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Abstract Geant4 is a toolkit for simulating the passage of particles through matter. It includes a complete range of functionality including tracking, geometry, physics models and hits. The physics processes offered cover a comprehensive range, including electromagnetic, hadronic and optical processes, a large set of long-lived particles, materials and elements, over a wide energy range starting, in some cases, from 250 eV and extending in others to the TeV energy range. It has been designed and constructed to expose the physics models utilised, to handle complex geometries, and to enable its easy adaptation for optimal use in different sets of applications. The toolkit is the result of a worldwide collaboration of physicists and software engineers. It has been created exploiting software engineering and object-oriented technology and implemented in the C++ programming language. It has been used in applications in particle physics, nuclear physics, accelerator design, space engineering and medical physics. PACS: 07.05.Tp; 13; 23
Dieser Arbeit war zum Ziel gesetzt, Methoden zur Simulation von neuronalen Prozessen zu entwickeln, zu implementieren, einzusetzen und zu vergleichen. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf der Frage, wo eine volle räumliche Auflösung der Modelle benötigt wird und wo darauf zugunsten von vereinfachenden niederdimensionalen Modellen, die wesentlich weniger Ressourcen und mathematischen Sachverstand erfordern, verzichtet werden kann. Außerdem wurde speziell bei der Beschreibung der verschiedenen Modelle für die Elektrik der Nervenzellen das Anliegen verfolgt, deren Zusammenhänge und die Natur vereinfachender Annahmen herauszuarbeiten, um deutlich zu machen, an welchen Stellen Probleme bei der Benutzung der weniger komplexen Modelle auftreten können.
In etlichen Beispielen wurde daraufhin untersucht, inwieweit die Vereinfachung auf ein eindimensionales Kabelmodell sowie der Verzicht auf die Betrachtung einzelner Ionensorten die realistische Darstellung der zellulären Elektrik beeinträchtigen können. Dabei stellte sich heraus, dass alle betrachteten Modelle für das rein elektrische Verhalten der Neuronen im Wesentlichen dieselben Ergebnisse liefern, weshalb zu dessen Simulation in den allermeisten Fällen ein 1D-Kabelmodell völlig ausreichend und angezeigt sein dürfte.
Nur wenn Größen von Interesse sind, die in diesem Modell nicht erfasst werden, etwa das Außenraumpotential oder die Ionenkonzentrationen, muss auf genauere Modelle zurückgegriffen werden. Außerdem ist in einer Konvergenzstudie exemplarisch vorgeführt worden, dass bereits eine recht grobe Darstellung der zugrundeliegenden Rechengitter genügt, um korrekte Ergebnisse bei der Simulation der rein elektrischen Signale sicherzustellen.
In scharfem Kontrast steht hierzu die Simulation von einzelnen Ionen-Dynamiken. Bereits in der Untersuchung des Poisson-Nernst-Planck-Modells für das Membranpotential erwies sich, dass für eine korrekte Simulation der diffusiven Anteile der Ionenbewegung wesentlich feinere Gitter benötigt werden.
Noch viel deutlicher wurde dies in Simulationen von Calcium-Wellen in Dendriten, wo -- neben anderen Einsichten -- aufgezeigt werden konnte, dass nicht nur eine feine axiale
(und Zeit-) Auflösung der Dendritengeometrie zur Sicherstellung exakter Ergebnisse notwendig ist, sondern auch die räumliche Auflösung in die übrigen Dimensionen wichtig ist, weswegen eine eindimensionale Kabeldarstellung der Calcium-Dynamik erheblich fehlerbehaftet und
(jedenfalls im Zusammenhang mit Ryanodin-Rezeptorkanälen) von deren Nutzung dringend abzuraten ist. Auch die Darstellung von Kanälen als eine kontinuierliche Dichte in der Membran kann, wie darüber hinaus vorgeführt wurde, problematisch sein.
Ihre exaktere Modellierung, etwa durch Einbettung auch probabilistischer Einzelkanaldarstellungen in das räumliche Modell sollte in zukünftigen Arbeiten noch mehr thematisiert werden.
Mit Blick auf die Wiederverwendbarkeit bereits implementierter Funktionalität innerhalb dieser Arbeiten wurden spezielle Teile dieser Funktionalität hier in einem gesonderten
Kapitel genauer beschrieben. Als komplexes Beispiel für das, was simulationstechnisch bereits im Bereich des Machbaren
liegt, und gleichsam für eine Anwendung, die zeigt, wie möglichst viele der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden miteinander kombiniert werden können, wurde die
Calcium-Dynamik eines kompletten Dendriten innerhalb eines großen aktiven neuronalen Netzwerks simuliert.
Die vorliegende Dissertation behandelt die Entwicklung eines Verkehrssimulationssystems, welches vollautomatisch aus Landkarten Simulationsgraphen erstellen kann. Der Fokus liegt bei urbanen Simulationsstudien in beliebigen Gemeinden und Städten. Das zweite fundamentale Standbein dieser Arbeit ist daher die Konstruktion von Verkehrsmodellen, die die wichtigsten Verkehrsteilnehmertypen im urbanen Bereich abbilden. Es wurden Modelle für Autos, Fahrräder und Fußgänger entwickelt.
Die Betrachtung des Stands der Forschung in diesem Bereich hat ergeben, dass die Verknüpfung von automatischer Grapherstellung und Modellen, die die Wechselwirkungen der verschiedenen Verkehrsteilnehmertypen abbilden, von keinem vorhandenen System geleistet wird. Es gibt grundlegend zwei Gruppen von Verkehrssimulationssystemen. Zum Einen existieren Systeme, die hohe Genauigkeiten an Simulationsergebnissen erzielen und dafür exakte (teil-)manuelle Modellierung der Gegebenheiten im zu simulierenden Bereich benötigen. Es werden in diesem Bereich meist Verkehrsmodelle simuliert, die die Verhaltensweisen der Verkehrsteilnehmer sehr gut abbilden und hierfür einen hohen Berechnungsaufwand benötigen. Auf der anderen Seiten existieren Simulationssysteme, die Straßengraphen automatisch erstellen können, darauf jedoch sehr vereinfachte Verkehrsmodelle simulieren. Es werden meist nur Autobewegungen simuliert. Der Nutzen dieser Herangehensweise ist die Möglichkeit, sehr große Szenarien simulieren zu können.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein System mit Eigenschaften beider grundlegenden Ansätze entwickelt, um multimodalen innerstädtischen Verkehr auf Basis automatisch erstellter Straßengraphen simulieren zu können. Die Entwicklung eines neuen Verkehrssimulationssystems erschien notwendig, da sich zum Zeitpunkt der Literaturbetrachtung kein anderes vorhandenes System für die Nutzung zur Erfüllung der genannten Zielstellung eignete. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte System heißt MAINSIM (MultimodAle INnerstädtische VerkehrsSIMulation).
Die Simulationsgraphen werden aus Kartenmaterial von OpenStreetMap extrahiert. Kartenmaterial wird zuerst in verschiedene logische Layer separiert und anschließend zur Bestimmung eines Graphen des Straßennetzes genutzt. Eine Gruppe von Analyseschritten behebt Ungenauigkeiten im Kartenmaterial und ergänzt Informationen, die während der Simulation benötigt werden (z.B. die Verbindungsrichtung zwischen zwei Straßen). Das System verwendet Geoinformationssystemkomponenten zur Verarbeitung der Geodaten. Dies birgt den Vorteil der einfachen Erweiterbarkeit um weitere Datenquellen.
Die Verkehrssimulation verwendet mikroskopische Verhaltensmodelle. Jeder einzelne Verkehrsteilnehmer wird somit simuliert. Das Modell für Autos basiert auf dem in der Verkehrsforschung weit genutzten Nagel-Schreckenberg-Modell. Es verfügt jedoch über zahlreiche Modifikationen und Erweiterungen, um das Modell auch abseits von Autobahnen nutzen zu können und weitere Verhaltensweisen zu modellieren. Das Fahrradmodell entsteht durch geeignete Parametrisierung aus dem Automodell. Zur Entwicklung des Fußgängermodells wurde Literatur über das Verhalten von Fußgängern diskutiert, um daraus geeignete Eigenschaften (z.B. Geschwindigkeiten und Straßenüberquerungsverhaltensmuster) abzuleiten. MAINSIM ermöglicht folglich die Betrachtung des Verkehrsgeschehens auch aus der Sicht der Gruppe der Fußgänger oder Fahrradfahrer und kann deren Auswirkungen auf den Straßenverkehr einer ganzen Stadt bestimmen.
Das Automodell wurde auf Autobahnszenarien und innerstädtischen Straßengraphen evaluiert. Es konnte die gut verstandenen Zusammenhänge zwischen Verkehrsdichte, -fluss und -geschwindigkeit reproduzieren. Zur Evaluierung von Fahrradmodellen liegen nach dem besten Wissen des Autors keine Studien vor. Daher wurden an dieser Stelle der Einfluss der Fahrradfahrer auf den Straßenverkehr und die von Fahrrädern gefahrenen Geschwindigkeiten untersucht. Das Fußgängermodell konnte die aus der Literaturbetrachtung ermittelten Verhaltensweisen abbilden.
Nachdem die wichtigsten Komponenten von MAINSIM untersucht wurden, begannen Fallstudien, die verschiedene Gebiete abdecken. Die wichtigsten Ergebnisse aus diesem Teil der Arbeit sind:
- Es ist möglich, mit Hilfe maschineller Lernverfahren Staus innerhalb Frankfurts vorherzusagen.
- Nonkonformismus bezüglich der Verkehrsregeln kann je nach Verhalten den Verkehrsfluss empfindlich beeinflussen, kann aber auch ohne Effekt bleiben.
- Mit Hilfe von Kommunikationstechniken könnte in der Zukunft die Routenplanung von Autos verbessert werden. Ein Verfahren auf Basis von Pheromonspuren wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht.
- MAINSIM eignet sich zur Simulation großer Szenarien. In der letzten Fallstudie dieser Arbeit wurde der Autoverkehr eines Simulationsgebietes um Frankfurt am Main herum mit ca. 1,6 Mio. Trips pro Tag simuliert. Da MAINSIM über ein Kraftstoffverbrauchs- und CO2-Emissionsmodell verfügt, konnten die CO2-Emissionen innerhalb von Frankfurt ermittelt werden. Eine angekoppelte Simulation des Wetters mit Hilfe einer atmosphärischen Simulation zeigte, wie sich die Gase innerhalb Frankfurts verteilen.
Für den professionellen Einsatz in der Verkehrsforschung muss das entwickelte Simulationssystem um eine Methode zur Kalibrierung auf Sensordaten im Simulationsgebiet erweitert werden. Die vorhandenen Ampelschaltungen bilden nicht reale Ampeln ab. Eine Erweiterung des Systems um die automatische Integrierung maschinell lesbarer Schaltpläne von Ampeln im Bereich des Simulationsgebietes würde die Ergebnisgüte weiter erhöhen.
MAINSIM hat mehrere Anwendungsgebiete. Es können sehr schnell Simulationsgebiete modelliert werden. Daher bietet sich die Nutzung für Vorabstudien an. Wenn große Szenarien simuliert werden müssen, um z.B. die Verteilung der CO2-Emissionen innerhalb einer Stadt zu ermitteln, kann MAINSIM genutzt werden. Es hat sich im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass Fahrräder und Fußgänger einen Effekt auf die Mengen des Kraftstoffverbrauchs von Autos haben können. Es sollte bei derartigen Szenarien folglich ein Simulationssysytem genutzt werden, welches die relevanten Verkehrsteilnehmertypen abbilden kann. Zur Untersuchung weiterer wissenschaftlicher Fragestellungen kann MAINSIM beliebig erweitert werden.
Simulationsmodelle
(2016)
Mit der Entwicklung elektronischer Computer in den 1940er Jahren und höheren Programmiersprachen in den 1950er Jahren hält ein neuer Modelltyp Einzug in die Wissenschaften: Simulationsmodelle. Bekannteste Vertreter sind wohl Klima- und Wettermodelle, die mittlerweile Teil der Alltagskultur geworden sind. Kaum eine Natur- oder Technikwissenschaft kommt heute noch ohne Simulationsmodelle aus und neben der traditionellen Einteilung in Theorie und Empirie fügt sich die Simulation als 'dritte Methode' im Rahmen von 'Computational Departments' in die Wissenschaftslandschaft ein. Dabei ist der Begriff des Simulierens durchaus nicht eindeutig definiert. In einem weiten Sinne kann er im wissenschaftlichen Kontext für jegliche Form des Nachahmens und Imitierens verwendet werden: ein Crashtest im Labor simuliert einen Autounfall, ein Schiffsmodell im Strömungskanal bildet maßstabsgerecht ein Containerschiff nach und ein Ball-Stick-Model imitiert ein Molekül. Dennoch hat sich im wissenschaftlichen Kontext der Begriff des Simulierens auf die Computersimulation zentriert und in unterschiedliche Subkategorien ausdifferenziert:
– deterministische Simulationen basierend auf Differentialgleichungen
– stochastische Simulationen basierend auf stochastischen Differentialgleichungen oder
Zufallsläufeerzeugungsmethoden wie der Monte-Carlo-Simulation
– ereignisbasierte Simulationen, in denen bestimmte Ereignisse andere Ereignisse auslösen
– sogenannte 'Soft Computing'-Methoden wie Agentenbasierte Simulationen, Genetische
Programmierung, Evolutionäre Algorithmen oder Neuronale Netze.
Im vorliegenden Zusammenhang soll der Begriff des Simulierens jedoch einzig auf deterministische Simulationen bezogen werden. Diese Simulationsart ist nicht nur die weitest verbreitete in den Natur- oder Technikwissenschaften, sie ist auch die älteste und damit klassische Form der Simulation.
Innovative automated execution strategies like Algorithmic Trading gain significant market share on electronic market venues worldwide, although their impact on market outcome has not been investigated in depth yet. In order to assess the impact of such concepts, e.g. effects on the price formation or the volatility of prices, a simulation environment is presented that provides stylized implementations of algorithmic trading behavior and allows for modeling latency. As simulations allow for reproducing exactly the same basic situation, an assessment of the impact of algorithmic trading models can be conducted by comparing different simulation runs including and excluding a trader constituting an algorithmic trading model in its trading behavior. By this means the impact of Algorithmic Trading on different characteristics of market outcome can be assessed. The results indicate that large volumes to execute by the algorithmic trader have an increasing impact on market prices. On the other hand, lower latency appears to lower market volatility.
Serial correlation in dynamic panel data models with weakly exogenous regressor and fixed effects
(2005)
Our paper wants to present and compare two estimation methodologies for dynamic panel data models in the presence of serially correlated errors and weakly exogenous regressors. The ¯rst is the ¯rst di®erence GMM estimator as proposed by Arellano and Bond (1991) and the second is the transformed Maximum Likelihood Estimator as proposed by Hsiao, Pesaran, and Tahmiscioglu (2002). Thereby, we consider the ¯xed e®ects case and weakly exogenous regressors. The ¯nite sample properties of both estimation methodologies are analysed within a simulation experiment. Furthermore, we will present an empirical example to consider the performance of both estimators with real data. JEL Classification: C23, J64
Molecular dynamics (MD) simulation serves as an important and widely used computational tool to study molecular systems at an atomic resolution. No experimental technique is capable of generating a complete description of the dynamical structure of the biomolecules in their native solution environment. MD simulations allow us to study the dynamics and structure of the system and, moreover, helps in the interpretation of experimental observations. MD simulation was first introduced and applied by Alder and Wainwright in 1957 \cite{Alder57}. However, the first MD simulation of a macromolecule of biological interest was published 28 years ago \cite{McCammon77}. The simulation was concerned with the bovine pancreatic trypsin inhibitor (BPTI) protein, which has served as the hydrogen molecule'' of protein dynamics because of its small size, high stability, and relatively accurate X-ray structure available in 1977 \cite{Deisenhofer75}. This method is now widely used to tackle larger and more complex biological systems \cite{Groot01,Roux02} and has been facilitated by the development of fast and efficient methods for treating the long-range electrostatic interactions \cite{Essmann95}, the availability of faster parallel computers, and the continuous development of empirical molecular mechanical force fields \cite{Langley98,Cheatham99,Foloppe00}. It took several years until the first MD simulations of nucleic acid systems were performed \cite{Levitt83,Tidor83,Prabhakaran83,Nilsson86}. These investigations, which were also performed in vacuo, clearly demonstrated the importance of proper handling of electrostatics in a highly charged nucleic acid system, and different approaches, such as reduction of the phosphate charges and addition of hydrated counterions, have been applied to remedy this shortcoming and to maintain stable DNA structures. A few years later, the first MD simulation of a DNA molecule, including explicit water molecules and counterions was published \cite{Seibel85}. Various MD simulations on fully solvated RNA molecules with explicit inclusion of mobile ions indicated the importance of proper treatment of the environment of highly charged nucleic acids \cite{Lee95,Zichi95,Auffinger97,Auffinger99}. Given the central roles of RNA in the life of cells, it is important to understand the mechanism by which RNA forms three dimensional structures endowed with properties such as catalysis, ligand binding, and recognition of proteins. Furthermore, the increasing awareness of the essential role of RNA in controlling viral replication and in bacterial protein synthesis emphazises the potential of ribonucleicacids as targets for developing new antibacterial and new antiviral drugs. Driven by fruitful collaborations in the Sonderforschungsbereich RNA-Ligand interactions" the model RNA systems in this study include various RNA tetraloops and HIV-1 TAR RNA. For the latter system, the binding sites of heteroaromatic compounds have been studied employing automated docking calculations \cite{Goodsell90}. The results show that it is possible to use this tool to dock small rigid ligands to an RNA molecule, while large and flexible molecules are clearly problematic. The main part of this work is focused on MD simulations of RNA tetraloops.
Estimating power in (generalized) linear mixed models: An open introduction and tutorial in R
(2021)
Mixed-effects models are a powerful tool for modeling fixed and random effects simultaneously, but do not offer a feasible analytic solution for estimating the probability that a test correctly rejects the null hypothesis. Being able to estimate this probability, however, is critical for sample size planning, as power is closely linked to the reliability and replicability of empirical findings. A flexible and very intuitive alternative to analytic power solutions are simulation-based power analyses. Although various tools for conducting simulation-based power analyses for mixed-effects models are available, there is lack of guidance on how to appropriately use them. In this tutorial, we discuss how to estimate power for mixed-effects models in different use cases: first, how to use models that were fit on available (e.g. published) data to determine sample size; second, how to determine the number of stimuli required for sufficient power; and finally, how to conduct sample size planning without available data. Our examples cover both linear and generalized linear models and we provide code and resources for performing simulation-based power analyses on openly accessible data sets. The present work therefore helps researchers to navigate sound research design when using mixed-effects models, by summarizing resources, collating available knowledge, providing solutions and tools, and applying them to real-world problems in sample sizing planning when sophisticated analysis procedures like mixed-effects models are outlined as inferential procedures.
A basic introduction to RFQs has been given in the first part of this thesis. The principle and the main ideas of the RFQ have been described and a small summary of different resonator concepts has been given. Two different strategies of designing RFQs have been introduced. The analytic description of the electric fields inside the quadrupole channel has been derived and the limitation of these approaches were shown. The main work of this thesis was the implementation and analysis of a Multigrid Poisson solver to describe the potential and electric field of RFQs which are needed to simulate the particle dynamics accurately. The main two ingredients of a Multigrid Poisson solver are the ability of a Gauß-Seidel iteration method to smooth the error of an approximation within a few iteration steps and the coarse grid principle. The smoothing corresponds to a damping of the high frequency components of the error. After the smoothing, the error term can well be approximated on a coarser grid in which the low frequency components of the error on the fine grid are converted to high frequency errors on the coarse grid which can be damped further with the same Gauß-Seidel method. After implementation, the multigrid Poisson solver was analyzed using two different type of test problems: with and without a charge density. After illustrating the results of the multigrid Poisson solver, a comparison to the field of the old multipole expansion method was made. The multipole expansion method is an accurate representation of the field within the minimum aperture, as limited by cylindrical symmetry. Within these limitations the multigrid Poisson solver and the multipole expansion method agree well. Beyond the limitation the two method give different fields. It was shown that particles leave the region in which the multipole expansion method gives correct fields and that the transmission is affected therefrom as well as the single particle dynamic. The multigridPoisson solver also gives a more realistic description of the field in the beginning of the RFQ, because it takes the tank wall into account, and this effect is shown as well. Closing the analysis of the external field, the transmission and fraction of accelerated particles of the set of 12 RFQs for the two different methods were shown. For RFQs with small apertures and big modulations the two different method give different values for the transmission due to the limitation of the multipole expansion method. The internal space charge fields without images was analyzed at the level of single particle dynamic and compared to the well known SCHEFF routine from LANL, showing major differences for the analyzed particle. For comparing influences on the transmissions of the set of 12 RFQs a third space charge routine (PICNIC) was considered as well. The basic shape of the transmission curve was the same independent of space charge routines, but the absolute values differ a little from routine to routine, with SCHEFF about 2% lower than the other routines. The multigrid Poisson solver and PICNIC agree quite well (less than 1%), but PICNIC has an extremely long running time. The major advantage of the multigrid Poisson solver in calculating space charge effects compared to the other two routines used here is that the Poisson solver can take the effect of image charges on the electrodes into account by just changing the boundaries to have the shape of the vanes whereas all other settings remain unchanged. It was demonstrated that the effect of image charges on the vanes on the space charge field is very big in the region close to the electrodes. Particles in that region will see a stronger transversely defocusing force than without images. The result is that the transmission decreases by as much as 10% which is considerably more than determined by other (inexact) routines before. This is an important result, because knowing about the big effect of image charges on the electrodes it allows it to taken into account while designing the RFQ to increase the performance of the machine. It is also an important factor in resolving the traditional difference observed between the transmission of actual RFQs and the transmission predicted by earlier simulations. In the last chapter of this thesis some experimental work on the MAFF (Munich Accelerator for Fission Fragments) IH-RFQ is described. The machine was assembled in Frankfurt and a beam test stand was built. The shunt impedance of the structure was measured using different techniques, the output energy of the structure were measured and finally its transmission was determined and compared to the beam dynamics simulations of the RFQ. Unfortunately, the transmission measurements were done without exact knowledge of the beam’s emittance. So the comparison to the simulation is somewhat rough, but with a reasonable guess of the emittance a good comparison between the measurement and simulation was obtained.
Waldwachstumsmodelle sind ein ideales Werkzeug, um Auswirkungen veränderter Umweltbedingungen auf das Wachstum der Bäume aufzuzeigen. Ziel des Teilprojektes „Waldwachstumsreaktionen und Systemprozesse“ im Rahmen von ENFORCHANGE war, durch die Kombination von Wachstumsmodellen mit unterschiedlichen methodischen Ansätzen regionale Auswirkungen standörtlicher und klimatischer Veränderungen auf die Waldentwicklung zu analysieren und somit bessere Grundlagen für eine angepasste Forstbetriebsplanung zu schaffen. Anhand des physiologischen Wachstumsmodells BALANCE wurde der Einfluss der prognostizierten Klimaänderungen auf das Wachstum der Bäume abgeschätzt. Die für verschiedene Baumarten und regionaltypische Bestände gewonnenen Reaktionsmuster konnten anschließend in das managementorientierte Wachstumsmodell SILVA übertragen werden. Die Entwicklung repräsentativer Waldbestände wurde in SILVA für einen Zeitraum von 30 Jahren simuliert, wobei verschiedene Nutzungsszenarien untersucht wurden, um Handlungsspielräume und mögliche strategische Planungen für Forstbetriebe aufzuzeigen. Die gewonnenen Erkenntnisse für die praktische Betriebsplanung wurden am Beispiel des kommunalen Forstbetriebes Zittau dargestellt. Es wird deutlich, wie die Forstplanung von derartigen Szenarioanalysen profitieren kann. Die Simulationsrechnungen unter Annahme geänderter Klimaverhältnisse zeigen, dass die Bestände unter diesen Bedingungen ein verringertes Reaktionsvermögen auf waldbauliche Maßnahmen aufweisen, was insbesondere bei den Zuwächsen bemerkbar ist. Dabei haben Laubholzbestände, die bereits jetzt auf 27% der Betriebsfläche stocken, vermutlich eine Pufferwirkung und mildern die Auswirkungen der Klimaänderungen auf die Produktivität des Gesamtbetriebes ab.