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Computational steering is an interactive remote control of a long running application. The user can adopt it to adjust the simulation parameters on the fly. Correspondingly, simulation of large scale biochemical networks is computationally expensive, particularly stochastic and hybrid simulation. Such extremely intensive computations necessitate an interactive mechanism to permit users to try different paths and ask simultaneously "what-if" questions while the simulation is in progress. Furthermore, with the progress of computational modelling and the simulation of biochemical networks, there is a need to manage multi-scale models, which may contain species or reactions at different scales (called also stiff systems). In this context, Petri nets are of considerable importance in the modelling and analysis of biochemical networks, since they provide an intuitive visual representation of reaction networks. The contributions of this thesis are twofold: firstly, we introduce the definition and present simulation algorithms of Generalised Hybrid Petri Nets (GHPNbio) to represent and simulate stiff biochemical networks where fast reactions are represented and simulated continuously, while slow reactions are carried out stochastically. GHPNbio provide rich modelling and simulation functionalities by combining all features of Continuous Petri Nets (CPN) and Extended Stochastic Petri Nets (XSPN), including three types of deterministic transitions. Moreover, the partitioning of the reaction networks can either be done off-line before the simulation starts or on-line while the simulation is in progress. Secondly, we introduce a novel framework which combines Petri nets and computational steering for the representation and interactive simulation of biochemical networks. The main merits of the framework proposed in this thesis are: the tight coupling of simulation and visualisation, distributed; collaborative; and interactive simulation, and intuitive representation of biochemical networks by means of Petri nets. Generalised hybrid Petri nets and computational steering will together provide an invaluable tool for systems biologists to help them to obtain a deeper system level understanding. GHPNbio speed up the simulation and simultaneously preserve accuracy, while computational steering enables users of different background to share, collaborate and interactively simulate biochemical models. Finally, the implementation of the proposed framework is given as part of Snoopy - a tool to design and animate/simulate hierarchical graphs, among them qualitative, stochastic, continuous and hybrid Petri nets.
Gekoppelte fluidmechanische Modelle für Desinfektionsvorgänge und deren Effizienz in UV-Reaktoren
(2005)
Ziel der Dissertation ist es, mikrobiologische, biophysikalische, optische und fluidmechanische Ansätze von einem theoretischen Standpunkt derart zu vereinen, dass für den betreffenden Anwendungsfall mit einem durchgängigen Rechengang der optimale UV-Reaktor dimensioniert werden kann. Ein solches die Einzeldisziplinen verbindendes Modell erhält die Bezeichnung Gekoppeltes Fluidmechanisches Modell (GFM) bzw. wenn weitere Gesichtspunkte eine Rolle spielen Gekoppelte Fluidmechanische Modelle. Dieses Ziel wurde durch die Formulierung und die Aufstellung der entsprechenden Gleichungssysteme erreicht. Für diesen Zweck wurden aufbauend auf dem Erkenntnisstand der Einzeldisziplinen die adäquaten Ergebnisse und Modellansätze ausgewählt und mathematisch erprobt. Eine repräsentative Auswahl der derzeit in der Bundesrepublik Deutschland seitens der Industrie verwendeten UV-Reaktorkonstruktionen wurden untersucht und bewertet. Die im Rahmen der Arbeit entwickelten Gekoppelten Fluidmechanische Modelle (GFM) wurden unter dem Aspekt eines theoretischen Modellreaktors und einer konkreten technischen Anwendung (Praxisreaktor) sowie deren Erweiterung durch die Variation eines Konstruktionsparameters, in numerische Berechnungen getestet. Vorliegende meßtechnische in der Praxis des Betriebs von Schwimmbädern gewonnene Ergebnisse dienten als experimenteller Hintergrund. Der Inhalt der Arbeit ist derart aufbereitet, dass die Ansätze und Verfahrensvorschläge für die Einbindung in ein existierendes CFD-software-Paket geeignet sind oder in einer kombinierten Form genutzt und angewendet werden können (spread-sheet-Lösung). Während der Analyse wurde eine Klassifizierungsmethode entwickelt, die sich auf den technischen Details der Reaktorkonstruktionen und auf den in diesen verwendeten Plasma - Strahlungsquellen gründet.