Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung von Simulationskomponenten mittels einer XML-basierten Sprache, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wird und die für die Abbildung des DEVS Formalismus konzipiert ist. Es wird gezeigt, wie der DEVS Formalismus in XML modelliert werden kann. Durch die Verwendung von XML sowohl für die Struktur als auch für das Verhalten der Modelle wird eine Programmiersprachenunabhängigkeit erreicht, die eine Wiederverwendung bestehender Modelle vereinfacht. Um die Modelle ausführen zu können wird die Interpretation der XML-basierten Sprache vorgeschlagen und ein entsprechender Interpreter in Java implementiert. Am Beispiel des DEVSJAVA-Simulators wird demonstriert, wie die XML-Beschreibungen und der Interpreter mit wenig Aufwand von einem beliebigen Zielsimulator adaptiert werden können.

Diese Dissertation befaßt sich mit kinetischen und dynamischen Analysen an spinmarkierten Proteinen mittels Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR-S) in Kombination mit weiteren biophysikalischen Methoden. Die Spinmarkierung der hier untersuchten Proteine (z.B. Bakteriorhodopsin (EF-loop) bzw. Reverse Transkriptase) erfolgt durch spezifische Substitution ausgewählter Aminosäure-Seitenketten durch eine radikalische Seitenkette ("R1", MTS-Spinlabel an Cystein gebunden). Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Methodenentwicklung eines neuen Simulationsverfahrens für ESR-Spektren basierend auf einer speziellen Molekulardynamik-Simulation (MD-S). Das Verfahren nutzt den von Robinson et al. (J.Chem.Phys.96:2609-2616) vorgeschlagenen Trajektorien-basierten Berechnungsalgorithmus für ESR-Spektren. Hierfür sind zahlreiche Trajektorien der umgebungsabhängigen Umorientierungsdynamik von R1 mit Längen von jeweils über 700 ns erforderlich. Diese Trajektorien werden im hier präsentierten Simulationsverfahren mit minimalem Zeitaufwand in drei Stufen generiert: i) statistisch korrekte Erfassung des gesamten verfügbaren Konformationsraums von R1 in positionsspezifischer Proteinumgebung mittels einer kurzen (ca. 10 ns) speziellen MD-S (in-vacuo, 600 Kelvin); ii) Berechnung eines Potentials im Eulerwinkelraum welches das spezifische Umorientierungsverhalten der radikalischen R1-Kopfgruppe widerspiegelt; iii) Trajektorienberechnung mittels Simulation der potentialabhängigen Brownschen Umorientierungsdynamik eines virtuellen Teilchens bei 300 Kelvin (Einteilchen-Simulation). Die Statistiken wichtiger dynamischer Prozesse während der speziellen MD-S werden analysiert und mit Langzeit-Dynamiken aus herkömmlichen MD-S unter physiologischen Bedingungen verglichen. Zusätzlich wird ein Simulationsverfahren zur Identifikation von Wasserstoff-Brücken vorgestellt. In einem weiteren Kapitel dieser Arbeit werden Konzeption, Aufbau und Test einer Temperatursprung-ESR-Anlage beschrieben.

Achieving sustainability requires major changes in several areas in which society makes use of technology to meet human needs and while doing so influences the environment, such as agriculture, mobility, power production and water management. The awareness of a need for radical changes is accompanied by an increasing recognition of the interconnectedness of technological, socio-cultural and environmental elements and processes. This has led to an increasing amount of research on system innovations. System innovations refer to changes to a "structurally different" system involving radical changes in the technological and socio-cultural domains and are often contrasted to incremental (technological) change. System innovations involve many actors and many factors, and developments at multiple levels interact. Control over such processes is distributed, they are laden with uncertainty and they exhibit sometimes surprising and unexpected behaviour due to non-linear dynamics and emergent properties involved. Our current understanding of system innovations is limited and the need for an enhanced understanding has clearly been recognized. Computer simulation models seem a promising tool to that end as they already proved to be useful to enhance the understanding of complex systems in many fields like complex chemistry, ecosystems and physics. However, system innovations are mostly processes in social systems. In the social sciences, the application of formal simulation models has a far shorter history and the availability of formalized (and widely accepted) theories and generalizations is low compared to the natural sciences. It is thus not clear-cut which role computer simulation models can play with respect to system innovations. This thesis fathoms the potential of computer simulation models for enhancing our understanding of system innovations and takes some first steps towards fruitful application of models. A theoretical and methodological discussion outlines how models can in principle contribute to an understanding of social macro-processes through facilitating a causal reconstruction of processes that account for the respective observed phenomenon. The view adopted regarding the representation of the social world thereby is that of reciprocity of agency and structure. Compared to the sociological literature the perspective is extended beyond comprising actors and institutions but encompasses also other entities, especially technological artefacts. The thesis then relates the current state of empirical and conceptual work in the field of transition research (the terms "transition" and "system innovation" are used interchangeably) to insights from modelling of complex systems. The intrinsic characteristics of system innovations and the knowledge base available to study them are explicated and implicated challenges and opportunities for model application are discussed. This is complemented by a review of the few existing models of system innovations. The thesis further develops a specification of the regime concept. A regime refers to a dominant structure which originates incremental change but resists system innovations. The concept of "regime" is at the heart of the multi-level perspective, the most widely used framework of transition research, but it is yet only loosely defined. The absence of shared definitions, concept specifications and operationalizations of key concepts of transition research is a major obstacle for defining (and especially for comparing) models. In this thesis, five defining characteristics of regimes are developed and a method to structure and graphically represent knowledge about a regime is introduced. Furthermore, theoretical and conceptual work has been complemented by hands-on experience to make methodological and theoretical deliberations tangible. An agent-based model has been developed which addresses the transition from rainfed to irrigated agriculture in the Upper Guadiana, Spain. The purpose of the model is to bridge a gap in the explanation for the observed process. Case specific literature provides information on driving forces (technological development, changes in regulations) and consequences (amount of irrigation). The model focuses on the farmers which "translate" driving forces into practices of irrigation and water use. It studies the effect of weights farmers attach to a list of priorities. The main findings are that interactions of factors have to be considered and that it is important to acknowledge heterogeneity of farm types to understand empirically observed land-use changes. Based on the outlined work, different possibilities to model system innovations have been abstracted and discussed with respect to their advantages and limitations: a) functional subsystems, b) interacting structures (niches, regimes and landscape) as suggested by the multi-level perspective and c) micro-level entities (actors, technological artefacts, institutions, etc.). None of these representations is superior to the other ones per se but each features certain advantages and drawbacks. The model purpose is a necessary guideline to choose an appropriate representation and to distinguish those parts and aspects of a system which need to be captured from negligible ones. The main findings of this thesis can be summarized as follows: System innovations feature several characteristics which put model-based approaches to this topic on the most challenging edge of the broader endeavour of understanding and modelling social systems. Those are the significance of emergent decay and re-creation of structure during system innovations; the vast scope of system innovations involving several types of subsystems (consumption, production, governance, and nature); the intertwinement of system innovations with their governance – a field which is hardly accessible to modelling; the complexity of the topic; and the unpredictability of innovations. Still, it is concluded that models can be useful as thinking tools. In any case, given the complexity of the topic and the underdeveloped knowledge base, adhering to transparency is essential. In a field as vast and complex as system innovations this requires either very strong simplifications or restricting a model's scope to some parts or aspects of an overall process. This thesis proposes to make use of existing building blocks of understanding of an intermediate level of complexity – e.g. timing and kind of multi-level interactions - to define abstractions and model scope. The challenge to identify, specify, understand and relate conceptual building blocks, to identify the contexts and situations in which each of them becomes relevant and to explicate their role in the overall system innovation could be an agenda for transition modelling for the coming years. Modelling system innovations will remain a huge challenge in the near future. However, this thesis fathoms that models can be valuable tools contributing to the enhancement of the knowledge base of the field; little by little adding to answers of the "big questions". The specific role(s) models of system innovations can play in this endeavour needs to be further explored and discussed.

In this thesis, the central interest is to better understand how participatory methods applied during participatory processes in natural resources management can serve as nuclei for social learning. Thereby, the main focus is on learning via interaction in groups. My approach begins with the aim of developing an analytical framework which reflects the main processes that are effective within participatory methods. The framework presents an analytical tool, including proposed methods to monitor and compare the results of participatory approaches with respect to social learning. Building upon this framework, I develop an agent-based model to simulate and explore group dynamics. This model is intended to support a theoretical exploration of whether or not and if so, at what stage, personal views of a problem evolve into a shared understanding of a problem (which can be seen as a key element of social learning), and an assessment of how individual mental models and group properties relate to each other. Results of the model are interpreted to offer suggestions about factors hindering or fostering social learning during the application of participatory methods.

Die Windenergie an Land (Onshore-Windenergie) ist neben der Photovoltaik eine der tragenden Säulen der Energiewende in Deutschland. Wie schon in der Vergangenheit wird auch zukünftig der Ausbau der Onshore-Windenergie, mit dem Ziel eine umweltgerechte und sichere Energieversorgung für zukünftige Generationen aufzubauen, durch die Politik massiv vorangetrieben. Für eine planvolle Umsetzung der Energiewende, insbesondere im Bereich der Windenergie, müssen Kenntnisse über den zur Verfügung stehenden Raum und der Wirkungsweise standortspezifischer Faktoren auf planungsrechtlicher Ebene vorhanden sein. In der vorliegenden Arbeit wurde die Region Deutschland auf das für dieWindenergie an Land nutzbare Flächenpotenzial analysiert, von diesem allgemein gültige Energiepotenziale abgeleitet und in einer Sensitivitätsanalyse die Einflüsse verschiedener Abstände zwischen den Windenergieanlagen und Siedlungsstrukturen auf das ermittelte Energiepotenzial untersucht. Des Weiteren wurden für die beobachteten Zusammenhänge zwischen den Distanz- und Energiepotenzialänderungen mathematische Formeln erstellt, mit deren Hilfe eine Energiepotenzialänderung in Abhängigkeit von spezifischen Siedlungsdistanzänderungen vorhersagbar sind. Die Analyse des Untersuchungsgebiets (USG) hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Flächenpotenzials wurde anhand eines theoretischen Modells, welches die reale Landschaft mit ihren unterschiedlichen Landschaftstypen und Infrastrukturen widerspiegelt, umgesetzt. Auf Basis dieses Modells wurden so genannte „Basisflächen“ sowie für die Onshore-Windenergie nicht nutzbare Flächen (Tabu- oder Ausschlussflächen) identifiziert und mittels einer GIS-Software (Geographisches Informationssystem) verschnitten. Die Identifizierung der Ausschlussflächen erfolgte über regionalisierte beziehungsweise im gesamten USG geltende multifaktorielle Bestimmungen für die Platzierung von Windenergieanlagen (WEA). Zur Gewährleistung einer einheitlichen Konsistenz wurden die verschiedenen Regelungen, welche aus den unterschiedlichsten Quellen stammen, vereinheitlicht, vereinfacht und in einem so genannten „Regelkatalog“ festgeschrieben. Die Berechnung des im USG maximal möglichen Energiepotenzials erfolgte durch eine Referenzanlage, welche im USG räumlich verteilt platziert wurde. Die Energiepotenziale (Leistungs- und Ertragspotenzial) leiten sich dabei aus der Kombination der räumlichen Lage der WEA, den technischen Leistungsspezifikationen der Referenzanlage und dem regionalem Windangebot ab. Eine wesentliche Grundvoraussetzung für die Berechnung der Energiepotenziale lag in der im Vorfeld durchzuführenden Windenergieanlagenallokation auf den Potenzialflächen begründet. Zu diesem Zweck wurde die integrierte Systemlösung „MAXPLACE“ entwickelt. Mit dieser ist es möglich, WEA unter Berücksichtigung von anlagenspezifischen, wirtschaftlichen und sicherheitstechnischen Aspekten in einzelnen oder zusammenhängenden Untersuchungsregionen zu platzieren. Im Gegensatz zu bereits bestehenden Systemlösungen (Allokationsalgorithmen) aus anderen Windenergie-Potenzialanalysen zeichnet sich die integrierte Systemlösung „MAXPLACE“ durch eine sehr gute Effizienz, ein breites Anwendungsspektrum sowie eine einfache Handhabung aus. Der Mindestabstand zwischen den WEA und den Siedlungsstrukturen stellt den größten Restriktionsfaktor für das ermittelte Energiepotenzial dar. Zur Bestimmung der Einflussnahme von Siedlungsdistanzänderungen auf das Energiepotenzial wurde mit Hilfe des erstellten Landschaftsmodells eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. In dieser wurden die vorherrschenden Landschafts- und Infrastrukturen analysiert und daraus standortbeschreibende Parameter abgeleitet. Neben der konkreten Benennung der Energiepotenzialänderungen, wurden für das gesamte USG mathematische Abstraktionen der beobachteten Zusammenhänge in Form von Regressionsformeln ermittelt. Diese Formeln ermöglichen es, ohne die in dieser Arbeit beschriebene aufwendige Methodik nachzuvollziehen, mit nur wenigen Parametern die Auswirkungen einer Siedlungsdistanzänderung auf das Energiepotenzial innerhalb des Untersuchungsgebiets zu berechnen.