Zugl.: Köln, Universiẗat, Diss., 2008.

Univ., Diss.--Zürich, 2002.

Die Unfallstatistik der kommerziellen Luftfahrt verzeichnet in diesem Jahrzehnt einen Höchststand betrieblicher Sicherheit. Es ist das Ergebnis einer jahrzehntewährenden Entwicklung der Luftfahrt, Vor- und Unfälle systematisch zu dokumentieren und aus ihnen lernen zu können, um zukünftig Unfälle zu vermeiden. Zwangsläufig führt diese Sicherheitsaffinität zu einer Überregulierung, die den Flugbetrieb in seinem bestehenden Konzept zunehmend konserviert und die Einführung von Innovation zunehmend hemmt. Einer der Gründe für diesen Trend ist, innovative Konzepte und Systeme nicht gefahrenlos während der Konzept-, Implementierungs- und Migrationsphase des Lebenszyklus hinsichtlich des Risikos analysieren zu können. Die Erlangung von Sicherheitsnachweisen gestaltet sich schwierig, wenn der bestehende Flugbetrieb kein innovationsinduziertes Risiko akzeptieren kann. Insbesondere bei sogenannten soziotechnischen Systemen, die den Menschen und die Interaktionsvorgänge mit der Technik berücksichtigen, können innovative Konzepte zu neuartigen Gefahren führen, die aus einem komplexen Zusammenspiel, z.B. zwischen den Piloten und den Fluglotsen mit Verfahren sowie Technik, resultieren. Ein Nachweis unter Berücksichtigung einer Zielsicherheit, wie z.B. ein Unfall auf eine Milliarde Flugstunden vor Inbetriebnahme, ist praktisch nicht leistbar. Diese Arbeit befasst sich mit der simulationsgestützten Risikoanalyse und liefert ein Konzept zur Nutzung von Echtzeitsimulatoren für die Erbringung des Sicherheitsnachweises. Das Konzept adressiert dabei ein statistisches Problem, seltene und unbekannte Gefahrensituationen mit Hilfe von Echtzeitsimulationen nicht oder unzureichend häufig beobachten zu können, um einen Rückschluss auf die Risiken eines neuartigen Systems ziehen zu können. Dieses Problem ist bekannt als statistische Rechtszensur. Das Kernelement des Konzeptes ist die Stressinduktion mit Hilfe von Zeitdruck, die ein hohes Maß an Kontrollierbarkeit und Reproduzierbarkeit des induzierten Stresses verspricht. Nach Vorbild eines beschleunigten Ermüdungstests sorgen die stressintensivierten Simulationsbedingungen für ein zunehmendes Fehlerverhalten des Operateurs. Gefahrenereignisse und Vorfälle sollen aufgrund der Stressreaktion verstärkt zu beobachten sein, ohne diese direkt hervorzurufen. Nicht bekannte oder seltene Gefahren können somit beobachten werden, die ansonsten aufgrund der kleinen Eintrittswahrscheinlichkeit innerhalb der Simulationszeit nicht zu beobachten wären. Die Bestimmung des Risikos und der Sicherheitsnachweis werden unter Einbezug seltener Gefahren möglich. Bei gezieltem Anfahren von zwei bis drei Zeitdrucklasten lassen die aufgezeichneten Ereignisdaten einen Rückschluss von den beschleunigten auf die unbelasteten Bedingungen (Designstress) zu. Eine experimentelle Studie testet eine prototypische Implementierung eines Zeitdruckinduktionsverfahrens hinsichtlich der Kontrollierbarkeit der Stressreaktion. Dies soll sowohl den Zeitdruck als geeigneten Stressor bestätigen als auch Hinweise auf die Effektivität des Induktionsverfahrens liefern. Der Versuchsaufbau umfasst die Arbeitsposition des Platzverkehrslotsen am Flughafen Frankfurt am Main mit drei zu kontrollierenden Pisten, Rollwegen und Vorfeld an einem Surface Movement Manager. Es wurden drei studentische Probanden aus 14 ausgewählt, trainiert und mit Hilfe des Induktionsverfahrens getestet. Die aufgezeichneten Stressreaktionen zeigen kontrollierbare Reaktionen in der beobachteten Häufigkeit des Vorfalltyps Runway Incursion und Zeitfehler. Individuelle Stressreaktionen, wie z.B. die individuelle Basisleistung und die Freiheitsgrade des Probanden, zwischen Risiko und Schnelligkeit abzuwägen, tragen zur Streuung der Stressreaktion erheblich bei. Ein modellbasierter Ansatz konnte eine Erklärung zu diesen Varianzen liefern und eine systematische Abhängigkeit der Stressreaktion der Probanden zum induzierten Zeitdruck verifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass ein lastenunabhängiges Verhältnis zwischen Risiko und Schnelligkeit für den Fall zu erwarten ist, dass der Operateur höhere Ziele seines Aufgabenbereiches bedienen kann. Bei zunehmender Zeitdrucklast ist dieses Verhältnis zunehmend variabel. Auf Basis der Ergebnisse werden weiterführende Hypothesen und Erklärungsansätze vorgestellt, die für die Realisierung des beschleunigten Stresstests und somit für die Unterstützung einer Risikoanalyse soziotechnischer Systeme dienen.

Die zuverlässige Einhaltung von Lieferzusagen stellt ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl der Teilnehmer eines auftragsbezogenen Produktionsnetzes dar. Für die objektive Bewertung der Lieferzuverlässigkeit der potenziellen Netzwerkteilnehmer bedarf es der Quantifizierung der relevanten Unsicherheiten integriert in einen allgemein gültigen Ansatz der Verfügbarkeitsprüfung. Die Arbeit stellt daraus resultierend Ansätze zur Berechnung der Unsicherheit vor. Durch die Quantifizierung der Unsicherheit innerhalb der Unternehmen ergibt sich zudem die Möglichkeit der flexiblen, situationsabhängigen Nutzung des für langfristige Rahmenverträge reservierten Sicherheitsbestandes zur Befriedigung kurzfristiger Anfragen. Diese Aufgabe unterstützt ein konfigurierbares Modell zur Entscheidungsunterstützung, das auf einem Neuro-Fuzzy-System basiert. Die Kennzahlen der Lieferzuverlässigkeit unterliegen einem dynamischen Verhalten während des Wertschöpfungsprozesses in dem auftragsbasierten Produktionsnetz. Durch die Integration dieser Kennzahlen in das Management dieses Prozesses ergibt sich die Möglichkeit, aus der Zunahme der Unsicherheit mögliche Störungen und deren Auswirkungen bereits vor ihrem Eintreten zu erfassen und im Rahmen eines präventiven Störungsmanagements zu agieren.

Im Lausitzer Braunkohlerevier wurden eine Vielzahl von Braunkohletagebauen stillgelegt und rekultiviert. In den locker gelagerten und überwiegend aus sandigem Boden bestehenden Kippen kam es im Zuge des Grundwasseranstieges seit ca. 2006 zu einer erheblichen Anzahl von Bodenverflüssigungsereignissen. Diese stellen eine Gefährdung für Personen dar und führten daher zu Sperrungen der Kippenflächen. Das Ziel der Arbeit war es, das Risiko für Personenschäden durch Bodenverflüssigungsereignisse auf Innenkippen des Lausitzer Braunkohlereviers zu ermitteln. Die Ergebnisse bilden eine Möglichkeit, Maßnahmen zur Verbesserung der Sicherheit auf der Kippe angepasst zu planen und damit eine bessere gesellschaftliche Akzeptanz zu erreichen. An Beispielen wird in der Arbeit dargestellt, wie der Grad der Gefährdung von Personen durch unterschiedliche Prozesse ermittelt und dargestellt werden kann. Die einfachen physikalischen bzw. empirischen Zusammenhänge bilden die Grundlage zur Ermittlung des Risikos, das Eintrittswahrscheinlichkeit und Schadensausmaß eines Bodenverflüssigungsereignisses berücksichtigt. Der Prozess der spontanen Bodenverflüssigung auf Kippen wird beschrieben. Es wird herausgearbeitet, dass die Auswirkungen eines Bodenverflüssigungsereignisses wesentlich von der Gestalt der Geländeoberfläche und der Lage des Grundwasserspiegels relativ zur Geländeoberfläche abhängen. Für die Geländemorphologie wird die Maßgeblichkeitszahl als Kenngröße genutzt, um zusammen mit dem Grundwasserflurabstand eine empirische Abhängigkeit der Auswirkungen eines Bodenverflüssigungsereignisses zu begründen. Mit diesen Ergebnissen wird auf Basis eines digitalen Geländemodells und eines Grundwassermodells eine Gefährdungskarte abgeleitet. Durch die räumliche Auswertung der Gefährdungskarte und einer angenommenen Zahl von Personen, die auf der geplanten Nutzung der Kippen beruht, wird das kollektive Risiko für Personenschäden berechnet. In die Berechnung geht auch die Eintrittswahrscheinlichkeit von Bodenverflüssigungsereignissen ein, die tagebaubezogen auf Grundlage von Auswertungen von digitalen Geländemodellen im Zeitraum von 2006 bis 2018 ermittelt wurde. Das ermittelte Risiko durch Bodenverflüssigung wird mit Risiken des Alltags verglichen. Darauf aufbauend wird ein Grenzrisiko vorgeschlagen. Die Ergebnisse werden interpretiert und es wird eine Empfehlung abgegeben, wie mit dem ermittelten Risiko umgegangen werden kann. / In the Lusatian lignite mining area, a large number of opencast lignite mines were closed down and recultivated. In the loosely stored tips, which mainly consist of sandy soil, a considerable number of soil liquefaction events have occurred in the course of the groundwater rise since approx. 2006. These represent a hazard to persons and therefore led to the closure of the tipping areas. The aim of the work was to determine the risk of personal injury caused by soil liquefaction events on inner tips of the Lusatian brown coal mining area. The results provide an opportunity to plan actions to improve safety on the dump and thus achieve better social acceptance. The paper uses examples to illustrate how the degree of risk to people posed by different processes can be determined and represented. The simple physical and empirical correlations form the basis for determining the risk which takes into account the probability of occurrence and the extent of damage of a soil liquefaction event. The process of spontaneous soil liquefaction on tips is described. It is worked out that the effects of a soil liquefaction event depend essentially on the shape of the terrain surface and the position of the groundwater level relative to the terrain surface. For the terrain morphology, the significance number is used as a parameter in order to establish an empirical dependence of the effects of a soil liquefaction event together with the groundwater level. With these results, a hazard map is derived on the basis of a digital terrain model and a groundwater model. By spatial evaluation of the hazard map and an assumed number of persons based on the planned use of the tips, the collective risk of personal injury is calculated. The calculation also includes the probability of soil liquefaction events occurring, which was determined on the basis of evaluations of digital terrain models in the period from 2006 to 2018. The calculated risk from soil liquefaction is compared with everyday risks. Based on this, a limiting risk is proposed. The results are interpreted and a recommendation is given on how to deal with the identified risk.

Die bisherigen Untersuchungen zu den Folgen extremer Hochwasserereignisse beschäftigten sich überwiegend mit den durch hohe Wasserstände und Fließgeschwindigkeiten verursachten direkten und tangiblen Schäden an Gebäuden und Infrastrukturen. Den durch schadstoffhaltiges Hochwasser hervorgerufenen direkten und indirekten sowie in der Regel intangiblen Konsequenzen für Mensch und Umwelt ist - insbesondere im Hinblick auf deren räumliche Verteilung - im Rahmen des Hochwasserrisikomanagements nur geringe Aufmerksamkeit gewidmet worden. Während Hochwasserereignissen können toxische Stoffe - wie beispielsweise Arsen, Blei, Cadmium oder Quecksilber sowie persistente organische Kontaminanten wie DDT oder HCH - aus belasteten Gewässer- und Ufersedimenten sowie Altstandorten und Altablagerungen freigesetzt werden. Diese Stoffe werden von der Hochwasserwelle aufgenommen, zum überwiegenden Teil partikulär gebunden transportiert und bei nachlassender Fließgeschwindigkeit und ablaufendem Hochwasser als Sedimente in den Überflutungsbereichen deponiert. In Abhängigkeit von der Nutzung der überschwemmten Gebiete sind nach einem Hochwasser unterschiedliche Rezeptoren den abgelagerten Sedimenten und darin enthaltenen Schadstoffen in der Regel langfristig ausgesetzt. Mögliche Rezeptoren sind zum Beispiel Menschen, Nutz- und Wildtiere, Futter- und Nahrungspflanzen sowie Böden mit ihren spezifischen Bodenfunktionen. Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung einer räumlich differenzierten Methodik zur integrierten Analyse und Bewertung von stofflichen Hochwasserrisiken. Um deren Anwendbarkeit zu überprüfen, wird die entwickelte Methodik im Rahmen einer Fallstudie an Überflutungsbereichen entlang des Unterlaufes der Vereinigten Mulde zwischen Bitterfeld und Priorau erprobt, wobei der Fokus auf dem Rezeptor Mensch liegt. Die Methodik basiert auf der Integration von Verfahren der Hochwasserrisikoanalyse und der Schadstoffrisikoanalyse. Diese werden unter Verwendung eines angepassten Source-Pathway-Receptor-Consequence-Konzeptes kombiniert. Die Methodik besteht aus drei größeren Hauptelementen: (1.) der Gefahrenanalyse, (2.) der Expositionsanalyse und (3.) der Schadstoffrisikocharakterisierung und -bewertung. Die Gefahrenanalyse beschreibt die Freisetzung, den Transport und die Ablagerung der Stoffe in Abhängigkeit von der Hochwassercharakteristik, den Substanzeigenschaften sowie den Verteilungsprozessen nach der Ablagerung, beispielsweise dem Transfer vom Boden in die Pflanze. Ergebnisse der Gefahrenanalyse sind Karten der Schadstoffquellen in Form räumlich verteilter Stoffkonzentrationen in Umweltmedien wie Böden und Pflanzen. Die Expositionsanalyse stellt die Verbindung zwischen den Schadstoffquellen und den Rezeptoren her. Bindeglied sind Expositionspfade, beispielsweise die orale Aufnahme von kontaminiertem Boden oder der Verzehr von Pflanzen, die auf belasteten Böden angebaut werden. Teil der Expositionsanalyse ist eine so genannte Rezeptoranalyse, die - aus Landnutzungstypen abgeleitet - Vorkommen bestimmter Rezeptoren identifiziert und diese charakterisiert. Dabei bezieht die Rezeptoranalyse sowohl die räumliche Verteilung der Rezeptoren als auch deren Eigenschaften ein. Für den Rezeptor Mensch sind dies etwa physiologische Parameter wie Körpergewicht oder Atemrate sowie verhaltensbezogene Parameter wie Zeit-Aktivitätsbudgets oder Nahrungsaufnahmeraten. Daran anschließend wird mit der Expositionsanalyse im engeren Sinne die Exposition der Rezeptoren gegenüber bestimmten Stoffen quantifiziert, indem Transfer- und Aufnahmeraten von Expositionsmedien wie Boden, Nahrung oder Luft ermittelt und mit den darin enthaltenen Stoffkonzentrationen in Beziehung gesetzt werden. Ergebnis der Expositionsanalyse sind räumlich explizite Darstellungen der inneren Exposition, d.h. täglich aufgenommener resorbierter Schadstoffmengen. Darauf folgend werden im Zuge der Risikocharakterisierung die Effekte der Exposition mit Hilfe von Dosis-Wirkungsbeziehungen analysiert, die dann in Form von toxikologisch begründeten Referenzwerten als Basis für die finale stoffbezogene Risikobewertung dienen. Diese erfolgt durch Vergleich der inneren Exposition mit toxikologischen Referenzwerten in Form von tolerablen Aufnahmeraten. Die gesundheitlichen Risiken werden durch den Quotienten aus resorbierter Dosis und tolerabler Dosis beschrieben und als stoff- und pfadspezifischer Risikoindex flächenhaft dargestellt. Abschließend erfolgt eine Bewertung der Risiken mittels einer die Unsicherheiten der Referenzwerte berücksichtigenden Bewertungsfunktion. Die Methodik ist in Form eines GIS-basierten Rechenmodells umgesetzt und im Rahmen einer Fallstudie an der Vereinigten Mulde für verschiedene hydraulische Szenarien im Sinne simulierter Abflüsse verschiedener Jährlichkeiten - 100, 200 und 500 Jahre - erprobt worden. Als ausgewählte Ergebnisse liegen räumlich differenzierte Risikobewertungen für die Stoffe Arsen, Cadmium, Quecksilber und Blei unterschieden nach den Expositionsmedien Boden/Hausstaub, Luft sowie pflanzliche Nahrung vor. Exemplarisch seien hier ausgewählte Bewertungsergebnisse in Form des sogenannten Gefahrenwertes für ein HQ500-Szenario dargestellt: Durch die orale Aufnahme von Arsen über Boden/Hausstaub wird für den Rezeptor Kleinkinder räumlich begrenzt die Risikoschwelle überschritten, wobei die Handlungsschwelle nicht erreicht wird. Die Ergebnisse für Cadmium, Quecksilber und Blei liegen deutlich unter der Risikoschwelle. Ein ähnliches Bild zeigt sich für die Aufnahme über die Luft. Hier wird bei lebenslanger Exposition für Arsen die Risikoschwelle überschritten, für die anderen Stoffe werden Gefahrenwerte weit unter der Risikoschwelle ermittelt. Bezogen auf den Verzehr von Nahrungspflanzen aus Eigenanbau zeigen sich bei lebenslanger Exposition für Cadmium großräumig erhebliche Überschreitungen des Handlungsschwellenwertes. Für die anderen Stoffe finden sich nahezu flächendeckend Überschreitungen des Risikoschwellenwertes, die aber nicht an die Maßnahmenschwelle heranreichen.:1 Zielstellung und Einführung 1.1 Zielstellung 1.2 Problemaufriss 1.3 Stand der Forschung 1.4 Kapitelübersicht 2 Grundlagen und Rahmenkonzepte zu Risiken 2.1 Grundbegriffe 2.2 Risikobegriffe und -konzepte 2.2.1 Risikodefinitionen 2.2.2 Analyse und Bewertung von Risiken 2.2.3 SPRC-Konzept 2.2.4 Zyklus-Konzepte des Risikomanagements 2.3 Hochwasserrisiken 2.3.1 Hochwasserrisikomanagement 2.3.2 Hochwassergefahrenanalyse 2.3.3 Vulnerabilitätsanalyse 2.3.4 Hochwasserrisikoermittlung 2.4 Schadstoffrisiken 2.4.1 Gefahrenidentifikation 2.4.2 Dosis-Wirkungsanalyse 2.4.3 Expositionsanalyse 2.4.4 Risikocharakterisierung 2.5 Risikobewertung 2.5.1 Allgemeine Grundlagen 2.5.2 Bewertung von Hochwasserrisiken 2.5.3 Bewertung von Schadstoffrisiken 2.5.4 Vergleichende Risikobewertung 2.6 Risikosteuerung 2.6.1 Maßnahmen 2.6.2 Rechtliche Instrumente 3 Konzeption der Methodik 3.1 Gesamtkonzept einer integrierten Analyse- und Bewertungsmethodik 3.2 Gefahrenanalyse 3.3 Expositionsanalyse mit Rezeptoranalyse 3.4 Risikocharakterisierung 3.5 Risikobewertung 3.6 Unsicherheitsanalyse 3.7 Gesamtablauf der Methodik 4 Erprobung und Implementierung der Methodik 4.1 Fallstudie Vereinigte Mulde bei Bitterfeld 4.1.1 Beschreibung des Untersuchungsgebietes 4.1.2 Szenarioansatz und Szenarien 4.2 Gefahrenanalyse 4.3 Rezeptoranalyse 4.4 Expositionsanalyse 4.4.1 GIS-Implementierung 4.4.2 Expositionsmodellierung 4.4.3 Expositionsmedien Sediment, Boden, Hausstaub 4.4.4 Expositionsmedium Luft 4.4.5 Expositionsmedium pflanzliche Nahrung 4.5 Risikocharakterisierung 4.6 Risikobewertung 4.7 Unsicherheitsanalyse 5 Empirische Ergebnisse 5.1 Gefahrenanalyse 5.1.1 Bodenkonzentrationen Basisszenario 5.1.2 Bodenkonzentrationen Hochwasserszenarien 5.2 Rezeptoranalyse 5.3 Expositionsanalyse und Risikocharakterisierung 5.4 Risikobewertung 5.4.1 Expositionsmedien Boden und Hausstaub 5.4.2 Expositionsmedium Luft 5.4.3 Expositionsmedium pflanzliche Nahrung 5.5 Unsicherheitsanalyse 5.5.1 Expositionsmedium Boden/Hausstaub 6 Diskussion und Ausblick 6.1 Methodik 6.2 Empirische Ergebnisse 6.3 Ausblick Literaturverzeichnis Abkürzungs- und Akronymverzeichnis Anhang / Research on the consequences of flood events has so far focused on direct tangible damages to buildings and infrastructure caused by high water levels and flow velocities. In the context of flood risk management only little interest has been paid to direct and indirect as well as dominantly intangible consequences caused by flood pollutants to human and ecological receptors - especially taking their spatial distribution into account. During floods toxic substances such as trace elements (e.g. Arsenium, Cadmium, Mercury, Lead, Zinc) and persistent organic pollutants (e.g. HCHs, DDX) can be released from contaminated river bank sediments or former industrial sites. These substances are taken up by the flood water, get transported - mainly bound to fine particles - and get deposited as sediments in the floodplain in case of decreasing flow velocities. Depending on the land use in the floodplain, different receptors can be exposed to the sediments with the associated contaminants. Potential receptors are humans, livestock, wild animals, food and fodder plants as well as soils with their specific soil functions. The core of this thesis is the development of a spatially explicit methodology which enables the integrated analysis and evaluation of substance-based flood risks. To test the applicability, the developed methodology is applied within a case study dealing with floodplains along the lower reaches of the Vereinigte Mulde River situated between Bitterfeld and Priorau (Saxony-Anhalt, Germany). In this case study, the focus is on the receptor man or, more specifically, human health. The methodology is based on an integration of procedures from the fields of flood risk analysis and contaminant risk analysis. These procedures are integrated using an adopted Source-Pathway-Receptor-Consequence concept. The three main elements of the methodology are hazard analysis, exposure analysis and contaminant risk determination and evaluation. At first, the hazard analysis describes the release, transport and deposition of substances based on flood characteristics and substance properties as well as fate and transfer processes after sedimentation (e.g. soil-to-plant transfer). Results of the hazard analysis are maps of spatially distributed substance concentrations in environmental media such as soils and plants, i.e. the (secondary) contaminant sources. Within the exposure analysis the linkages between the contaminant sources and the receptors are described. Connecting elements are exposure pathways such as the ingestion of contaminated soil or the consumption of food produced on such soils. Part of the exposure analysis is a so-called receptor analysis which indicates and characterises potential human receptors that are derived from land-use types. The receptor analysis takes the receptors\' spatial distribution as well as certain properties into account. Taking the receptor human, these properties are physiological parameters such as body weight or respiration rate and behavioural parameters, e.g. activity budgets or food consumption patterns. Subsequently, with the exposure analysis in a narrower sense, the exposure of the receptors to a certain substance is quantified by calculating transfer and intake rates of exposure media such as soil, food or air taking into account the corresponding substance concentrations in these media. Results of the exposure analysis are spatially explicit representations of absorbed contaminant amounts for a certain receptor, i.e. daily resorbed exposure doses. In the course of the contaminant risk determination, the effects (consequences) of the receptors\' exposure are analysed by dose-response relationships, setting the basis for the final substance-based risk assessment in terms of toxicologically derived reference values. Health risks are expressed as ratio between calculated resorbed dose and tolerable resorbed dose and are presented as maps of substance- and pathway-specific risk indices. In a final step, an evaluation is carried out based on a method that takes the uncertainty of the toxicological reference values into account. The methodology has been implemented in a GIS-based calculation model and was applied within a case study to simulate floods with certain return periods (100, 200, and 500 years). Selected results are spatially differentiated risk evaluations for the substances arsenic, cadmium, mercury and lead distinguished based on the exposure media soil/house dust, air and home-grown vegetable food. Taking the 500-year flood-scenario and the risk evaluation value as an example, the following results have been derived: the oral intake of arsenic via soil/house dust leads to a spatially restricted exceedance of the risk level of the receptor infant, whereas the action level is not reached. The results of cadmium, mercury and lead are clearly below the risk level. A similiar pattern shows for the pulmonary intake via air. Based on lifetime exposure, the risk level for arsenic is exceeded, for all other substances the values are far below the risk level. Considering the intake of cadmium via consumption of home-grown vegetables, the action level is notably exceeded in large areas. The other substances show a nearly general exceedance of the risk level without reaching the action level.:1 Zielstellung und Einführung 1.1 Zielstellung 1.2 Problemaufriss 1.3 Stand der Forschung 1.4 Kapitelübersicht 2 Grundlagen und Rahmenkonzepte zu Risiken 2.1 Grundbegriffe 2.2 Risikobegriffe und -konzepte 2.2.1 Risikodefinitionen 2.2.2 Analyse und Bewertung von Risiken 2.2.3 SPRC-Konzept 2.2.4 Zyklus-Konzepte des Risikomanagements 2.3 Hochwasserrisiken 2.3.1 Hochwasserrisikomanagement 2.3.2 Hochwassergefahrenanalyse 2.3.3 Vulnerabilitätsanalyse 2.3.4 Hochwasserrisikoermittlung 2.4 Schadstoffrisiken 2.4.1 Gefahrenidentifikation 2.4.2 Dosis-Wirkungsanalyse 2.4.3 Expositionsanalyse 2.4.4 Risikocharakterisierung 2.5 Risikobewertung 2.5.1 Allgemeine Grundlagen 2.5.2 Bewertung von Hochwasserrisiken 2.5.3 Bewertung von Schadstoffrisiken 2.5.4 Vergleichende Risikobewertung 2.6 Risikosteuerung 2.6.1 Maßnahmen 2.6.2 Rechtliche Instrumente 3 Konzeption der Methodik 3.1 Gesamtkonzept einer integrierten Analyse- und Bewertungsmethodik 3.2 Gefahrenanalyse 3.3 Expositionsanalyse mit Rezeptoranalyse 3.4 Risikocharakterisierung 3.5 Risikobewertung 3.6 Unsicherheitsanalyse 3.7 Gesamtablauf der Methodik 4 Erprobung und Implementierung der Methodik 4.1 Fallstudie Vereinigte Mulde bei Bitterfeld 4.1.1 Beschreibung des Untersuchungsgebietes 4.1.2 Szenarioansatz und Szenarien 4.2 Gefahrenanalyse 4.3 Rezeptoranalyse 4.4 Expositionsanalyse 4.4.1 GIS-Implementierung 4.4.2 Expositionsmodellierung 4.4.3 Expositionsmedien Sediment, Boden, Hausstaub 4.4.4 Expositionsmedium Luft 4.4.5 Expositionsmedium pflanzliche Nahrung 4.5 Risikocharakterisierung 4.6 Risikobewertung 4.7 Unsicherheitsanalyse 5 Empirische Ergebnisse 5.1 Gefahrenanalyse 5.1.1 Bodenkonzentrationen Basisszenario 5.1.2 Bodenkonzentrationen Hochwasserszenarien 5.2 Rezeptoranalyse 5.3 Expositionsanalyse und Risikocharakterisierung 5.4 Risikobewertung 5.4.1 Expositionsmedien Boden und Hausstaub 5.4.2 Expositionsmedium Luft 5.4.3 Expositionsmedium pflanzliche Nahrung 5.5 Unsicherheitsanalyse 5.5.1 Expositionsmedium Boden/Hausstaub 6 Diskussion und Ausblick 6.1 Methodik 6.2 Empirische Ergebnisse 6.3 Ausblick Literaturverzeichnis Abkürzungs- und Akronymverzeichnis Anhang

Krebs ist die zweithäufigste Todesursache weltweit und zählt damit zu den größten Plagen der Menschheit. Jährlich sterben Menschen an den Folgen bösartiger Tumore und stellen Ärzte vor scheinbar unlösbare Aufgaben. Um Krebsgeschwüre effizient bekämpfen oder sogar vollständig beseitigen zu können, ist es enorm wichtig diese früh genug zu diagnostizieren. Oft stellt jedoch genau das in der Praxis ein großes Problem dar und Tumore werden erst dann als solche erkannt, wenn das Zellwachstum schon sehr weit fortgeschritten ist. Eine große Chance für die frühzeitige Erkennung von Krebs bieten unterdessen Deep Learning Algorithmen. Die vorliegende Seminararbeit stellt diese Verfahren und ihre Anwendung in der Krebsdiagnostik vor. Es wird hierbei genauer auf Convolutional Neural Networks eingegangen, die besonders gut geeignet für die Analyse von Gewebebildern sind und unter anderem auch im System von Google's DeepMind zum Einsatz kommen. Die Arbeit analysiert Chancen und Risiken des Einsatzes von Deep Neural Networks bei der Diagnose von bösartigen Tumoren und verschafft dem Leser damit einen ganzheitlichen Überblick über die Anwendung von Deep Neural Networks im Bereich der Onkologie.:1 Einleitung 2 Vom Neuronalen Netz zum Deep Learning Algorithmus 2.1 Grundlagen Künstlicher Neuronaler Netze 2.1.1 Allgemeiner Aufbau 2.1.2 Das Neuron als Grundbaustein 2.1.3 Lernen in neuronalen Netzen 2.1.4 Loss Function und Optimizer 2.2 Convolutional Neural Networks 2.2.1 Convolutional Layer 2.2.2 Pooling Layer 2.2.3 Fully Connected Layer 2.2.4 Lernen und Aktivierung in CNN’s 3 DeepMind als Deep Learning Multitalent 3.1 Bisherige Erfolge 3.2 DeepMind Health 4 Chancen und Risiken in der Krebsdiagnostik 4.1 Aktueller Stand der Brustkrebsdiagnostik 4.2 Chancen von Deep Learning Algorithmen 4.3 Ethische Risiken 4.3.1 False Positives 4.3.2 False Negatives 4.4 Fazit der Risikoanalyse 5 Ausblick

Im Bergbausektor werden die Themenfelder soziales und ökologisches Verantwortungsbewusstsein als auch verantwortliche Unternehmensführung, entlang der gesamten Wertschöpfungskette von mineralischen Rohstoffen innerhalb der letzten Dekade intensiv diskutiert. Verstärkt wird dies durch den steigenden Bedarf an mineralischen Rohstoffen für diverse Branchen, wie beispielsweise der High-Tech-Industrie. Hierbei besteht nachweislich in nahezu allen Abschnitten der Wertschöpfungskette eines mineralischen Rohstoffs das Risiko negativer Einflüsse auf die Gesellschaft, Umwelt und die Wirtschaft. Aus diesem Grund entwickelt die DMT GmbH & Co. KG als Projektleitung, TÜV NORD CERT GmbH, beide zugehörig der TÜV NORD GROUP, und weitere Partner aus Industrie und Wissenschaft das Zertifizierungssystem CERA 4in1 – Certification of Raw Materials. Das Projekt wurde teilfinanziert von der European Institute of Innovation and Technology Raw Materials GmbH. Das Ziel des Zertifizierungssystems ist es, die komplette Wertschöpfungskette eines mineralischen Rohstoffs zu umfassen und somit dazu beizutragen, eine Harmonisierung des Markts an Nachhaltigkeitsstandards zu erzielen. Um dies zu realisieren, ist das CERA 4in1 Zertifizierungssystem in vier unterschiedliche, jedoch aufeinander aufbauende, Teilstandards unterteilt. Der CERA 4in1 Performance Standard (CPS) umfasst den nachhaltigen Betrieb eines Unternehmens von den Gewinnungs- und Aufbereitungsprozessen bis hin zu Hüttenbetrieben. In den untergeordneten Implementation Details (ID)-Dokumenten, welche auch als Auditchecklisten definiert werden können, werden dabei die individuellen Gegebenheiten des zu zertifizierenden spezifischen Betriebs berücksichtigt und dienen dadurch als Implementierung der allgemeingültigen CPS-Anforderungen für den spezifischen Anwendungsfall. Der CERA 4in1 Chain of Custody (CCS) umfasst die Rückverfolgbarkeit während des Handels der jeweiligen Zwischenprodukte der einzelnen Wertschöpfungsakteure. Der CERA 4in1 Readiness Standard (CRS) umfasst die komplette Phase der Bergbauplanung und endet mit dem Beginn der Gewinnung. Diese drei Standards beziehen sich auf die vorgelagerte Wertschöpfungskette eines mineralischen Rohstoffs. Der CERA 4in1 Final Product Standard (CFS) umfasst das Kennzeichnen des Endprodukts, für welches die zertifizierten mineralischen Rohstoffe und deren nachgelagerten Produkte verwertet werden. Innerhalb der Dissertation wird die Weiterentwicklung des CPS verfolgt, indem grundsätzlich das CPS-Grundgerüst inhaltlich erweitert und anschließend bewertet sowie ein Modell als Systematik dieses Standards entwickelt und validiert wird. Der Anspruch dieses Modells ist es, alle mineralischen Rohstoffe, deren Lagerstättentypen und besondere Eigenschaften in der Gewinnung bis hin zur Verhüttung, die Betriebsgrößen als auch die lokalen und regionalen Besonderheiten der Betriebsstandorte zu berücksichtigen. Abschließend wird die Effektivität und Erfolgsaussicht des CPS evaluiert. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Effektivität und Erfolgsaussichten des CPS insgesamt von bis zu sechs Parametern abhängig ist. Die „technische und wirtschaftliche Anwendbarkeit“ thematisiert unter anderem die Anwendbarkeit des CPS auf die komplexen und individuellen mineralischen Rohstoffwertschöpfungsketten. Die „internationale Anerkennung“ adressiert die Kompatibilität mit bereits bestehenden Systemen zur Harmonisierung des Angebots an Nachhaltigkeitsstandards. Die „Vertrauenswürdigkeit des Systems“ umfasst die Erlangung der Vertrauenswürdigkeit des CPS seitens diverser Interessensvertreter, während sich der Parameter „Akzeptanz des Kunden“ auf die Bereitwilligkeit der Industrie zur Zertifizierung bezieht. Der „Marktausblick“ steht für die Wirtschaftlichkeit des CPS. Abschließend gilt die „politische Unterstützung“, also die Einbindung des CPS in gesetzliche Regelungen, als optionaler Parameter, da dieser nicht als essentiell eingestuft wird.:ABBILDUNGSVERZEICHNIS XVII TABELLENVERZEICHNIS XIX ABKÜRZUNGEN & AKRONYME XXIII 1 EINLEITUNG 1 1.1 Status quo 1 1.1.1 Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung 5 1.1.2 Internationale Arbeitsorganisation 5 1.1.3 Internationale Allianz für Soziale und Ökologische Akkreditierung und Kennzeichnung 6 1.2 Motivation 12 2 FORSCHUNGSSTRATEGIE 17 2.1 Fragestellung und Zielsetzung 17 2.2 Überblick der Arbeit 18 2.3 Methodik 19 3 CERA 4IN1 ZERTIFIZIERUNGSSYSTEM 22 3.1 Vorarbeiten 22 3.2 Einführung in das CERA 4in1 Zertifizierungssystem mit Schwerpunkt CERA 4in1 Performance Standard 25 3.2.1 Randbedingungen und Zielsetzung des CERA 4in1 Performance Standards 32 3.2.2 Status Quo des CERA 4in1 Performance Standards zu Beginn der Arbeit 32 3.2.3 Weiterentwicklung des CERA 4in1 Performance Standards 36 3.2.4 Bewertung des CERA 4in1 Zertifizierungssystems und des CPS-Grundgerüsts 44 4 ENTWICKLUNG EINES THEORETISCHEN MODELLS ALS SYSTEMATIK DES CERA 4IN1 PERFORMANCE STANDARDS 51 4.1 Zielsetzung des theoretischen Modells 51 4.2 Randbedingungen und Barrieren des theoretischen Modells 51 4.3 Systematik des theoretischen Modells 52 4.3.1 Datengrundlage, Status Quo der CPS-Systematik und genutzte Techniken 53 4.3.2 Identifizierung ökonomischer, ökologischer und sozialer negativer Einflüsse von mineralischen Rohstoffen innerhalb deren Wertschöpfungsketten 56 4.3.3 Entwicklung einer Systematik zur Prävention und Kontrolle der negativen Einflüsse auf die Nachhaltigkeit im Bergbau 59 4.3.4 Gängige Gewinnungs-, Aufbereitungs- bis hin zu Verhüttungsprozesse innerhalb der mineralischen Rohstoffwertschöpfung zur Entwicklung des Grundgerüsts des theoretischen Modells 63 4.3.5 Entwicklung der Systematik des theoretischen Modells 64 4.4 Zweck des theoretischen Modells 65 5 VALIDIERUNG DES THEORETISCHEN MODELLS ANHAND AUSGEWÄHLTER MINERALE 75 5.1 Erläuterung der Methodik und des Zwecks 75 5.2 Erste theoretische Validierung 76 5.2.1 Randbedingungen und Barrieren der ersten theoretischen Validierung 77 5.2.2 Darstellung der Ergebnisse aus der ersten theoretischen Validierung 77 5.3 Problemanalyse 79 5.3.1 Aufgetretene Probleme während der ersten theoretischen Validierung 79 5.3.2 Veränderung der Eingangsparameter 80 5.4 Zweite theoretische Validierung 84 5.4.1 Randbedingungen und Barrieren der zweiten theoretischen Validierung 85 5.4.2 Darstellung der Ergebnisse aus der zweiten theoretischen Validierung 86 5.5 Problemanalyse und Sensitivitätsanalyse 90 5.5.1 Aufgetretene Probleme während der zweiten theoretischen Validierung 90 5.5.2 Sensitivitätsanalyse 95 5.5.3 Veränderung der Eingangsparameter 96 5.5.4 Theoretische Skalierung 104 5.6 Praktische Validierung 105 5.6.1 Erläuterung der Methodik und des Zwecks 106 5.6.2 Randbedingungen und Barrieren 109 5.6.3 Darstellung der Ergebnisse 111 5.6.4 Aufgetretene Probleme und Sensitivitätsanalyse 115 6 FINALE BEWERTUNG DES THEORETISCHEN MODELLS UND DER CPS-SYSTEMATIK 118 6.1 Problemanalyse und Sensitivitätsanalyse 118 6.1.1 Gelöste Probleme und Sensitivitätsanalyse 118 6.1.2 Ungelöste Probleme und Sensitivitätsanalyse 119 7 FAZIT, DISKUSSION, AUSBLICK 121 7.1 Fazit 121 7.1.1 Standardentwicklung 121 7.1.2 Skalierung der Inhalte 122 7.1.3 Automatisierung der Entwicklungsschritte und Auditprozesse 123 7.1.4 Wettbewerb und Akzeptanz 124 7.1.5 Marktausblick 127 7.1.6 Abschlussbewertung 129 7.2 Diskussion 134 7.2.1 Barrieren und Randbedingungen des CPS 134 7.2.2 CPS-Implementierung 135 7.2.3 Auswirkungen 138 7.3 Ausblick 139 7.3.1 Anwendbarkeit, Anerkennung und Zertifizierungsprozess 139 7.3.2 Datenbankanwendung 140 7.3.3 CERA 4in1 Teilstandards und Administration 140 QUELLENVERZEICHNIS 143 ANHANG 155 Anhang A – Schwerpunkte Nachhaltigkeit 155 A.1 Auflistung der Nachhaltigkeitsziele der Agenda 2030 und der Kernthemen nach ISO 26000 155 Anhang B – Tabellenwerke zu Kapitel 4 156 B.1 Vorarbeiten aus Jatlaoui (2018) 156 B.2 Bestehendes umfangreiches Set an Gefahren aus Business Queensland (2019) 162 B.3 Entwicklung des ersten Entwurfs des theoretischen Modells 163 Anhang C – Tabellenwerke zu Kapitel 5 171 C.1 Validierung des theoretischen Modells 171 C.2 Übersicht der umdefinierten Ereignisse 182 C.3 Layout der Auditcheckliste für das Pilotprojekt DRK 193

In recent years, technological innovations have resulted in manifold applications using rare earth elements (REEs), leading to a dramatic increase in demand for them. Because of their unique physicochemical properties, REEs are considered indispensable in modern industry. They are extensively used in new materials, energy conservation, environmental protection and IT devices as well as in military weapon systems. They have also significantly contributed to the miniaturisation of electronic components, such as, for example, cell phones and laptop computers. REEs are essential for green technologies such as wind turbines. They are widely applied in the automotive industry for catalysts, hybrid vehicle batteries, motors and generators, etc. (Hurst, 2010). Due to the similarity of the chemical characteristics of each individual REE, the production processes for REEs with high purity are very complex: the processing and separation can be technically challenging. Furthermore, the chemical extraction processes involved have generated severe environmental problems. Currently, the supply of REEs is concentrated in China. To reduce the dependence on China, many countries have started to search for alternative REE sources, which can be classified into “primary sources” and “secondary sources”. Many REE exploration projects outside China and REE recycling projects have been launched. However, the success of the development of these projects is impacted by various risks, such as political risks, technical risks, environmental risks and social risks. The main research aim of this thesis is to establish a model for the evaluation of REE projects and to provide a basis for investment decision making. In order to complete this task, an analysis of REE deposits and the supply chain for REEs is provided. As results, a data base of potential REEs project is compiled, while an overview of the supply chain for REEs and an analysis of risks across the supply chain are presented. In order to assess potential REE production projects, a new real options valuation (ROV) model using a multi-dimensional binomial lattice approach is developed. For the application of the new real options model, a range of risk parameters and the expected production output of REE products are estimated using the Monte Carlo simulation method. The application of the new real options model is presented for the evaluation of the Bayan Obo mine in China, the Kvanefjeld REE project in Greenland, and a REE recycling project from magnetic scrap.

For railways, risk analysis is carried out to identify hazardous situations and their consequences. Until recently, classical methods such as Fault Tree Analysis (FTA) and Event Tree Analysis (ETA) were applied in modelling the linear and logically deterministic aspects of railway risks, safety and reliability. However, it has been proven that modern railway systems are rather complex, involving multi-dependencies between system variables and uncertainties about these dependencies. For train derailment accidents, for instance, high train speed is a common cause of failure; slip and failure of brake applications are disjoint events; failure dependency exists between the train protection and warning system and driver errors; driver errors are time dependent and there is functional uncertainty in derailment conditions. Failing to incorporate these aspects of a complex system leads to wrong estimations of the risks and safety, and, consequently, to wrong management decisions. Furthermore, a complex railway system integrates various technologies and is operated in an environment where the behaviour and failure modes of the system are difficult to model using probabilistic techniques. Modelling and quantification of the railway risk and safety problems that involve dependencies and uncertainties such as mentioned above are complex tasks. Importance measures are useful in the ranking of components, which are significant with respect to the risk, safety and reliability of a railway system. The computation of importance measures using FTA has limitation for complex railways. ALARP (As Low as Reasonably Possible) risk acceptance criteria are widely accepted as ’\'best practice’’ in the railways. According to the ALARP approach, a tolerable region exists between the regions of intolerable and negligible risks. In the tolerable region, risk is undertaken only if a benefit is desired. In this case, one needs to have additional criteria to identify the socio-economic benefits of adopting a safety measure for railway facilities. The Life Quality Index (LQI) is a rational way of establishing a relation between the financial resources utilized to improve the safety of an engineering system and the potential fatalities that can be avoided by safety improvement. This thesis shows the application of the LQI approach to quantifying the social benefits of a number of safety management plans for a railway facility. We apply Bayesian Networks and influence diagrams, which are extensions of Bayesian Networks, to model and assess the life safety risks associated with railways. Bayesian Networks are directed acyclic probabilistic graphical models that handle the joint distribution of random variables in a compact and flexible way. In influence diagrams, problems of probabilistic inference and decision making – based on utility functions – can be combined and optimized, especially, for systems with many dependencies and uncertainties. The optimal decision, which maximizes the total benefits to society, is obtained. In this thesis, the application of Bayesian Networks to the railway industry is investigated for the purpose of improving modelling and the analysis of risk, safety and reliability in railways. One example application and two real world applications are presented to show the usefulness and suitability of the Bayesian Networks for the quantitative risk assessment and risk-based decision support in reference to railways.