Produktionsfaktor Mathematik: wie Mathematik Technik und Wirtschaft bewegt
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
2009
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| Schriftenreihe: | Acatech diskutiert
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| Beschreibung: | Literaturangaben |
| Beschreibung: | 488 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783540894346 |
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| adam_text | > INHALT
> Vorwort 15
> Einführung
Martin Grötschel, Klaus Lucas und Volker Mehrmann 17
PROZESSE
> Vorausschauend planen, gezielt handeln -
Über die Regelung und Steuerung technischer Prozesse
Lars Grüne, Sebastian Sager, Frank Allgöwer, Hans Georg Bock
und Moritz Diehl 27
1 Executive
Summary
27
2 Eine lange Erfolgsgeschichte 28
2.1 Das Stabilitätskriterium von Hurwitz 28
2.2 Das Pontrjaginsche Maximumprinzip 30
2.3 Fazit 31
3 Status
quo
und aktuelle Entwicklungen:
Das Beispiel „Modellprädiktive Regelung 32
3.1 Eine kurze Einführung in die Steuerungs- und Regelungstechnik 32
3.2 Prinzip der modellprädiktiven Regelung 36
3.3 Stabilität von
MPC
39
3.4 Anwendungsbeispiele 40
3.5 Direkte Optimalsteuerungsmethoden 42
4 Herausforderungen 48
4.1 Modellierung 49
4.2 Robustheit von Lösungen, Unsicherheiten 51
4.3 Weitere Herausforderungen 53
5 Visionen und Handlungsempfehlungen 54
5.1 Theorie und Praxis 55
5.2 Interdisziplinarität in der Ausbildung 55
6 Literatur 56
> Datenkompression, Prozessoptimierung, Aerodynamik:
Eine Tour durch die Skalen
Wolfgang Dahmen und Wolfgang Marquardt 63
1 Einige Leitgedanken 63
2 Erfolgsgeschichten 66
2.1 Informationsgewinnung aus riesigen Datensätzen 66
2.2
Adaptiv
optimiert 67
2.3 Aerodynamik unter dem mathematischen Mikroskop 71
3 Status
quo
74
3.1 Multiskalen-Zerlegungen:
Wavelets
74
3.2 Multiskalenverfahren zur Datenanalyse 79
3.3 Lösung von Optimalsteuerungsproblemen mit adaptiver
Waveletdiskretisierung 82
3.4
Adaptive
Verfahren für partielle Differentialgleichungen der
Strömungsmechanik 86
4 Stärken/Schwächen-Analyse 93
5 Visionen und Handlungsempfehlungen 93
6 Literatur 94
>
Aktíve
Strömungsbeeinflussung -
Eine mathematische Herausforderung
Rudibert King, Volker Mehrmann und Wolfgang Nitsche 99
1 Executive
Summary
99
2 Erfolgsgeschichten 100
3 Aktive Beeinflussung von Strömungen, Status
quo
100
3.1 Modellierung 104
4 Stärken/Schwächen-Analyse, Herausforderungen 106
5 Visionen und Handlungsempfehlungen 107
6
Literatur 108
>
Data-Mining
für die Angebotsoptimierung im Handel
Jochen Garcke, Michael Griebe! und Michael Thess
Ш
1 Executive
Summary
Ш
2 Angebotsoptimierung im Handel: Übersicht und Status
quo
112
2.1 Kampagnenoptimierung 113
2.2
Cross-
und Up-Selling 115
3 Ausblick 120
4 Visionen und Handlungsempfehlungen 122
5 Literatur 123
NETZE
> Planungsprobleme im öffentlichen Verkehr
Ralf Borndörfer, Martin Crötschel und Ulrich
Jaeger
127
1 Executive
Summary
127
2 Erfolgsgeschichten 128
3 ÖV-Planungsprobleme: Übersicht und Status
quo
131
3.1 Betriebsplanung 132
3.2 Steuerung des Betriebs 137
3.3 Angebotsplanung 138
3.4 Wettbewerbsbedingungen 140
4 Stärken/Schwächen-Analyse, Herausforderungen 141
4.1 Rahmenbedingungen für den Einsatz von Mathematik 141
4.2 Mathematische Modelle und Algorithmen 145
4.3 Transfer und Ausbildung 148
4.4 Fazit 149
5 Visionen und Handlungsempfehlungen 150
5.1 Diskrete Optimalsteuerung: Umplanung von Verkehrssystemen bei
Störungen in Echtzeit 150
5.2 Modellintegration: Angebotsplanung im Bus-und Bahnbereich 152
6 Literatur 153
> Mit Mathematik zu mehr Intelligenz in der Logistik
Rolf H. Möhring und Michael Schenk 157
1 Executive
Summary
157
2 Erfolgsbeispiele 159
2.1 Logistikketten 159
2.2 Transport 160
2.3 Produktionslogistik 161
2.4 Steuerung logistischer Netze 164
3 Logistik und Mathematik: Status
quo
167
3.1 Zur Entwicklung der Logistik 167
3.2 Mathematik in der Logistik 168
4 Zukünftige Herausforderungen 170
5 Visionen und Handlungsempfehlungen 171
6 Literatur 172
> Optimierung von Kommunikationsnetzen
Jörg Eberspächer, Moritz Kiese und Roland Wessäly 175
1 Executive
Summary
175
2 Ob Telefonnetz oder Internet Mathematik ist immer dabei! 176
2.1 Routing im Internet 176
2.2 Qualitätskontrolle im Telefonnetz und im Internet 178
2.3 Kostenoptimierte Kommunikationsnetze 179
3 Netze, Planung und Methoden 179
3.1 Netzarchitektur und Planungsaspekte 179
3.2 Strategische Planung 181
3.3 Taktische Planung 182
3.4 Operative Planung 185
3.5 Stand der Methoden: Fazit 186
4 Einflussfaktoren und Herausforderungen 187
4.1 Markteinflüsse, Wettbewerbsbedingungen, Regulierung 187
4.2 Datenverfügbarkeit 187
4.3 Konvergenz und Komplexität der Systeme 188
4.4 Planungsprozesse und Planungswerkzeuge 188
4.5 Zusammenarbeit von Industrie und Wissenschaft, Ingenieuren und
Mathematikern 189
4.6 Ausgewählte Herausforderungen 190
5 Waszu tun ist-Vorschläge und Initiativen 193
5.1 Ausbildung 193
5.2 Wirtschaft 193
5.3 Forschungsschwerpunkt 194
6 Literatur 194
> Mathematik in der drahtlosen Kommunikation
Holger Boche und Andreas Eisenblätter 197
1 Executive
Summary
197
2 Erfolgsgeschichten 197
2.1 Mobilkommunikation braucht Mathematik 198
2.2 Das Fundament der Kommunikationstheorie 199
2.3 Schlüsseltechniken 201
2.4 Optimierung von GSM-Netzen 202
3 Wissen schafft Fortschritt 204
ЗЛ
Optimierte Ressourenvergabe in zellularen Funknetzen 204
3.2 Steuerung von Sendeleistungen 207
3.3
Axiomatik
für interferenzbeschränkte Funksysteme 209
3.4 Kapazitätsplanung für UMTS-Funknetze 209
3.5 Hardwareentwicklung 211
4 Zusammenarbeit stärken 213
4Л
Interdisziplinäre Zusammenarbeit 213
4.2 Internationale Zusammenarbeit 214
4.3 Transfer 214
4.4 Forschung von Nachwuchstalenten fördern 215
5 Perspektiven 215
5.1 Informationstheorie und digitale Welt 215
5.2 Netzwerkinformationstheorie 216
5.3 Quanteninformationstheorie 216
5.4 Neue Ansätze der Frequenznutzung 217
5.5 Selbstorganisierende Netze 218
6 Literatur 218
> Mathematik im Chip-Design
Jürgen Koehl, Bernhard
Korte
und Jens Vygen 223
1 Executive
Summary
223
2 Erfolgsgeschichten 226
3 Status
quo
des Chip-Designs 237
3.1 Platzierung 241
3.2
Timing
Optimierung 243
3.3 Routing 249
4 Stärken/Schwächen-Analyse, Herausforderungen 253
5 Visionen und Handlungsempfehlungen 254
6 Literatur 255
MATERIALIEN UND MECHANIK
> Chancen und Visionen der modernen Mechanik
Wolfgang Ehlers und Peter Wriggers 259
1 Executive
Summary
259
2 Erfolgsgeschichten 260
2.1 Kontinuumsmechanik von
Mehrkomponenten-Mehrphasenmaterialien 260
2.2 Simulationstechniken zur Beschreibung von heterogenen
Materialien
(Multi-scale Modeiling)
264
3 Übersicht und Status
quo
272
3.1 Fakten 272
3.2 Zusammenfassung 277
Stärken/Schwächen-Analyse, Herausforderungen 277
4.1 Ausgangsbasis und Visionen 277
4.2 Wie kommt die Mathematik ins Spiel? 279
4.3 Stärken, Schwächen und Herausforderungen 281
Handlungsempfehlungen 282
Literatur 282
> Mathematik für Werkzeugmaschinen und Fabrikautomatisierung
Berend
Denkena, Dietmar Hömberg und Eckart Uhlmann
285
1 Executive
Summary
285
2 Erfolgsgeschichten
286
2.1 Mathematik für die Entwicklung neuer Maschinenkonzepte:
Parallelkinematiken
286
2.2 Mathematik für die Auslegung von Werkzeugmaschinen:
Zerspanprozesse
286
3 Mathematische Konzepte in der Produktionstechnik
289
3.1 Modellierung von Prozessketten
289
3.2
Adaptive
Numerik
290
3.3 Optimalsteuerung
294
4 Herausforderungen
296
4.1 Wechselwirkung zwischen Struktur und Prozess
296
4.2 Wechselwirkungen beim Fräsen
298
4.3 Rekonfiguration von Produktionsanlagen
299
5 Perspektiven
301
6 Literatur
303
Herstellung und Einsatz moderner Materialien
Wolfgang Dreyer
307
1 Executive
Summary
307
2 Erfolgsgeschichten
308
3 Status
quo
318
4 Stärken/Schwächen-Analyse, Herausforderungen
320
5 Visionen und Handlungsempfehlungen
321
6 Literatur
321
>
Topologie
und Dynamische Netzwerke:
Anwendungen der Optimierung mit Zukunft
Günter Leugering, Alexander Martin und Michael
Stingi
323
1 Executive
Summary
323
2 Von den Eigenschaften zu optimalen Strukturen 324
3 Erfolgsgeschichte: Struktur-,
Topologie-
und Materialoptimierung 328
3.1 Fazit/Empfehlungen 330
4 Optimierung von Transportnetzen 331
4.1 Fazit/Empfehlungen 335
5 Danksagung 337
6 Literatur 337
ENERGIE UND BAUEN
> Ressourceneinsatzplanung in der Energie- und Verfahrenstechnik
Sebastian Engeil, Edmund Handschin, Christian Rehtanz
und Rüdiger Schultz 341
1 Executive
Summary
341
2 Erfolgsgeschichten 343
2.1 Elektrische Energieversorgung 343
2.2 Ressourceneinsatzplanung in der verfahrenstechnischen
Produktion 346
3 Status
quo
350
3.1 Energieversorgung 350
3.2 Verfahrenstechnische Produktionsprozesse 354
3.3 Mathematische Methoden 357
4 Perspektiven und Herausforderungen 359
4.1 Energieversorgung 359
4.2 Verfahrenstechnische Produktionsprozesse 364
4.3 Mathematische Methoden 365
5 Visionen und Handlungsempfehlungen 367
6 Literatur 369
>
Simulationsbasierte
Optimierung in der Bautechnik -
Neue
informatisene
Lösungskonzepte
Dietrich Hartmann, Matthias Baitsch und Van Vinh
Nguyen
375
1 Executive
Summary
375
2 Erfolgsgeschichten 377
3 Optimierung von Nichtstandardproblemen mit
Multiagentensystemen (MAS): Status
quo
387
ЗЛ
Agentensysteme 388
3.2 Strategienverbund 389
4 Stärken/Schwächen-Analyse, Herausforderungen 393
4.1 Praxisgegebenheiten 394
4.2 Neue Optimierungsstrategien/ Algorithmisierung 395
4.3 Erweiterung der mathematischen Grundlagen für Ingenieure 395
5 Visionen und Handlungsempfehlungen 396
6 Literatur 397
> Objektorientierte Modellierung zur Simulation und Regelung
von Energiewandlungsprozessen
Dirk Abel 401
1 Einführung und Übersicht 401
2 Anwendung im Kraftwerksbereich: Projekt
0XYC0AL-AC
402
2.1 Projektziele und -erfordemisse 402
2.2 Objektorientierte Modellierung von Kraftwerksprozessen 403
2.3 Objektorientierte Modellierung des OXYCOAL-Kraftwerks 405
2.4 Ergebnisse 408
2.5 Fazit 411
3 Anwendung im Bereich der Verbrennungsmotoren 411
3.1 Modellbasierte Regelungen im Verbrennungsmotor 411
3.2 Aufbau der Regelstrecke 412
3.3 Vergleich zwischen objektorientierter und signalorientierter
Modellierung am Beispiel von Luftpfadkomponenten 414
3.4 Fazit 419
4 Resümee 420
5 Literatur 420
> Planungswerkzeuge für energieeffiziente Gebäude
Dirk Müller 423
1 Excecutive
Summary
423
2 Entwicklung eines neuen Kühlsystems mit Hilfe einer
thermohydraulischen Gebäudesimulation 424
2.1 Einsatz der objektorientierten Programmiersprache
Modélica
425
2.2 Ausbau eines komplexen Simulationsmodells 425
2.3 Ergebnisse der Berechnungen 428
3 Stärken/Schwächen-Analyse, Herausforderungen 430
4 Visionen und Handlungsempfehlungen 431
5 Literatur 431
MEDIZIN
> Mehr Mathematik wagen in der Medizin
Peter Deuflhard, Olaf Dössel, Alfred K. Louis und Stefan Zachow 435
1 Executive
Summary
435
2 Mathematik in der medizinischen Bildgebung 435
2.1 Geschichte eines Erfolges 435
2.2 Mathematik als Innovationsfaktor 439
2.3 Perspektive: Neue Bildgebungsmethoden 439
3 Mathematik in der
Kardiologie
und der Herzchirurgie 443
3.1 Erfolgsgeschichten: EKG und Biosignalverarbeitung 443
3.2 Mathematik als Innovationsfaktor 444
3.3 Perspektive: das virtuelle Herz 445
4 Mathematik in der Therapie-und Operationsplanung 449
4.1 Erfolgsgeschichte: MKG-Chirurgie 449
4.2 Mathematik als Innovationsfaktor 450
4.3 Perspektive: der virtuelle Patient 456
5 Visionen und Handlungsempfehlungen 456
6 Literatur 457
> Wirkstoffe, Medikamente und mathematische Bildverarbeitung
Günter J. Bauer, Dirk A. Lorenz, Peter Maass, Hartwig Preckel
und Dennis
Trede
461
1 Executive
Summary:
Vom Bild zum Medikament 461
2 Erfolgsgeschichten 463
2.1 Automatische Analyse von Zellbildern im High-Content-
High-Throughput-Screening 465
2.2 Statistische Auswertung der Daten 467
3 Status Quo: Mathematische Methoden für die
High-Content-High-Throughput-Analyse 469
3.1 Parameteroptimierung und
Inverse
Probleme 469
3.2 Verbesserte Zellsegmentierung 472
4 Stärken/Schwächen-Analyse: Das Dilemma disziplinären Denkens 473
5 Visionen und Handlungsempfehlungen 474
5.1 Konkrete Herausforderungen 474
5.2 Kooperation 475
6 Literatur 475
> Autorenverzeichnis 479
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