-scale characterization of genes strongly increases phenotypic information. It is a challenge to interpret results of such functional screens, especially with heterogeneous data sets. Thus, there have been only few efforts to make use of phenotype data beyond the single genotype-phenotype relationship. Here, methods are presented for knowledge discovery in phenotypes across species and screening methods. The available databases and various approaches to analyzing their content are reviewed, including a discussion of hurdles to be overcome, e.g. lack of data integration, inadequate ontologies and shortage of analytical tools. PhenomicDB 2 is an approach to integrate genotype and phenotype data on a large scale, using orthologies for cross-species phenotypes. The focus lies on the uptake of quantitative and descriptive RNAi data and ontologies of phenotypes, assays and cell-lines. Then, the results of a study are presented in which the large set of phenotype data from PhenomicDB is taken to predict gene annotations. Text clustering is utilized to group genes based on their phenotype descriptions. It is shown that these clusters correlate well with indicators for biological coherence in gene groups, such as functional annotations from the Gene Ontology (GO) and protein-protein interactions. The clusters are then used to predict gene function by carrying over annotations from well-annotated genes to less well-characterized genes. Finally, the prototype PhenoMIX is presented, integrating genotype and phenotype data with clustered phenotypes, orthologies, interaction data and other similarity measures. Data grouped by these measures are evaluated for theirnpredictiveness in gene functions and phenotype terms.

Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit ist ein spieltheoretisches Modell für die dezentrale Erzeugung von Netzwerken durch eigennützige Agenten. Diese Akteure verfolgen das Ziel, ein zusammenhängendes Netzwerk aufzubauen, welches ihre individuelle Verbindungsqualität maximiert. Direktverbindungen im Netzwerk haben Kosten, weshalb die Agenten ihre Ausgaben für das Erstellen von Direktverbindungen und die damit erzielten Kommunikationskosten ausbalancieren müssen. Dieses Modell wurde vor einem Jahrzehnt von Fabrikant, Luthra, Maneva, Papadimitriou und Shenker eingeführt, um reale Netzwerke, welche aus der Interaktion von eigenützigen Parteien entstanden sind, zu verstehen. Zu solchen Netzwerken zählen das Internet und auch soziale Netzwerke. Die vorliegende Arbeit trägt zu diesem Forschungsvorhaben bei, indem die sogenannten Network Creation Games aus drei Perspektiven betrachtet werden. Die erste Sichtweise ist die Approximationsperspektive. Es wird untersucht, welche Netzwerke von sehr einfachen, in ihrer Berechnungsstärke eingeschränkten Agenten erzeugt werden und wie diese im Vergleich mit Netzwerken von Agenten, die beliebige Berechnungsstärke haben, abschneiden. Als zweite Sichtweise wird die Dynamikperspektive betrachtet. Dazu werden sequentielle Versionen des Modells definiert und anhand dieser wird explizit der Prozess der Netzwerkerzeugung untersucht. Die Hauptfragestellung ist, ob unter der natürlichen Annahme, dass Agenten stets ihre Situation verbessern wollen, der Prozess zu einem Gleichgewicht konvergiert und, falls dem so ist, wie dieser Prozess beschleunigt werden kann. Die Abhandlung wird mit der dritten Sichtweise, der Strukturperspektive, abgerundet. Es werden eine Vielfalt neuer Struktureigenschaften für verschiedene Gleichgewichtskonzepte bewiesen und neue Werkzeuge, die bei der Analyse von Gleichgewichtsnetzwerken mit hohen Direktverbindungskosten hilfreich sind, vorgestellt. / The subject of study in this thesis is a game-theoretic model for decentralized network creation by selfish agents. These agents aim to create a connected network among themselves which maximizes their individual connection quality. Links in the network are costly and therefore agents try to find a trade-off between their cost spent on creating edges and their cost incurred by communicating within the network. This model was proposed a decade ago by Fabrikant, Luthra, Maneva, Papadimitriou and Shenker with the goal of understanding real networks which emerge from the interaction of selfish entities without explicit central coordination, e.g. the Internet or social networks. We contribute to this research endeavor in many ways by considering these so-called Network Creation Games from three perspectives. Our first point of view on these games is the approximation perspective. We analyze which networks are created by very simple computationally bounded selfish agents and how these networks compare to networks built by agents having unlimited computational resources. The second point of view is the dynamics perspective. We turn the model into a sequential version and focus on the process of selfish network creation. For this, we investigate whether natural dynamics like best response dynamics are guaranteed to converge to an equilibrium of the game and if so, how this convergence process may be sped up. We complete the treatment of Network Creation Games with our third point of view: the structure perspective. We provide new structural insights for several equilibrium concepts and introduce new tools which shed light on the structure of equilibrium networks for high edge-cost.

Die Regularitätsmethode für Graphen wurde vor über 30 Jahren von Szemerédi, für den Beweis seines Dichteresultates über Teilmengen der natürlichen Zahlen, welche keine arithmetischen Progressionen enthalten, entwickelt. Grob gesprochen besagt das Regularitätslemma, dass die Knotenmenge eines beliebigen Graphen in konstant viele Klassen so zerlegt werden kann, dass fast alle induzierten bipartiten Graphen quasi-zufällig sind, d.h. sie verhalten sich wie zufällige bipartite Graphen mit derselben Dichte. Das Regularitätslemma hatte viele weitere Anwendungen, vor allem in der extremalen Graphentheorie, aber auch in der theoretischen Informatik und der kombinatorischen Zahlentheorie, und gilt mittlerweile als eines der zentralen Hilfsmittel in der modernen Graphentheorie. Vor wenigen Jahren wurden Regularitätslemmata für andere diskrete Strukturen entwickelt. Insbesondere wurde die Regularitätsmethode für uniforme Hypergraphen und dünne Graphen verallgemeinert. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Weiterentwicklung der Regularitätsmethode und deren Anwendung auf Probleme der theoretischen Informatik. Im Besonderen wird gezeigt, dass vererbbare (entscheidbare) Hypergrapheneigenschaften, das sind Familien von Hypergraphen, welche unter Isomorphie und induzierten Untergraphen abgeschlossen sind, testbar sind. D.h. es existiert ein randomisierter Algorithmus, der in konstanter Laufzeit mit hoher Wahrscheinlichkeit zwischen Hypergraphen, welche solche Eigenschaften haben und solchen die „weit“ davon entfernt sind, unterscheidet. / About 30 years ago Szemerédi developed the regularity method for graphs, which was a key ingredient in the proof of his famous density result concerning the upper density of subsets of the integers which contain no arithmetic progression of fixed length. Roughly speaking, the regularity lemma asserts, that the vertex set of every graph can be partitioned into a constant number of classes such that almost all of the induced bipartite graphs are quasi-random, i.e., they mimic the behavior of random bipartite graphs of the same density. The regularity lemma had have many applications mainly in extremal graph theory, but also in theoretical computer science and additive number theory, and it is considered one of the central tools in modern graph theory. A few years ago the regularity method was extended to other discrete structures. In particular extensions for uniform hypergraphs and sparse graphs were obtained. The main goal of this thesis is the further development of the regularity method and its application to problems in theoretical computer science. In particular, we will show that hereditary, decidable properties of hypergraphs, that are properties closed under isomorphism and vertex removal, are testable. I.e., there exists a randomised algorithm with constant running time, which distinguishes between Hypergraphs displaying the property and those which are “far” from it.

Es gibt tausende regulatorische Proteine in Eukaryoten, die spezifische cis-regulatorischen Elemente von Genen und/oder RNA-Transkripten binden und die Genexpession koordinieren. Auf DNA-Ebene modulieren Transkriptionsfaktoren (TFs) die Initiation der Transkription, während auf RNA-Ebene RNA-bindende Proteine (RBPs) viele Aspekte des RNA-Metabolismus und der RNA-Funktion regulieren. Für hunderte dieser regulatorischer Proteine wurden die gebundenen Gene beziehungsweise RNA-Transkripte, sowie deren etwaige Sequenzbindepräferenzen mittels in vivo oder in vitro Hochdurchsatz-Experimente bestimmt. Zu diesen Methoden zählen unter anderem Chromatin-Immunpräzipitation (ChIP) gefolgt von Sequenzierung (ChIP-seq) und Protein Binding Microarrays (PBMs) für TFs, sowie Cross-Linking und Immunpräzipitation (CLIP)-Techniken und RNAcompete für RBPs. In vielen Fällen kann die zum Teil hohe Bindespezifität für ein zumeist sehr kurzes Sequenzmotiv regulatorischer Proteine nicht allein durch die gebundene Primärsequenz erklärt werden. Um besser zu verstehen, wie verschiedene Proteine ihre regulatorische Spezifität erreichen, haben wir zwei Computerprogramme entwickelt, die zusätzliche Informationen in die Analyse von experimentell bestimmten Bindestellen einbeziehen und somit differenziertere Bindevorhersagen ermöglichen. Für Protein-DNA-Interaktionen untersuchen wir die Bindungsspezifität paraloger TFs (d.h. Mitglieder der gleichen TF-Familie). Mit dem Fokus auf der Unterscheidung von genomischen Regionen, die in vivo von Paaren eng miteinander verwandter TFs gebunden sind, haben wir ein Klassifikationsframework entwickelt, das potenzielle Co-Faktoren identifiziert, die zur Spezifität paraloger TFs beitragen. Für Protein-RNA-Interaktionen untersuchen wir die Rolle von RNA-Sekundärstruktur und ihre Auswirkung auf die Auswahl von Bindestellen. Wir haben einen Motif-Finding-Algorithmus entwickelt, der Sekundärstruktur und Primärsequenz integriert, um Bindungspräferenzen der RBPs besser zu bestimmen. / There are thousands of eukaryotic regulatory proteins that bind to specific cis regulatory regions of genes and/or RNA transcripts and coordinate gene expression. At the DNA level, transcription factors (TFs) modulate the initiation of transcription, while at the RNA level, RNA-binding proteins (RBPs) regulate every aspect of RNA metabolism and function. The DNA or RNA targets and/or the sequence preferences of hundreds of eukaryotic regulatory proteins have been determined thus far using high-throughput in vivo and in vitro experiments, such as chromatin immunoprecipitation (ChIP) followed by sequencing (ChIP-seq) and protein binding microarrays (PBMs) for TFs, or cross-linking and immunoprecipitation (CLIP) techniques and RNAcompete for RBPs. However, the derived short sequence motifs do not fully explain the highly specific binding of these regulatory proteins. In order to improve our understanding of how different proteins achieve their regulatory specificity, we developed two computational tools that incorporate additional information in the analysis of experimentally determined binding sites. For protein-DNA interactions, we investigate the binding specificity of paralogous TFs (i.e. members of the same TF family). Focusing on distinguishing between genomic regions bound in vivo by pairs of closely-related TFs, we developed a classification framework that identifies putative co-factors that provide specificity to paralogous TFs. For protein-RNA interactions, we investigate the role of RNA secondary structure and its impact on binding-site recognition. We developed a motif finding algorithm that integrates secondary structure together with primary sequence in order to better identify binding preferences of RBPs.

Die Telekommunikation und die ihr zuliefernde Industrie stellen einen softwareintensiven Bereich dar - der durch einen sehr hohen Anteil von Eigenentwicklungen gekennzeichnet ist. Eine wesentliche Ursache dafür sind spezielle Anforderungen an Telekommunikationssoftwaresysteme, die i.allg. nicht durch Standardsoftwareprodukte sichergestellt werden können. Diese Anforderungen ergeben sich aus den besonderen Eigenschaften solcher Softwaresysteme wie die Verteilung der Komponenten von Softwaresystemen sowie die Verteilung der Entwicklung dieser Komponenten, die Heterogenität der Entwicklungs- und Einsatzumgebungen für diese Komponenten und die Komplexität der entwickelten Softwaresysteme hinsichtlich nichtfunktionaler Charakteristika. Die industrielle Entwicklung von Telekommunikationssoftwaresystemen ist ein schwieriger und bisher nicht zufriedenstellend gelöster Prozeß. Aktuelle Forschungsarbeiten thematisieren Softwareentwicklungsprozesse und -techniken sowie unterstützende Werkzeuge zur Erstellung und Integration wiederverwendbarer Softwarekomponenten ("Componentware"). Das Ziel dieser Dissertation besteht in der Unterstützung der industriellen Entwicklung offener, verteilter Telekommunikationssoftwaresysteme. Dazu wird die Entwicklungstechnik Objektorientierte Modellierung mit dem Einsatz von Komponentenarchitekturen durch die automatische Ableitung von Softwarekomponenten aus Modellen zusammengeführt. Die zentrale Idee ist dabei eine präzise Definition der zur Entwicklung von verteilten Softwaresystemen einsetzbaren Modellierungskonzepte in Form eines Metamodells. Von diesem Metamodell ausgehend werden dann zur Konstruktion und Darstellung objektorientierter Entwurfsmodelle eine graphische und eine textuelle Notation definiert. Da die Notationen die Konzepte des Meta- Modells visualisieren, haben sie diesem gegenüber einen sekundären Charakter. Für die Transformation von Entwurfsmodellen in ausführbare Applikationen wurde auf der Grundlage von CORBA eine Komponentenplattform realisiert, die zusätzlich zu Interaktionen zwischen verteilten Softwarekomponenten auch Entwicklungs-, Deployment- und Ausführungsaspekte unterstützt. Wiederum ausgehend vom Metamodell wird durch die Anwendung wohldefinierter Ableitungsregeln die automatische Überführung von Entwurfsmodellen in Softwarekomponenten des zu entwickelnden Systems ermöglicht. Die von den Autoren erarbeiteten Konzeptionen und Vorgehensweisen wurden praktisch in eine Werkzeugumgebung umgesetzt, die sich bereits erfolgreich in verschiedenen Softwareentwicklungsprojekten bewährt hat. / The telecommunication industry and their suppliers form a software intensive domain. In addition, a high percentage of the software is developed by the telecommunication enterprises themselves. A main contributing factor for this situation are specific requirements to telecommunication software systems which cannot be fulfilled by standard off-the-shelf products. These requirements result from particular properties of those software systems, e.g. distributed development and execution of their components, heterogeneity of execution and development environments and complex non-functional characteristics like scalability, reliability, security and manageability. The development of telecommunication software systems is a complex process and currently not satisfactory realized. Actual research topics in this arena are software development processes and development techniques as well as tools which support the creation and integration of reusable software components (component ware). The goal of this thesis work is the support of the industrial development and manufacturing of open distributed telecommunication software systems. For that purpose, the development technique object oriented modelling and the implementation technique usage of component architectures are combined. The available modelling concepts are precisely defined as a metamodel. Based on that metamodel, graphical and textual notations for the presentation of models are developed. To enable a smooth transition from object oriented models into executable components a component architecture based on CORBA was also developed as part of the thesis. This component architecture covers besides the interaction support for distributed components deployment and execution aspects. Again on the basis of the metamodel code generation rules are defined which allow to automate the transition from models to components. The development techniques described in this thesis have been implemented as a tool chain. This tool chain has been successfully used in several software development projects.

Diese Arbeit nutzt und verfeinert Methoden der Komplexitätstheorie, um mit diesen die Komplexität dünner Instanzen zu untersuchen. Dazu gehören etwa Graphen mit wenigen Kanten oder Formeln mit wenigen Bedingungen beschränkter Weite. Dabei ergeben sich zwei natürliche Fragestellungen: (a) Gibt es einen effizienten Algorithmus, der beliebige Instanzen eines NP-schweren Problems auf äquivalente, dünne Instanzen reduziert? (b) Gibt es einen Algorithmus, der dünne Instanzen NP-schwerer Probleme bedeutend schneller löst als allgemeine Instanzen gelöst werden können? Wir formalisieren diese Fragen für verschiedene Probleme und zeigen, dass positive Antworten jeweils zu komplexitätstheoretischen Konsequenzen führen, die als unwahrscheinlich gelten. Frage (a) wird als Kommunikation modelliert, in der zwei Akteure kooperativ eine NP-schwere Sprache entscheiden möchten und dabei möglichst wenig kommunizieren. Unter der komplexitätstheoretischen Annahme, dass coNP keine Teilmenge von NP/poly ist, erhalten wir aus unseren Ergebnissen erstaunlich scharfe untere Schranken für interessante Parameter aus verschiedenen Teilgebieten der theoretischen Informatik. Im Speziellen betrifft das die Ausdünnung von Formeln, die Kernelisierung aus der parameterisierten Komplexitätstheorie, die verlustbehaftete Kompression von Entscheidungsproblemen, und die Theorie der probabilistisch verifizierbaren Beweise. Wir untersuchen Fragestellung (b) anhand der Exponentialzeitkomplexität von Zählproblemen. Unter (Varianten) der bekannten Exponentialzeithypothese (ETH) erhalten wir exponentielle untere Schranken für wichtige #P-schwere Probleme: das Berechnen der Zahl der erfüllenden Belegungen einer 2-KNF Formel, das Berechnen der Zahl aller unabhängigen Mengen in einem Graphen, das Berechnen der Permanente einer Matrix mit Einträgen 0 und 1, das Auswerten des Tuttepolynoms an festen Punkten. / In this thesis, we use and refine methods of computational complexity theory to analyze the complexity of sparse instances, such as graphs with few edges or formulas with few constraints of bounded width. Two natural questions arise in this context: (a) Is there an efficient algorithm that reduces arbitrary instances of an NP-hard problem to equivalent, sparse instances? (b) Is there an algorithm that solves sparse instances of an NP-hard problem significantly faster than general instances can be solved? We formalize these questions for different problems and show that positive answers for these formalizations would lead to consequences in complexity theory that are considered unlikely. Question (a) is modeled by a communication process, in which two players want to cooperatively decide an NP-hard language and at the same time communicate as few as possible. Under the complexity-theoretic hypothesis that coNP is not in NP/poly, our results imply surprisingly tight lower bounds for parameters of interest in several areas, namely sparsification, kernelization in parameterized complexity, lossy compression, and probabilistically checkable proofs. We study the question (b) for counting problems in the exponential time setting. Assuming (variants of) the exponential time hypothesis (ETH), we obtain asymptotically tight, exponential lower bounds for well-studied #P-hard problems: Computing the number of satisfying assignments of a 2-CNF formula, computing the number of all independent sets in a graph, computing the permanent of a matrix with entries 0 and 1, evaluating the Tutte polynomial at fixed evaluation points.

In dieser Habilitationsschrift wird die formale Semantik der standardisierten Spezifikationssprache SDL (Specification and Description Language) beschrieben. Da SDL eine sehr umfangreiche Sprache ist, wurde eine repräsentative eingeschränkte Sprache RSDL (Restricted SDL) ausgewählt, um die Konzepte der formalen Definition von SDL darzustellen. Die vorliegende Habilitationsschrift umfaßt zwei große Teile: die Definition der formalen Semantik von RSDL und ihre Implementierung. Die formale Definition der Semantik von RSDL ist verständlich, leicht mit der informalen Beschreibung zu vergleichen und repräsentiert die grundsätzliche Vorstellung von RSDL. Für die Beschreibung werden zwei Teile unterschieden, nämlich die statische Semantik und die dynamische Semantik. Die statische formale Sprachdefinition besteht aus einer konkreten Syntax, einer Menge von Korrektheitsbedingungen, einer Menge von Transformationsregeln und einer abstrakten Syntax als Basis für die dynamische Semantik. Das Ergebnis der statischen Beschreibung ist eine Repräsentation der Spezifikation in abstrakter Syntax. Die Formalisierung der dynamischen Semantik beginnt mit der abstrakten Syntax. Aus dieser abstrakten Syntax wird ein Verhaltensmodell abgeleitet, das auf der mathematischen Theorie der Abstrakten Zustandmaschinen ASM (Abstract State Machines) basiert. Um die Definition der Semantik besonders übersichtlich zu gestalten, wird eine Spezielle Abstrakte Maschine (SAM) unter Nutzung von ASM definiert. Diese abstrakte Maschine stellt eine abstrakte SDL-Maschine dar. Die formale Semantik beschreibt die Eigenschaften von SDL exakt. Um jedoch herauszufinden, ob die Semantik korrekt ist, muß sie mit der Sprachbeschreibung und den Intentionen der Sprachentwickler verglichen werden. Dies geschieht am einfachsten durch eine korrekte Implementierung der Semantik. Die Implementierung der formalen Semantik basiert auf einer Repräsentation der Eingabe als abstrakter Syntaxbaum. Um die Semantik mit minimalem Aufwand zu implementieren, werden existierende Werkzeuge verwendet. Der Compiler wird mit den Standardwerkzeugen lex und yacc generiert. Nach der Syntaxanalyse wird die weitere Verarbeitung über dem abstrakten Syntaxbaum der Eingabe definiert. Die Verarbeitung von abstrakten Syntaxbäumen wird durch ein Werkzeug namens kimwitu erledigt. Mit der hier vorgestellten Technologie wurde die formale Semantik von RSDL implementiert. Entsprechend wird die formale Semantik von SDL implementiert. / In this habilitation thesis the formal semantics of the standardised specification language SDL (Specification and Description Language) is described. Because of the size of the language SDL a representative subset of the language called RSDL (Restricted SDL) was selected to present the concepts of the formal definition. In this thesis two major parts are covered: the definition of the formal semantics and its implementation. The RSDL formal semantics is intelligible, easily comparable with the informal description and represents the general understanding of RSDL. We distinguish between two phases of the definition, namely the static semantics and the dynamic semantics. The static semantics comprises the definition of a concrete grammar, a set of correctness constraints, a set of transformation rules and an abstract syntax as basis for the dynamic semantics. The result of the static semantics is a representation of the specification in abstract syntax. The dynamic semantics starts with the abstract syntax. From here a behaviour model is derived based on the theory of Abstract State Machines (ASM). In order to keep the presentation intelligible a special abstract machine is defined using ASM. This abstract machine in fact represents an abstract SDL-machine. The formal semantics describes the properties of SDL exactly. However, in order to check the correctness of the formalisation, it has to be compared with the informal language description and the intentions of the language designers. This is most easily done using a correct implementation of the semantics. The implementation of the semantics is based on a representation of the input as an abstract syntax tree. For implementing the semantics with minimal effort existing tools are used. The compiler is produced using the standard tools lex and yacc. After parsing the remaining processing is defined over abstract syntax trees, which is covered by a tool called kimwitu. The formal semantics of RSDL is implemented using these tools. The same approach is applicable for SDL.

In Multi-Agenten-Systemen (MAS) kooperieren und konkurrieren Agenten um ihre jeweiligen Ziele zu erreichen. Für optimierte Agenten-Interaktionen sind Kenntnisse über die aktuellen und zukünftigen Handlungen anderer Agenten (Interaktionsparter, IP) hilfreich. Bei der Ermittlung und Nutzung solcher Kenntnisse kommt dem automatischen Erkennen und Verstehen sowie der Vorhersage von Verhalten der IP auf Basis von Beobachtungen besondere Bedeutung zu. Die Dissertation beschäftigt sich mit der automatischen Bestimmung und Vorhersage von Verhalten der IP durch einen Modellierenden Agenten (MA). Der MA generiert fallbasierte, adaptive Verhaltens-Modelle seiner IP und verwendet diese zur Vorhersage ihrer Verhalten. Als Anwendungsszenario wird mit dem virtuellen Fußballspiel des RoboCup ein komplexes und populäres MAS betrachtet. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit besteht in der Ausarbeitung, Realisierung und Evaluierung eines Ansatzes zur automatischen Verhaltens-Modellierung für ein komplexes Multi-Agenten-System. / In multi-agent-systems agents cooperate and compete to reach their personal goals. For optimized agent interactions it is helpful for an agent to have knowledge about the current and future behavior of other agents. Ideally the recognition and prediction of behavior should be done automatically. This work addresses a way of automatically classifying and an attempt at predicting the behavior of a team of agents, based on external observation only. A set of conditions is used to distinguish behaviors and to partition the resulting behavior space. From observed behavior, team specific behavior models are then generated using Case Based Reasoning. These models, which are derived from a number of virtual soccer games (RoboCup), are used to predict the behavior of a team during a new game. The main contribution of this work is the design, realization and evaluation of an automatic behavior modeling approach for complex multi-agent systems.

Diese Arbeit konzentriert sich auf die Lösung des Problems der Unsicherheitsmessung und ihrer Auswirkungen auf Geschäftsentscheidungen, wobei zwei Ziele verfolgt werden: Erstens die Entwicklung und Validierung robuster Modelle zur Quantifizierung der Unsicherheit, wobei insbesondere sowohl die etablierten statistischen Modelle als auch neu entwickelte maschinelle Lernwerkzeuge zum Einsatz kommen. Das zweite Ziel dreht sich um die industrielle Anwendung der vorgeschlagenen Modelle. Die Anwendung auf reale Fälle bei der Messung der Volatilität oder bei einer riskanten Entscheidung ist mit einem direkten und erheblichen Gewinn oder Verlust verbunden. Diese These begann mit der Untersuchung der impliziten Volatilität (IV) als Proxy für die Wahrnehmung der Unsicherheit von Anlegern für eine neue Klasse von Vermögenswerten - Kryptowährungen. Das zweite Papier konzentriert sich auf Methoden zur Identifizierung risikofreudiger Händler und nutzt die DNN-Infrastruktur, um das Risikoverhalten von Marktakteuren, das auf Unsicherheit beruht und diese aufrechterhält, weiter zu untersuchen. Das dritte Papier befasste sich mit dem herausfordernden Bestreben der Betrugserkennung 3 und bot das Entscheidungshilfe-modell, das eine genauere und interpretierbarere Bewertung der zur Prüfung eingereichten Finanzberichte ermöglichte. Angesichts der Bedeutung der Risikobewertung und der Erwartungen der Agenten für die wirtschaftliche Entwicklung und des Aufbaus der bestehenden Arbeiten von Baker (2016) bot das vierte Papier eine neuartige DL-NLP-basierte Methode zur Quantifizierung der wirtschaftspolitischen Unsicherheit. Die neuen Deep-Learning-basierten Lösungen bieten eine überlegene Leistung gegenüber bestehenden Ansätzen zur Quantifizierung und Erklärung wirtschaftlicher Unsicherheiten und ermöglichen genauere Prognosen, verbesserte Planungskapazitäten und geringere Risiken. Die angebotenen Anwendungsfälle bilden eine Plattform für die weitere Forschung. / This thesis focuses on solving the problem of uncertainty measurement and its impact on business decisions while pursuing two goals: first, develop and validate accurate and robust models for uncertainty quantification, employing both the well established statistical models and newly developed machine learning tools, with particular focus on deep learning. The second goal revolves around the industrial application of proposed models, applying them to real-world cases when measuring volatility or making a risky decision entails a direct and substantial gain or loss. This thesis started with the exploration of implied volatility (IV) as a proxy for investors' perception of uncertainty for a new class of assets - crypto-currencies. The second paper focused on methods to identify risk-loving traders and employed the DNN infrastructure for it to investigate further the risk-taking behavior of market actors that both stems from and perpetuates uncertainty. The third paper addressed the challenging endeavor of fraud detection and offered the decision support model that allowed a more accurate and interpretable evaluation of financial reports submitted for audit. Following the importance of risk assessment and agents' expectations in economic development and building on the existing works of Baker (2016) and their economic policy uncertainty (EPU) index, it offered a novel DL-NLP-based method for the quantification of economic policy uncertainty. In summary, this thesis offers insights that are highly relevant to both researchers and practitioners. The new deep learning-based solutions exhibit superior performance to existing approaches to quantify and explain economic uncertainty, allowing for more accurate forecasting, enhanced planning capacities, and mitigated risks. The offered use-cases provide a road-map for further development of the DL tools in practice and constitute a platform for further research.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Konzept entwickelt und umgesetzt, welches eine umfassende Bewertung von Daten flugzeuggetragener hyperspektraler Systeme ermöglicht. Es baut auf mehreren aktuellen Initiativen zur Erfassung der Datenqualität flugzeuggetragener Sensoren auf: Der ''European Facility for Airborne Reseach'', der ''Quality Assessment for Earth Observation Workgroup'' und dem ''Joint Committee for Guides in Metrology''. Bei der Befliegung eines Gebietes mit hyperspektralen Sensorsystemen werden mehrere, teilweise sich überlappende, Flugstreifen aufgenommen. Es wird vorgeschlagen, die Bildinformationen dieser Überlappungsbereiche als redundant anzusehen und so die innere Variabilität der Daten zu erfassen. Die jeweils zwischen zwei Flugstreifen auftretende Variabilität kann (aufgrund unterschiedlicher Blickrichtungen) als ungünstigster anzunehmender Fall (''worst-case'') betrachtet werden und ergänzt daher existierende Ansätze, die sich auf die Auswertung homogener Flächen konzentrieren. Das entwickelte Konzept ist auf unterschiedliche Sensorsysteme anwendbar, somit generisch und kann problemlos in die aktuelle Datenprozessierungskette des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. integriert werden. Im ersten Abschnitt der Arbeit wird dargelegt, wie korrespondierende Pixelpaare, die in den jeweiligen Streifen an gleicher Geolokation liegen, ermittelt werden können. Darauf aufbauend erfolgt eine Plausibilitätsüberprüfung der erfaßten Pixelpaare unter Verwendung von Zuverlässigkeitsmetriken, die auf Basis höherwertigerer Datenprodukte berechnet werden. In einem weiteren Schritt werden die Ergebnisse genutzt, um die notwendigen Parameter für eine optimierte Bildauswertung - hier im Sinne der Zuverlässigkeit - abzuleiten. Abschließend werden die Pixelpaare benutzt, um die globale Variabilität der Reflektanzwerte abzuschätzen. Insgesamt werden durch diese Arbeit die existierenden Methoden zur Qualitätskontrolle optischer Bilddaten umfassend ergänzt. / This work proposes a methodology for performing a quality assessment on the complete airborne hyperspectral system, thus ranging from data acquisition up to land-product generation. It is compliant with other quality assessment initiatives, such as the European Facility for Airborne Research (EUFAR), the Quality Assessment for Earth observation work-group (QA4EO) and the Joint Committee for Guides in Metrology (JCGM). These are extended into a generic framework allowing for a flexible but reliable quality assessment strategy. Since airborne hyperspectral imagery is usually acquired in several partially overlapping flight-lines, it is proposed to use this information redundancy to retrieve the imagery''s internal variability. The underlying method is generic and can be easily introduced in the German Aerospace Center DLR''s hyperspectral processing chain. The comparison of two overlapping flight-lines is not straightforward, should it only be because the presence of geo-location errors present in the data. A first step consists in retrieving the relative variability of the pixel''s geo-locations, hence providing pairs of pixels imaging the same areas. Subsequently, these pairs of pixels are used to obtain quality indicators accounting for the reproducibility of mapping-products, thus extending the EUFAR''s quality layers up to land-products. The third stage of the analysis consists of using these reliability results to improve the mapping-products: it is proposed to maximise the reliability over the mapping-methods'' parameters. Finally, the repeatability assessment is back propagated to the hyperspectral data itself. As a result, an estimator of the reflectance variability (including model-, and scene-induced uncertainties) is proposed by means of a blind-deconvolution approach. Altogether, this complements and extends the EUFAR quality layers with estimates of the data and products repeatability while providing confidence intervals as recommended by JCGM and QA4EO.