In den letzten Jahren hat sich maschinelles Lernen als hilfreiches Werkzeug zur Vorhersage von simulierten Materialeigenschaften erwiesen. Somit können aufwendige Berechnungen mittels Dichtefunktionaltheorie umgangen werden und bereits bekannte Materialien besser verstanden oder sogar neuartige entdeckt werden. Eine zentrale Rolle spielt dabei der Deskriptor, ein möglichst interpretierbarer Satz von Materialkenngrößen. Diese Arbeit präsentiert einen Ansatz zur Auffindung von Deskriptoren für periodische Multikomponentensysteme, deren Eigenschaften durch die genaue atomare Anordnung mitbeinflusst wird. Primäre Features von Einzel-, Paar- und Tetraederclustern werden über die Superzelle gemittelt und weiter algebraisch kombiniert. Aus den so erzeugten Kandidaten wird mittels Dimensionalitätsreduktion ein geeigneter Deskriptor identifiziert. Zudem stellt diese Arbeit Strategien vor bei der Modellfindung Kreuzvalidierung einzusetzen, sodass stabilere und idealerweise besser generalisierbare Deskriptoren gefunden werden. Es werden außerdem mehrere Fehlermaße untersucht, die die Qualität der Deskriptoren bezüglich Genauigkeit, Komplexität der Formeln und Berücksichtung der atomaren Anordnung charakterisieren. Die allgemeine Methodik wurde in einer teilweise parallelisierten Python-Software implementiert. Als konkrete Problemstellungen werden Modelle für die Gitterkonstante und die Mischenergie von ternären Gruppe-IV Zinkblende-Legierungen "gelernt", mit einer Genauigkeit von 0.02 Å bzw. 0.02 eV. Datenbeschaffung, -analyse, und -bereinigung werden im Hinblick auf die Zielgrößen als auch auf die primären Features erläutert, sodass umfassende Analysen und die Parametrisierung der Methodik an diesem Testdatensatz durchgeführt werden können. Als weitere Anwendung werden Gitterkonstante und Bandlücken von binären Oktett-Verbindungen vorhergesagt. Die präsentierten Deskriptoren werden mit den Fehlermaßen evaluiert und ihre physikalische Relevanz wird abschließend disktutiert. / In the last years, machine learning methods have proven as a useful tool for the prediction of simulated material properties. They may replace effortful calculations based on density functional theory, provide a better understanding of known materials or even help to discover new materials. Here, an essential role is played by the descriptor, a desirably interpretable set of material parameters. This PhD thesis presents an approach to find descriptors for periodic multi-component systems where also the exact atomic configuration influences the physical characteristics. We process primary features of one-atom, two-atom and tetrahedron clusters by an averaging scheme and combine them further by simple algebraic operations. Compressed sensing is used to identify an appropriate descriptor out from all candidate features. Furthermore, we develop elaborate cross-validation based model selection strategies that may lead to more robust and ideally better generalizing descriptors. Additionally, we study several error measures which estimate the quality of the descriptors with respect to accuracy, complexity of their formulas and the capturing of configuration effects. These generally formulated methods were implemented in a partially parallelized Python program. Actual learning tasks were studied on the problem of finding models for the lattice constant and the energy of mixing of group-IV ternary compounds in zincblende structure where an accuracy of 0.02 Å and 0.02 eV is reached, respectively. We explain the practical preparation steps of data acquisition, analysis and cleaning for the target properties and the primary features, and continue with extensive analyses and the parametrization of the developed methodology on this test case. As an additional application we predict lattice constants and band gaps of octet binary compounds. The presented descriptors are assessed quantitatively by the error measures and, finally, their physical meaning is discussed.

Es wurde eine Datenbankmanagementsystem-Anwendung zur Dokumentation von Patienten mit Lippen-Kiefer-Gaumenspalten entwickelt. Ziel des Computerprogramms ist, anhand großer Patientenzahlen weitere statistisch abgesicherte Daten zur Heredität, anderen ätiologischen Faktoren, Epidemiologie und Therapiebewertung zu gewinnen. Besonderes Augenmerk wurde auf Angaben zu möglichen ursächlichen Faktoren der Spaltentstehung gelegt. Möglicherweise ergeben sich doch einmal durchgreifende präventive Maßnahmen bei Risikoschwangerschaften. Die Auswertung großer Patientenkollektive (seit 1948 etwa 3000 Spaltpatienten an der Charité) im objektiven Vergleich mit anderen Behandlungszentren kann zur Therapieoptimierung beitragen. Zur Analyse werden die funktionellen und aesthetischen Behandlungsresultate in Abhängigkeit vom Therapieverfahren eingeschätzt. Die Gesamtbehandlung erstreckt sich über 20 Jahre. Eine endgültige Ergebnisbeurteilung kann erst nach dieser Zeit erfolgen. Es muß von einer großen Variationsbreite der Behandlungsmodelle ausgegangen werden. Diese müssen an großen Patientenkollektiven statistisch in ihrem Erfolg abgesichert werden. Das Projekt steht im Konsens mit den Empfehlungen des interdisziplinären Arbeitskreises Dokumentation der Arbeitsgemeinschaft Lippen-Kiefer-Gaumenspalten der Deutschen Gesellschaft für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie. Die Anwendung wurde auf Basis eines relationalen Datenbankmanagementsystems entwickelt. Das Programm zeichnet sich durch einfache Bedienbarkeit und schnelle Datenerfassung aus. Es ist als detaillierte Erfassung konzipiert. Verschiedenartige Eingabeerleichterungen wurden eingearbeitet. Die Datenerfassung ist weitgehend standardisiert und skaliert. Voraussetzung für diese Eigenschaften, die in ihrer Gesamtheit einen Fortschritt im Vergleich zu vorgenannten anderen Systemen darstellen, war die rasante Entwicklung der Hard- und Softwaretechnik. Nunmehr ist es problemlos möglich, die Datenfülle zu bewältigen. Schon für den einzelnen Patienten besteht durch die vielen beteiligten Fachgebiete, diverse Behandlungsmaßnahmen und wiederholte Kontrolluntersuchungen ein beachtlicher Dokumentationsbedarf. Bei den für die statistische Auswertung nötigen hohen Patientenzahlen resultieren tausende Datensätze. Der erreichte Stand ist nicht endgültig. Das Programm kann ständig weiterentwickelt und angepaßt werden. Bezugnehmend auf andere Systeme soll der interdisziplinäre Charakter noch einmal betont werden. Dafür spricht unter anderem die Netzwerkkompatibilität. Im Wechselspiel mit der Kieferorthopädie, der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Pädiatrie, Logopädie sowie der konservierenden Zahnheilkunde ergibt sich eine gegenseitige Beeinflussung. Das fand Berücksichtigung bereits im anamnestischen Bereich, setzt sich bei der Diagnose und Befunddokumentation fort. Auch die Menügestaltung ist darauf abgestimmt. Die Wechselwirkung der beteiligten Fachgebiete zu optimieren, ist das Ziel der Auswertung großer Patientenkollektive. Dazu sind ausgezeichnete Voraussetzungen geschaffen worden. Größte Patientenkollektive können nach beliebigen Kriterien und deren Verknüpfung in beeindruckender Schnelligkeit ausgewertet werden. Die Anwendung moderner Erfassungssysteme und insbesondere die Archivierung und Bearbeitung visueller Befunde besitzt nicht nur wissenschaftlichen Wert in ihrer Auswertung oder der Therapieplanung, sondern kann im Praxisbetrieb motivierende Wirkung auf den Patienten haben. Er fühlt sich optimal mit modernsten Mitteln betreut, was die Compliance erhöhen kann. Die eingehende Beschäftigung mit seinen Befunden beziehungsweise mit den Eltern bezüglich der Krankengeschichte vermittelt dem Einzelnen, daß sein Schicksal nicht nur für ihn wichtig ist, sondern sich in die Gesamtheit der Bemühungen einordnet, die Prävention und Therapie der Spaltbildungen zu verbessern. / The efforts in the past to improve the treatment of patients suffering from cleft lip and palate as well as to better understand the etiology of clefts have shown that a large number of cases with very large amount of data will normally have to be assessed considering the natural variation of the cleft lip and palate and the true effects to be apparent clinically and statistically. With the help of computer supported databases it is possible to keep comprehensive records about anamnestic information and results of clinical examination before and after all types of treatment including the assessment of the standard of outcome. If necessary the future treatment approaches can be altered. Therefore a computer supported database system using the latest features of object orientated relational database management systems was developed. The efforts of the German Society Of Maxillofacial Surgery to standardize the clinical records and treatment evaluations were considered. The introduced system features network compatibility, high performance query tools and can be managed by average computer users. Running it on actual customary hardware the processing speed considering the very large amount of data to be collected from thousands of patients with often more than 18 years of treatment is excellent. The introduced system contributes to the general approach to improve the treatment outcome and to better understand the etiology of cleft lip and palate.

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Determination of cell signalling behaviour is crucial for understanding the physiological response to a specific stimulus or drug treatment. Current approaches for large-scale data analysis do not effectively incorporate critical topological information provided by the signalling network. We herein describe a novel model- and data-driven hybrid approach, or signal transduction score flow algorithm, which allows quantitative visualization of cyclic cell signalling pathways that lead to ultimate cell responses such as survival, migration or death. This score flow algorithm translates signalling pathways as a directed graph and maps experimental data, including negative and positive feedbacks, onto gene nodes as scores, which then computationally traverse the signalling pathway until a pre-defined biological target response is attained. Initially, experimental data-driven enrichment scores of the genes were computed in a pathway, then a heuristic approach was applied using the gene score partition as a solution for protein node stoichiometry during dynamic scoring of the pathway of interest. Incorporation of a score partition during the signal flow and cyclic feedback loops in the signalling pathway significantly improves the usefulness of this model, as compared to other approaches. Evaluation of the score flow algorithm using both transcriptome and ChIP-seq data-generated signalling pathways showed good correlation with expected cellular behaviour on both KEGG and manually generated pathways. Implementation of the algorithm as a Cytoscape plug-in allows interactive visualization and analysis of KEGG pathways as well as user-generated and curated Cytoscape pathways. Moreover, the algorithm accurately predicts gene-level and global impacts of single or multiple in silico gene knockouts. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Determination of cell signalling behaviour is crucial for understanding the physiological response to a specific stimulus or drug treatment. Current approaches for large-scale data analysis do not effectively incorporate critical topological information provided by the signalling network. We herein describe a novel model- and data-driven hybrid approach, or signal transduction score flow algorithm, which allows quantitative visualization of cyclic cell signalling pathways that lead to ultimate cell responses such as survival, migration or death. This score flow algorithm translates signalling pathways as a directed graph and maps experimental data, including negative and positive feedbacks, onto gene nodes as scores, which then computationally traverse the signalling pathway until a pre-defined biological target response is attained. Initially, experimental data-driven enrichment scores of the genes were computed in a pathway, then a heuristic approach was applied using the gene score partition as a solution for protein node stoichiometry during dynamic scoring of the pathway of interest. Incorporation of a score partition during the signal flow and cyclic feedback loops in the signalling pathway significantly improves the usefulness of this model, as compared to other approaches. Evaluation of the score flow algorithm using both transcriptome and ChIP-seq data-generated signalling pathways showed good correlation with expected cellular behaviour on both KEGG and manually generated pathways. Implementation of the algorithm as a Cytoscape plug-in allows interactive visualization and analysis of KEGG pathways as well as user-generated and curated Cytoscape pathways. Moreover, the algorithm accurately predicts gene-level and global impacts of single or multiple in silico gene knockouts. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Zum Verständnis menschlichen sozialen, administrativen und wirtschaftlichen Verhaltens, das als Spiel bzw. strategische Interaktion aufgefasst werden kann, reichen die rein analytischen Methoden nicht aus. Es ist nötig, Daten menschlichen strategischen Verhaltens zu sammeln. Basierend auf Daten lässt sich solches Verhalten modellieren, simulieren bzw. vorhersagen. Der theoretische Teil der Zielsetzung wird über praxisorientierte Konzeptualisierung strategischer Interaktion realer Agenten - Menschen und Maschinen - und gegenseitige Integration der Konzepte aus Spieltheorie und Multiagentensysteme erreicht, die über die bisherigen Ansätze hinausgehen. Der praktische Teil besteht darin, ein allgemein verwendbares System zu entwerfen, das strategische Interaktionen zwischen realen Agenten mit maximalen wissenschaftlichen Nutzen durchführen kann. Die tatsächliche Implementation ist eines der Ergebnisse der Arbeit. Ähnliche vorhandene Systeme sind GDL-Server (für Maschinen) [Genesereth u.a., 2005] und z-Tree (für Menschen) [Fischbacher, 2007]. Die Arbeit ist in drei Bereiche unterteilt - (1) Entwicklung von Sprachen für die Beschreibung eines Spiels, (2) ein auf diesen Sprachen basierendes Softwaresystem und (3) eine Offline-Analyse der u.a. mit dem System bereits gesammelten Daten als Beitrag zur Möglichkeiten der Verhaltensbeschreibung. Die Innovation dieser Arbeit besteht nicht nur darin ,einzelne Bereiche mit einander zu kombinieren, sondern auch Fortschritte auf jedem Bereich für sich allein zu erreichen. Im Bereich der Spielbeschreibungssprachen, werden zwei Sprachen - PNSI und SIDL - vorgeschlagen, die beide Spiele bei imperfekter Information in diskreter Zeit definieren können. Dies ist ein Fortschritt gegenüber der bisherigen Sprachen wie Gala und GDL. Speziell die auf Petrinetzen basierende Sprache PNSI kann gleichermaßen für Gameserver und für spieltheoretische Algorithmen von z.B. GAMBIT verwendet werden. Das entwickelte System FRAMASI basiert auf JADE [Bellifemine u.a., 2001] und ist den bisherigen Client-Server-Lösungen durch Vorteile der Multiagentensysteme voraus. Mit dem entstandenen System wurde bereits ein Experiment entsprechend den Standards der experimentellen Spieltheorie durchgeführt und somit die Praxistauglichkeit nachgewiesen. Das Experiment hatte als Ziel, Daten zur menschlichen Unvorhersagbarkeit und zur Vorhersagefähigkeit anderer zu liefen. Dafür wurden Varianten von \"Knobeln\" verwendet. Die Daten dieses Experiments sowie eines Experiments einer externen Arbeitsgruppe mit ähnlicher Motivation wurden mit Hilfe von Datamining analysiert. Dabei wurden die in der Literatur berichteten Gesetzmäßigkeiten des Verhaltens nachgewiesen und weitere Gesetzmäßigkeiten entdeckt.:Einführung Grundlagen Verwandte Arbeiten Sprachen für Spielbeschreibung Implementation der Spielinfrastruktur Beschreibung Strategischen Verhaltens Resümee Ergebnisse Ausblick / To understand human social, administrative and economic behavior, which can be considered as a game or strategic interaction, the purely analytical methods do not suffice. It is necessary to gather data of human strategic behavior. Based on data, one can model, simulate and predict such behavior. The theoretical part of the objective is achieved using a practice oriented conceptualization of the real agents\' - humans and machines - strategic interaction and mutual integration of the concepts from game theory and multi-agent systems, which go beyond the related work. The practical part is the design of an universally usable system that can perform the strategic interactions between real agents with maximum scientific benefit. The current implementation is one of the results of the work. Similar existing systems are GDL-server (for machines) [Genesereth et al., 2005] and z-Tree (for humans) [Fischbacher, 2007]. The work is divided in three fields - (1) development of languages for the description of a game, (2) a software system based on these languages and (3) an offline analysis of the data already gathered among other things using the system as a contribution to behavior definition facilities. The innovation of this work does not consist only in combining of the several fields to each other, but also in achieving of improvements in every field on its own. In the field of game definition languages, two languages are proposed - PNSI and SIDL, which both can define games of imperfect information in discrete time. It is an improvement comparing with hitherto languages as Gala and GDL. Especially, the Petri net based language PNSI can likewise be used for game servers and game theoretic algorithms like GAMBIT. The developed system FRAMASI is based on JADE [Bellifemine et al., 2001] and is ahead of the hitherto client-server solutions through the advantages of the multi-agent systems. Using the originated system, an experiment has been conducted according to the standards from the experimental game theory, and thus demonstrated the practicability. The experiment had the objective to provide data on the human unpredictability and the ability to predict others. Therefore, variants of Roshambo were used. The data from this experiment and from an experiment of an external workgroup with a similar motivation were analyzed using data mining. As results, the regularities of the behavior reported in literature have been demonstrated and further regularities have been discovered.:Einführung Grundlagen Verwandte Arbeiten Sprachen für Spielbeschreibung Implementation der Spielinfrastruktur Beschreibung Strategischen Verhaltens Resümee Ergebnisse Ausblick

Immer wieder ist zu beobachten, wie schwierig es für Lernende im gewerblich-technischen Bereich ist, einen verständnisvollen Zugang zu komplexen technischen Systemen zu finden und wie schwer es ihnen fällt, geeignete mentale Modelle mit ausreichend großer Reichweite zum erfolgreichen Umgang mit komplexem Systemverhalten für ihren späteren Beruf zu entwickeln. Vor dem Hintergrund dieser unterrichtspraktischen Relevanz thematisiert der vorliegende Beitrag als übergeordnetes Ziel, mit Hilfe computergestützter Modellbildung und Simulation (CMS) das Erfassen und Beherrschen komplexer technischer Systeme zum Aufbau beruflicher Handlungskompetenz als wesentlicher Bestandteil des Bildungsauftrags der Berufsschule in verstärktem Maße unterrichtlich etablieren zu können. Eine vorrangige Aufgabe dabei ist es, Lehrenden bei der praktischen Gestaltung geeigneter Lernsituationen Hilfestellung zu leisten bei der Entscheidung, ob und in welcher Form computergestützte Modellbildung und Simulation zum Zwecke ihrer unterrichtlichen Entwicklung sowie einer geeigneten Diagnostik geeignet ist. Den Lehrenden im Bereich der gewerblichen Bildung soll so eine Möglichkeit aufgezeigt werden, wie die Entwicklung und Förderung dieser bereichsübergreifenden Kompetenzen angelegt sein sollte und wie sie diese in ihrem Unterricht entwickeln und nutzen können. Dabei wird offensichtlich, dass komplexe Problemlösekompetenz durch lediglich einen einzigen, umfassenden Indikator nicht bestimm- beziehungsweise darstellbar ist. Die Befähigung zum Lösen komplexer Probleme ist jeweils nur in einem Bündel einzelner Kompetenzen darstellbar. Im konkreten Einzelfall ist jedoch recht gut beschreibbar, welche Komponenten zu diesem Bündel gehören. Eine allgemeine, Domänen unabhängige komplexe Problemlösekompetenz, die in spezifischen Kontexten und unterschiedlichen Berufsfeldern flexibel eingesetzt werden könnte, gibt es nicht. Der Grund liegt u. a. darin, dass Wissen als auch Fähigkeiten und Kompetenzen kontextgebunden sind. Erst über mannigfaltige und zeitintensive Einübungen können sie zunehmend bereichsübergreifend verallgemeinert werden. Mit der im empirischen Teil vorgestellten Untersuchung wird versucht, zur bislang im gewerblich-technischen Bereich nur sehr gering ausgeprägten experimentellen Fundierung der Entwicklung und Erfassung von Kompetenzen mit computergestützter Modellbildung und Simulation (CMS) beizutragen. Hauptanliegen der quasiexperimentellen und explorativen Studie war es, in der beruflichen Erstausbildung an einem ausgewählten regelungstechnischen Beispiel zu prüfen, ob Lernenden über CMS unter der Verwendungsperspektive als so genanntes „Kognitives Tool“ eine (alternative) Zugangs- beziehungsweise Erschließungsmöglichkeit für den erfolgreichen Umgang mit komplexen technischen Systemen ermöglicht werden kann. An dem ausgewählten regelungstechnischen Beispiel wurde untersucht, ob Auszubildenden der Berufsschule, die über keine Kenntnisse in höherer Mathematik verfügen, ein solcher Zugang zu komplexem Systemverhalten gelingen kann. Im Rahmen der empirischen Untersuchungen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass computergestützte Modellbildung und Simulation, wenn sie unter bestimmten Konstruktionsbedingungen entwickelt und unter bestimmten Implementationsbedingungen eingesetzt wird, Lernergebnisse erbringt, die den theoretischen Anforderungen an Entwicklung und Erfassung einer komplexen Problemlösekompetenz genügen. In diesem Zusammenhang konnte auch aufgezeigt werden, dass sich eine komplexe Problemlösekompetenz in einer beruflichen Domäne operationalisieren und es sich beobachten lässt, ob bei den Auszubildenden eine Bewegung in Richtung auf den Aufbau entsprechender Fähigkeiten festzustellen ist. Genau so wichtig ist es aber auch zu zeigen, dass der Einsatz computergestützter Modellbildung undSimulation kein Selbstläufer ist, sondern vielmehr seitens der Lehrenden ein didaktisches Expertenwissen voraussetzt. Das Problem der notwendigen Balance zwischen (Lerner-)Konstruktion und (Lehrer-)Instruktion wurde in der Arbeit ausführlich dargestellt. Sind diese Bedingungen gegeben, so führt die Gestaltung computerbasierter Lernumgebungen durch Modellbildung und Simulation bei der unterrichtlichen Förderung einer Problemlösekompetenz zum erfolgreichen Umgang mit komplexen technischen Systemen zu einer tiefen Elaboration von Konzepten und Zusammenhängen.