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This work is an amalgamation of Theoretical Physics and Applied Mathematics applied on an Epidemiological problem. / Ziel dieser Doktorarbeit ist ein mathematisches Modell zu entwickeln, um eine mögliche Ausbreitung des West-Nil-Virus (WNV) in Deutschland zu simulieren und zu bewerten. Das entwickelte Werkzeug soll auch auf eine weitere, durch Zecken übertragene Krankheit, dem Krim-Kongo-Hämorrhagischen Fieber (CCHFV) angewendet werden. Die durch den Klimawandel verursachte globalen Erwärmung unterstützt auch die Verbreitung und Entwicklung verschiedener Vektorpopulationen. Dabei hat eine Temperaturerhöhung einen positiven Einfluss auf den Lebenszyklus des Vektors und die Zunahme der Vektoraktivität. In dieser Arbeit haben wir ein Differentialgleichungsmodell (ODE) entwickelt, um den Einfluss eines regelmäßigen Eintrags von Infektionserregern auf die empfängliche Population unter Berücksichtigung des Temperatureinflusses zu verstehen. Als Ergebnis haben wir einen analytischen Ausdruck der Basisreproduktionszahl und deren Wechselwirkung mit der Temperatur gefunden. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt, wie wichtig das Verhältnis der anfälligen Mücken zur lokalen Wirtspopulation ist. Als ein zentrales Ergebnis haben wir den zukünftigen Temperaturverlauf auf Basis der Modellergebnisse des IPCC in unser Modell integriert und Bedingungen gefunden, unter denen es zu einer dauerhaften Etablierung des West-Nil-Virus in Deutschland kommt. Darüber hinaus haben wir die entwickelten mathematischen Modelle verwendet, um verschiedene Szenarien zu untersuchen, unter denen sich CCHFV möglicherweise in einer naiven Population etablieren kann, und wir haben verschiedene Kontrollszenarien mathematisch abgeleitet, um die Belastung von einer Infektion durch Zecken zu bewältigen. / The objective of this thesis is to develop the necessary mathematical model to assess the potential spread of West Nile Virus (WNV) in Germany and employ the developed tool to analyse another tick-borne disease Crimean- Congo Hemorrhagic Fever (CCHFV). Given the backdrop of global warming and the climate change, increasing temperature has benefitted the vector population. The increase in the temperature has a positive influence in the life cycle of the vector and the increase in its activities. In this thesis, we have developed an Ordinary Differential Equation (ODE) model system to understand the influence of the periodic introduction of infectious agents into the local susceptible population while taking account of influence of temperature. As results, we have found an analytic expression of the basic reproduction number and its interplay with the temperature. The sensitivity analysis shows us the importance of the ratio between the susceptible mosquitoes to the local host population. As a central result we have extrapolated the temperature trend under different IPCC conditions and found the condition under which the circulation of West Nile Virus will be permanent in Germany. Furthermore, we have utilised the developed mathematical models to examine different scenarios under which CCHFV can potentially establish in a naive population along with we mathematically derived different control scenarios to manage the burden of tick infection.

In dieser Dissertation beschäftigen wir uns mit angepassten Zusammenhängen und ihren (horizontalen) Dirac-Operatoren auf strikt pseudokonvexen CR-Mannigfaltigkeiten. Einen Zusammenhang nennen wir dann angepasst, wenn er die relevanten Daten parallelisiert. Wir beschreiben den Raum der angepassten Zusammenhänge, indem wir ihre Torsionstensoren studieren, von denen gewisse Teile durch die Geometrie der Mannigfaltigkeit festgelegt sind, während andere frei wählbar sind. Als Anwendung betrachten wir die Eigenschaften der Dirac-Operatoren, die zu diesen Zusammenhängen gehören. Weiter betrachten wir horizontale Dirac-Operatoren, die nur in Richtung des horizontalen Bündels H ableiten. Diese Operatoren sind besser an die Sub-Riemannsche Struktur einer CR-Mannigfaltigkeit angepasst als die vollen Dirac-Operatoren. Wir diskutieren, wann diese Operatoren formal selbstadjungiert sind und beweisen eine Weitzenböck-Typ-Formel. Wir konzentrieren uns dann auf den horizontalen Dirac-Operator zum Tanaka-Webster-Zusammenhang. Dieser ändert sich konform kovariant, wenn wir die Kontaktform konform ändern. Für diesen Operator betrachten wir weiterhin zwei Beispiele: Wir betrachten S^1-Bündel über Kähler-Mannigfaltigkeiten, insbesondere berechnen wir für Sphären einen Teil des Spektrums. Außerdem betrachten wir kompakte Quotienten der Heisenberggruppe und berechnen hier in den Dimensionen 3 und 5 das volle Spektrum. Die horizontalen Dirac-Operatoren sind nicht mehr elliptisch, sondern „elliptisch in Richtung von H“. Mithilfe des Heisenbergkalküls stellen wir fest, dass die horizontalen Dirac-Operatoren nicht hypoelliptisch sind. Im Fall des Tanaka-Webster-Zusammenhangs lässt sich aber zeigen, dass der zugehörige Operator auf gewissen Teilen des Spinorbündels hypoelliptisch ist. Dies genügt, um zu beweisen, dass er (nun auf dem gesamten Spinorbündel) ein reines Punktspektrum hat und die Eigenräume, bis auf den Kern, endlich-dimensional sind und aus glatten Eigenspinoren bestehen. / In the present thesis, we study adapted connections and their (horizontal) Dirac operators on strictly pseudoconvex CR manifolds. An adapted connection is one that parallelises the relevant data. We describe the space of adapted connections through their torsion tensors, certain parts of which are determined by the geometry of the manifold, while others may be freely chosen. As an application, we study the properties of the Dirac operators induced by these connections. We further consider horizontal Dirac operators, which only derive in the direction of the horizontal bundle H. These operators are more adapted to the essentially sub-Riemannian structure of a CR manifold than the full Dirac operators. We discuss the question of their self-adjointness and prove a Weitzenböck type formula for these operators. Focusing on the horizontal Dirac operator associated with the Tanaka-Webster connection, we show that this operator changes in a covariant way if we change the contact form conformally. Moreover, for this operator we discuss two examples: On S^1-bundles over Kähler manifolds, we can compute part of the spectrum and for compact quotients of the Heisenberg group, we determine the whole spectrum in dimensions three and five. The horizontal Dirac operators are not elliptic, but rather "elliptic in some directions". We review the Heisenberg Calculus for such operators and find that in general, the horizontal Dirac operators are not hypoelliptic. However, in the case of the Tanaka-Webster connection, the associated horizontal Dirac operator is hypoelliptic on certain parts of the spinor bundle and this is enough to prove that its spectrum consists only of eigenvalues and except for the kernel, the corresponding eigenspaces are finite-dimensional spaces of smooth sections.

Hochwasserschadensprozesse werden von den drei Komponenten des Hochwasserrisikos bestimmt – der Gefahr, der Exposition und der Vulnerabilität. Dabei bleiben wichtige Einflussgrößen auf die Vulnerabilität, wie die private Hochwasservorsorge aufgrund fehlender quantitativer Informationen unberücksichtigt. Diese Arbeit entwickelt daher eine robuste statistische Methode zur Quantifizierung des Einflusses von privater Hochwasservorsorge auf die Reduzierung der Vulnerabilität von Haushalten bei Hochwasser. Es konnte gezeigt werden, dass in Deutschland private Hochwasservorsorgemaßnahmen den durchschnittlichen Hochwasserschaden pro Wohngebäude um 11.000 bis 15.000 Euro reduzieren. Hochwasserschadensmodelle mit Expertenwissen und datengestützten Methoden sind dabei am besten in der Lage Unterschiede in der Vulnerabilität durch private Hochwasservorsorge zu erkennen. Die über Hochwasserschadenprozesse erhobenen Daten und Modellannahmen sind von Unsicherheit geprägt und so sind auch Schätzungen mit. Die Bayesschen Modelle, die in dieser Arbeit entwickelt und angewandt werden, nutzen Annahmen über Schadensprozesse als Prior und empirische Daten zur Aktualisierung der Wahrscheinlischkeitsverteilungen. Die Modelle bieten Hochwasserschadensschätzungen als Verteilung, welche die Bandbreite der Variabilität der Schadensprozesse und die Unsicherheit der Modellannahmen abbilden. Hochwasserschadensmodelle, hinsichtlich der Prognoseerstellung und Anwendbarkeit. Ins Besondere verbessert die Verwendung einer Beta–Verteilung die Zuverlässigkeit der Modellergebnisse im Vergleich zu den häufig genutzten Gaußschen oder nicht parametrischen Verteilungen. Der hierarchische Bayessche Ansatz schafft eine verbesserte Parametrisierung von Wasserstand-Schadens-Funktionen und ersetzt so die Notwendigkeit empirischer Daten durch regional- und Ereignis-spezifisches Expertenwissen. Auf diese Weise kann die Vorhersage bei einer zeitlich und räumlichen Übertragung des Models verbessert werden. / Flood damage processes are influenced by the three components of flood risk - hazard, exposure and vulnerability. In comparison to hazard and exposure, the vulnerability component, though equally important is often generalized in many flood risk assessments by a simple depth-damage curve. Hence, this thesis developed a robust statistical method to quantify the role of private precaution in reducing flood vulnerability of households. In Germany, the role of private precaution was found to be very significant in reducing flood damage (11 - 15 thousand euros, per household). Also, flood loss models with structure, parameterization and choice of explanatory variables based on expert knowledge and data-driven methods were successful in capturing changes in vulnerability, which makes them suitable for future risk assessments. Due to significant uncertainty in the underlying data and model assumptions, flood loss models always carry uncertainty around their predictions. This thesis develops Bayesian approaches for flood loss modelling using assumptions regarding damage processes as priors and available empirical data as evidence for updating. Thus, these models provide flood loss predictions as a distribution, that potentially accounts for variability in damage processes and uncertainty in model assumptions. The models presented in this thesis are an improvement over the state-of-the-art flood loss models in terms of prediction capability and model applicability. In particular, the choice of the response (Beta) distribution improved the reliability of loss predictions compared to the popular Gaussian or non-parametric distributions; the Hierarchical Bayesian approach resulted in an improved parameterization of the common stage damage functions that replaces empirical data requirements with region and event-specific expert knowledge, thereby, enhancing its predictive capabilities during spatiotemporal transfer.

Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur mathematischen Untersuchung der Darwin-Howie-Whelan (DHW) Gleichungen. Sie werden üblicherweise zur Beschreibung und Simulation der Diffraktion schneller Elektronen in der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) verwendet. Sie bilden ein System aus Gleichungen für unendlich viele Enveloppenfunktionen, das aus der Schrödinger-Gleichung abgeleitet werden kann. Allerdings wird für Simulation von TEM Bildern nur ein endlicher Satz von Enveloppenfunktionen verwendet, was zu einem System von gewöhnlichen Differentialgleichungen in Richtung der Dicke der Probe führt. Bis jetzt gibt es keine systematische Analyse zur Genauigkeit dieser Näherungen in Abhängigkeit von der Auswahl der verwendeten endlichen Sätze von Enveloppenfunktionen. Diese Frage wird hier untersucht, indem die mathematische Struktur des Systems analysiert wird und Fehlerabschätzungen zur Bewertung der Genauigkeit spezieller Näherungen hergeleitet werden, wie der Zweistrahl-Approximation oder der sogennanten systematischen Reihe. Anschließend wird ein mathematisches Modell und eine Toolchain für die numerische Simulation von TEM-Bildern von Halbleiter-Quantenpunkten entwickelt. Es wird eine Simulationsstudie an Indium-Gallium-Arsenid-Quantenpunkten mit unterschiedlicher Geometrie durchgeführt und die resultierenden TEM Bilder werden mit experimentellen Bildern verglichen. Schließlich werden die in TEM Bildern beobachteten Symmetrien im Hinblick auf die DHW Gleichungen untersucht. Dazu werden mathematische Resultate formuliert und bewiesen, die zeigen dass die Intensitäten der Lösungen der DHW Gleichungen unter bestimmten Transformationen invariant sind. Durch die Kombination dieser Invarianten mit spezifischen Eigenschaften des Deformationsfeldes können dann die in TEM Bildern beobachteten Symmetrien erklärt werden. Die Ergebnisse werden anhand ausgewählter Beispiele aus dem Bereich der Halbleiter-Nanostrukturen wie Quantensichten und Quantenpunkte demonstriert. / In this thesis a mathematical study on the Darwin--Howie--Whelan (DHW) equations is provided. The equations are commonly used to describe and simulate the scattering of fast electrons in transmission electron microscopy (TEM). They are a system for infinitely many envelope functions, derived from the Schrödinger equation. However, for the simulation of images only a finite set of envelope functions is used, leading to a finite system of ordinary differential equations in the thickness direction of the specimen. Until now, there has been no systematic discussion about the accuracy of approximations depending on the choice of the finite sets used. This question is approached here by studying the mathematical structure of the system and providing error estimates to evaluate the accuracy of special approximations, like the two-beam and the systematic-row approximation. Then a mathematical model and a toolchain for the numerical simulation of TEM images of semiconductor quantum dots (QDs) is developed. A simulation study is performed on indium gallium arsenide QDs with different shapes and the resulting TEM images are compared to experimental ones. Finally, symmetries observed in TEM images are investigated with respect to the DHW equations. Then, mathematical proofs are given showing that the intensities of the solutions of the DHW equations are invariant under specific transformations. A combination of these invariances with specific properties of the strain profile can then explain symmetries observed in TEM images. The results are demonstrated by using selected examples in the field of semiconductor nanostructures, such as quantum wells and quantum dots.

Das plastidäre Genexpressionssystem höherer Pflanzen ist hochkomplex und differiert beträchtlich von dem prokaryotischer Vorfahren. Jeder einzelne Schritt der RNA-Prozessierung und Translation ist abhängig von nukleär kodierten, posttranslational in den Chloroplasten importierten Proteinen, insbesondere RNA-Bindeproteinen, wie den chloroplastidären Ribonukleoproteinen (cpRNP). Ein wichtiger und im Fokus dieser Arbeit stehender Vertreter ist CP29A, welcher ein breites Bindespektrum aufweist und in vivo mit einer Vielzahl von Transkripten interagiert. Frühere Studien belegen dennoch, dass ein Knockout von CP29A unter Standardkultivierungsbedingungen nicht in einem makroskopisch vom Wildtyp differierenden Phänotyp resultiert. Unter Kältestress hingegen ist CP29A für die Entwicklung photosynthetisch aktiver Chloroplasten essenziell. Zur tiefergehenden Charakterisierung der molekularen Funktion von CP29A wurde in der vorliegenden Arbeit eine genomweite Transkriptomanalyse der cp29a-Mutante durchgeführt. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass CP29A bereits unter Standardkultivierungsbedingungen das Spleißen vieler plastidärer Introns unterstützt. Kälteinduziert weist das phänotypisch auffällige Gewebe der cp29a-Mutante eine globale Beeinträchtigung der Genexpression sowie massive Defekte der plastidären mRNA-Prozessierung auf. Da die Funktionalität von Proteinen substanziell von ihrer Lokalisation abhängig ist, wurden antikörperbasierte mikroskopische Lokalisationsstudien durchgeführt. Diese dokumentieren, dass CP29A kältestressinduziert zu dynamischen Granula lokalisiert, welche separiert von den plastidären Nukleoiden vorliegen und mit einem häufig in stressinduzierten Granula detektierten Protein kolokalisieren. / The plastid gene expression system in higher plants is highly complex and differs significantly from the gene expression system of the prokaryotic ancestors. Each individual step of RNA-processing and translation is dependent on nuclear-encoded RNA-binding proteins, such as chloroplast ribonucleoproteins (cpRNP), which are imported post-translationally into the chloroplast. An important representative is CP29A, which has a broad binding spectrum and interacts with a large number of transcripts in vivo. Earlier studies show that, while a knockout of CP29A under standard-cultivation-conditions does not result in a macroscopically different phenotype, under cold stress conditions CP29A is essential for the development of photosynthetically active chloroplasts. For a more detailed characterization of the molecular function of CP29A, a genome-wide transcriptome analysis of the cp29a mutant was carried out. It could be shown for the first time that CP29A already supports the splicing of many chloroplast introns under standard-cultivation-conditions. Cold-induced the phenotypically noticeable mutant tissue shows a global impairment of gene expression and massive defects in plastid mRNA processing. Since the functionality of proteins is substantially dependent on their localization, antibody-based microscopic localization studies were carried out. They reveal that cold stress-induced CP29A localizes to dynamic granules, which are separate from the plastid nucleoids and colocalize with a protein commonly detected in stress-induced granules.

Diese Arbeit befasst sich mit der sogenannten Doppelkopie, welche erstmals im Rahmen von Streuamaplituden formuliert wurde und eine Beziehung zwischen Yang-Mills-Theorie und der Gravitation herstellt. Yang-Mills-Streuamplituden tragen sowohl kinematische Informationen als auch Informationen, die mit einer Eigenschaft namens Farbe verbunden sind. Die Doppelkopie besagt, dass die Ersetzung der Farbinformation in Yang-Mills-Amplituden durch eine andere Kopie ihrer kinematischen Information zu Gravitationsamplituden führt, sofern bestimmte algebraische Bedingungen erfüllt sind. Die algebraischen Bedingungen, die für die Doppelkopie erforderlich sind, deuten auf die Existenz einer Algebra hin, die der Kinematik der Yang-Mills-Theorie zugrunde liegt und die kinematische Algebra genannt wird. In den letzten fünfzehn Jahren hat die Doppelkopie die Art und Weise, wie Streuungsberechnungen in der Gravitation durchgeführt werden, revolutioniert, und dennoch bleibt ein grundsätzliches Verständnis der Doppelkopie und der kinematischen Algebra schwer zu fassen. In dieser Arbeit verlassen wir den Rahmen der Streuamplituden und behandeln dieses Problem mit Hilfe von Homotopie-Algebren, den mathematischen Strukturen, die perturbativen Feldtheorien, einschließlich ihrer Off-Shell Struktur, zugrunde liegen. Insbesondere die der Yang-Mills-Theorie zugrunde liegende Algebra lässt sich in algebraische Strukturen für Farbe und Kinematik faktorisieren. Unter Verwendung dieser Faktorisierung konstruieren wir explizit eine kinematische Algebra für die Yang-Mills Theorie bis zur quartischen Ordnung in der Störungstheorie. Dann ersetzen wir die Farbalgebra durch eine zweite Kopie der kinematischen Algebra und erhalten eine Gravitationstheorie bis hinzu und einschließlich der quartischen Wechselwirkungen. Außerdem erklären wir, inwiefern die kinematische Algebra die Struktur ist, die für die Konsistenz der resultierenden Gravitationstheorie verantwortlich ist. Unsere algebraische Herangehensweise an die Doppelkopie ist vollständig Off-Shell, eichunabhängig und lokal und bietet eine neue Perspektive auf die algebraischen Grundlagen und Ursprünge der Doppelkopie. / This thesis deals with a relation between Yang-Mills theory and gravity called the double copy, which was first formulated in the framework of scattering amplitudes. Yang-Mills scattering amplitudes carry kinematic information as well as information associated with a property called color. The double copy states that, provided that certain algebraic conditions are met, replacing the color information of Yang-Mills amplitudes with another copy of their kinematic information yields gravitational amplitudes. The algebraic conditions required by the double copy hint at the existence of an algebra underlying the kinematics of Yang-Mills called the kinematic algebra. In the last fifteen years, the double copy has revolutionized the way that scattering computations are performed in gravity, and, yet, a first principle understanding of the double copy and the kinematic algebra remains elusive. In this thesis we divert from scattering amplitudes and address this problem in the framework of homotopy algebras, which are the mathematical structures underlying perturbative field theories, including their off-shell structure. In particular, the algebra underlying Yang-Mills theory factorizes into color and kinematic algebraic structures. Using this factorization, we construct explicitly a kinematic algebra for Yang-Mills theory to quartic order in perturbation theory. Then, following the double copy, we replace the color algebra with a second copy of the kinematic algebra and we obtain gravity up to and including quartic interactions. Moreover, we explain how the kinematic algebra is responsible for the consistency of the resulting gravity theory. Our algebraic approach to the double copy is completely off-shell, gauge independent and local, and provides a novel perspective on the algebraic foundations and origins of the double copy.

Sharp wave-ripple Komplexe (SWRs) sind kurze Ereignisse von kohärenter Netzwerkaktivität im Hippocampus. SWRs spielen eine wichtige Rolle bei der Konsolidierung von expliziten Gedächtnisinhalten, die Mechanismen sind aber bis heute ungeklärt. Pyramidenzellen (PYR) und Parvalbumin-positive Korbzellen (PV+BCs) feuern während SWRs besonders häufig, wohingegen sie außerhalb beinahe inaktiv sind. SWRs treten spontan auf, und können durch Stimulation von PYR und PV+ Zellen hervorgerufen werden. Um die Rolle von PV+ Zellen in SWR Generierung zu klären, untersuche ich wie das Zusammenspiel von exzitatorischen Neuronen (PYR) und zwei Klassen von Interneuronen (PV+BCs und derzeit unbekannte Anti-SWR-Zellen) die Entstehung und die Häufigkeit von SWRs beeinflusst. Erstens entwickle ich ein Netzwerk aus feuernden Neuronen, das spontane Übergänge vom Anti-SWR-Zustand zum SWR-Zustand zeigt. Die Aktivität von PV+BCs, die die Aktivität von PYR disinhibieren, dominiert den SWR-Zustand. SWRs können hervorgerufen werden durch Stimulation von PYR oder PV+BCs, und durch Inaktivierung von Anti-SWR-Zellen. Durch Kurzzeitdepression der synaptischen Verbindung von PV+BCs zu Anti-SWR-Zellen wird die Dauer der SWRs reguliert. Die Koexistenz von Anti-SWR- und SWR-Zuständen bei konstanten Stärken der synaptischen Depression erlaubt die Untersuchung der Bistabilität des Netzwerks. Durch eine Mean-field-Näherung können Voraussetzungen für bistabile Netzwerkaktivität analytisch hergeleitet werden. Das Modell prognostiziert die Existenz von Anti-SWR-Zellen. Im letzten Teil dieser Arbeit zeige ich erste experimentelle Ergebnisse, die die Existenz von CA3-Interneuronen belegen, die anti-moduliert sind bezüglich SWRs. Durch die Untersuchung der Rolle von Interneuronen hinsichtlich der Generierung von SWRs trägt diese Arbeit zu einem tieferen Verständnis der neuronalen Schaltkreise im Hippocampus bei, die essentiell für den Erwerb und die Konsolidierung expliziter Gedächtnisinhalte sind. / Sharp wave-ripple complexes (SWRs) are events of coordinated network activity originating in the hippocampus. SWRs are thought to mediate the consolidation of explicit memories, but the mechanisms underlying their occurrence remain obscure. Pyramidal cells (PYR) and parvalbumin-positive basket cells (PV+BCs) preferentially fire during SWRs and are almost silent outside. SWRs emerge spontaneously or by activating PYR or PV+ cells. To understand how the activation of PV+ interneurons can result in an increase of PYR firing, I explore how the interaction of excitatory neurons (PYR) and two groups of interneurons (PV+BCs and a class of anti-SWR cells) contributes to the initiation, termination, and incidence of SWRs. First, I show that a biophysically constrained network of spiking neurons can exhibit spontaneous transitions from a non-SWR state to a SWR state, in which active PV+BCs disinhibit PYR by suppressing anti-SWR cells. SWR events can be triggered by activating PYR or PV+BCs, or inactivating anti-SWR cells. Short-term synaptic depression at the PV+BCs-to-anti-SWR cells connections regulates the termination of SWR events. The coexistence of states for intermediate values of the depression allows to study the network behavior in terms of bistability. To this end, I consider a mean-field approximation of the spiking network, where conditions for the emergence of a bistable configuration are derived analytically. This allows to unveil the mechanisms regulating the existence of bistable disinhibitory networks. The model predicts the existence of a class of anti-SWR cells. In the last part of this work, I show the first experimental evidence for CA3 interneurons anti-modulated with respect to SWRs, and discuss their involvement in the SWR generation process. Overall, the results of this thesis elucidate the role of interneurons in SWR generation and broaden our understanding of the microcircuits supporting the dynamics of memory-related networks.

Dienstorientierte Architekturen (SOA = Service Oriented Architecture) dienen dem Aufbau von lose miteinander verbundenen, verteilten Systemen, deren Komponenten eine minimale gemeinsame Systemsicht haben. Die wichtigsten Bausteine der SOA sind Dienste. Dienste sind selbstbeschreibende, eigenständige, plattform-unabhängige und frei verfügbare Komponenten, die über das Netzwerk interagieren. Das Hauptziel der SOA ist die transparente, flexible und dynamische Interaktion von Diensten und deren Benutzern innerhalb mehrerer zusammenhängender Domänen. Während die nativen Fähigkeiten von dienstorientierten Architekturen, wie Beschreibung, Entdeckung, Kommunikation und Bindung, bereits gut erfasst und standardisiert worden sind, ist das Problem der Dienstkomposition bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst worden. Diese Dissertation hinterfragt die Grundvoraussetzung der SOA, die darin besteht, dass lediglich die Grundfunktionsweise von Diensten offen gelegt werden sollte, und demonstriert, dass auf der Grundlage einer semantischen Dienstbeschreibung (einschließlich funktionaler und nichtfunktionaler Eigenschaften) eine praktikable Lösung zur Dienstkomposition entwickelt werden kann (komponierbare Dienstarchitektur). Diese Lösung erfordert 1) erweiterte deskriptive Fähigkeiten und Suchmöglichkeiten durch die Entwicklung einer vertragsbasierten Beschreibungssprache einschließlich nichtfunktionaler Eigenschaften wie Sicherheit, Verlässlichkeit und Rechtzeitigkeit; 2) das Feststellen der Kompositionskorrektheit durch die Modellierung von Diensten als abstrakte Maschinen und die Entwicklung einer formalen Kompositionssprache und 3) automatische Dienstkomposition, indem Suchalgorithmen für die automatisierte und dynamische Selektion von Kompositionspartnern entwickelt werden. Abschließend wird der Prototyp eines Kompositionsservers für Web Services einschließlich Design und Implementierung beschrieben, um die Realisierbarkeit der vorgeschlagenen Architektur aufzuzeigen. / Service-oriented architecture (SOA) is focused on building loosely coupled distributed systems with minimal shared understanding among system components. The main building blocks in SOA are services. Services are self-descriptive, self-contained, platform-independent and openly-available components that interact over the network. The main goal of SOA is transparent, flexible and dynamic interaction of services and their clients over multiple interconnected domains. While native capabilities of service-oriented architectures, such as description, discovery, communication and binding, have been well understood and standardized, the issue of service composition has not yet been satisfactorily solved. This dissertation challenges the SOA postulate that service should disclose only basic functional signature, and demonstrates that based on semantic service description, including functional and non-functional properties, a viable solution for service composition can be developed (composable service architecture), that supports: 1) Extended descriptive and search capabilities by developing contract-based description language including non-functional properties such as security, dependability, timeliness; 2) Verification of composition correctness by modeling services as abstract machines and developing a formal composition language, and 3) Automatic service composition by treating automated and dynamic selection of composition partners as a search problem and developing search algorithms for that purpose. Finally, in order to show the viability of the proposed architectural solution, a prototype of Web Services composition server is described including design and implementation.

Aufgrund der steigenden Verkehrsnachfrage und der begrenzten Resourcen zum Ausbau der Straßenverkehrsnetze werden zukünftig größere Anforderungen an die Effektivität von Telematikanwendungen gestellt. Die Erhebung und Bereitstellung aktueller Verkehrsdaten durch geeignete Sensoren ist dazu eine entscheidende Voraussetzung. Gegenstand dieser Arbeit ist die großflächige Analyse des Straßenverkehrs auf der Basis bodengebundener und verteilter opto-elektronischer Sensoren. Es wird ein Konzept vorgestellt, dass eine von der Bilddatenerhebung bis zur Bereitstellung der Daten für Verkehrsanwendungen durchgehende Verarbeitungskette enthält. Der interdisziplinäre Ansatz bildet die Basis zur Verknüpfung eines solchen Sensorsystems mit Verkehrstelematik. Die Abbildung des Verkehrsgeschehens erfolgt im Gegensatz zu herkömmlichen bodengebundenen Messsystemen innerhalb größerer zusammenhängender Ausschnitte des Verkehrsraums. Dadurch können streckenbezogene Verkehrskenngrößen direkt bestimmt werden. Die Georeferenzierung der Verkehrsobjekte ist die Grundlage für eine optimale Verkehrsanalyse und Verkehrssteuerung. Die generierten Daten sind Basis zur Findung und Verifizierung von Theorien und Modellen sowie zur Entwicklung verkehrsadaptiver Steuerungsverfahren auf mikroskopischer Ebene. Es wird gezeigt, wie aus der Fusion gleichzeitig erhaltener Daten mehrerer Sensoren, die im Bereich des Sichtbaren und im thermalen Infrarot sensitiv sind, ein zusammengesetztes Abbildungsmosaik eines vergrößerten Verkehrsraums erzeugt werden kann. In diesem Abbildungsmosaik werden Verkehrsdatenmodelle unterschiedlicher räumlicher Kategorien abgeleitet. Die Darstellung des Abbildungsmosaiks mit seinen Daten erfolgt auf unterschiedlichen Informationsebenen in geokodierten Karten. Die Bewertung mikroskopischer Verkehrsprozesse wird durch die besondere Berücksichtigung der Zeitkomponente bei der Visualisierung möglich. Die vorgestellte Verarbeitungskette beinhaltet neue Anwendungsbereiche für geografische Informationssysteme (GIS). Der beschriebene Ansatz wurde konzeptionell bearbeitet, in der Programmiersprache IDL realisiert und erfolgreich getestet. / The growing demand of urban and interregional road traffic requires an improvement regarding the effectiveness of telematics systems. The use of appropriate sensor systems for traffic data acquisition is a decisive prerequisite for the efficiency of traffic control. This thesis focuses on analyzing road traffic based on stationary and distributed ground opto-electronic matrix sensors. A concept which covers all parts from image data acquisition up to traffic data provision is presented. This interdisciplinary approach establishes a basis for the integration of such a sensor system into telematics systems. Unlike conventional ground stationary sensors, the acquisition of traffic data is spread over larger areas in this case. As a result, road specific traffic data can be measured directly. Georeferencing of traffic objects is the basis for optimal road traffic analysis and road traffic control. This approach will demonstrate how to generate a spatial mosaic consisting of traffic data generated by several sensors with different spectral resolution. For traffic flow analysis the realisation of special 4D data visualisation methods on different information levels was an essential need. The data processing chain introduces new areas of application for geographical information systems (GIS). The approach utilised in this study has been worked out conceptually and also successfully tested and applied in the programming language IDL.