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dc.contributor.advisor Kurth, Winfried Prof. Dr. de
dc.contributor.author Hemmerling, Reinhard de
dc.date.accessioned 2012-04-13T15:50:07Z de
dc.date.accessioned 2013-01-18T13:23:20Z de
dc.date.available 2013-01-30T23:50:59Z de
dc.date.issued 2012-04-13 de
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-000D-F061-F de
dc.description.abstract Das Ziel der Naturwissenschaften ist die Entdeckung von Gesetzmäßigkeiten, welche Beobachtungen erklären und vorhersagen können. Oft werden hierzu Modelle entwickelt, um aus diesen Gesetzmäßigkeiten hervorgegangene Theorien zu bestätigen oder zu widerlegen. Häufig müssen dazu auch Differentialgleichungen gelöst werden, und in den meisten Fällen kann dies nur numerisch erfolgen. Im Rahmen der Pflanzensimulation bilden Funktions-Struktur-Modelle (FSPMs) eine wichtige Rolle und vereinen eine geometrische Beschreibung der Pflanze mit funktionalen Aspekten. Zur Beschreibung der Geometrie werden oft L-Systeme verwendet. Relationale Wachstumsgrammatiken (RGGs) verallgemeinern diese auf Graphstrukturen. GroIMP (http://sf.net/projects/groimp) ist eine 3D-Modellierungssoftware, welche hauptsächlich zur Simulation von FSPMs entwickelt wurde. Ein Hauptbestandteil von GroIMP ist ein Kompiler für die Programmiersprache XL, welche Java um die Möglichkeit der Spezifikation von Graphersetzungsregeln erweitert. Funktionale Aspekte eines FSPMs werden meist durch gewöhnlichen Java-Code umgesetzt. Häufig können die in Modellen vorkommenden Prozesse, wie Photosynthese oder Nährstofftransport, durch gewöhnliche Differentialgleichungen (ODEs) beschrieben werden. Diese wurden dann meist als Teil der Regelanwendungen implementiert, was der numerischen Lösung mit dem expliziten Euler-Verfahren entspricht und so den Modellierer mit numerischen Instabilitäten und geringer Genauigkeit konfrontiert. Der Nutzung verbesserter numerischer Lösungsverfahren steht eine höhere Komplexität (hinsichtlich der Speicherverwaltung, insbesondere die Abbildung der Attribute der Knoten in einer sich dynamisch verändernden Struktur auf den Zustandsvektor) entgegen und ist demzufolge anfällig für Anwenderfehler. Die in dieser Arbeit vorgestellte Lösung versucht den Modellierer bei der Anwendung erweiterter numerischer Verfahren zu unterstützen, indem die Sprache XL um einen speziellen Ratenzuweisungsoperator erweitert wird. Während der Kompilierung des XL-Programms können dadurch die benötigten Informationen gesammelt werden, durch welche die Speicherverwaltung automatisiert werden kann. Hierbei werden auch Fälle berücksichtigt, bei denen die Attribute der Knoten über eine Klassenhierarchie verteilt sind. Dies vereinfacht die Spezifikation und Lösung von ODEs auf Graphen für den Anwender. Entsprechende XL-Programme sehen den ursprünglich von Anwendern entwickelten Programmen sehr ähnlich, aber mit dem Vorteil, daß nun andere numerische Lösungsverfahren verwendet und auch leicht ausgetauscht werden können. de
dc.format.mimetype application/pdf de
dc.language.iso eng de
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/ de
dc.title Extending the Programming Language XL to Combine Graph Structures with Ordinary Differential Equations de
dc.type doctoralThesis de
dc.title.translated Erweiterung der Programmiersprache XL zur Kopplung von Graphstrukturen mit gewöhnlichen Differentialgleichungen de
dc.contributor.referee Kurth, Winfried Prof. Dr. de
dc.date.examination 2012-04-13 de
dc.subject.dnb 004 Informatik de
dc.subject.gok AHG 000 de
dc.description.abstracteng Natural sciences try to discover laws that allow to explain and predict observations. Often, models are created with the purpose to verify or falsify proposed theories, which are based on these laws and certain other assumptions. This frequently involves the solution of differential equations, and in many cases this can only be done numerically. In the context of plant simulation, functional-structural plant models (FSPMs) combine a simulated structure (3D geometry) with functional aspects (physiology of the plant). L-systems are often used to describe the structural development of plants. Relational graph grammars (RGGs) are a generalization to graph structures. GroIMP (http://sf.net/projects/groimp) is a 3D modelling software, which was developed mainly for the simulation of FSPMs. A core part of GroIMP is a compiler for the programming language XL, which is based on Java and extends it by the ability to specify graph rewriting rules. Functional aspects of such FSPMs were traditionally described by ordinary Java code. However, frequently the functional aspects of such models are biological processes like photosynthesis or transport of nutrients that can be described by ordinary differential equations (ODEs). Often these equations were solved as part of the rewriting step, resulting in a forward Euler integration, with numerical issues like instability and a low accuracy. Usage of improved numerical methods is possible, but can result in a high complexity (concerning memory management issues when mapping node attributes to the state vector) and thus is prone to errors. The solution proposed in this thesis aims to assist the user in the application of advanced numerical methods by the introduction of a special rate assignment operator into the language XL. During compilation of a XL program this allows to extract the necessary information to automatize the memory management issues, including cases when node attributes are distributed over class hierarchies. This simplifies ODE solution to the user, in fact the code to specify ODEs looks very similar to what users unintentionally wrote before, but with the added benefit of being able to easily switch to another integration method. de
dc.contributor.coReferee Schaback, Robert Prof. Dr. de
dc.contributor.thirdReferee Cournède, Paul-Henry Prof. Dr. de
dc.subject.topic Mathematics and Computer Science de
dc.subject.ger ODE de
dc.subject.ger Differentialgleichung de
dc.subject.ger numerische Integration de
dc.subject.ger L-system de
dc.subject.ger XL de
dc.subject.ger GroIMP de
dc.subject.ger Graphgrammatik de
dc.subject.eng ODE de
dc.subject.eng differential equation de
dc.subject.eng numerical integration de
dc.subject.eng L-system de
dc.subject.eng XL de
dc.subject.eng GroIMP de
dc.subject.bk 54.53 de
dc.subject.bk 54.76 de
dc.identifier.urn urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-3481-1 de
dc.identifier.purl webdoc-3481 de
dc.affiliation.institute Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultäten de
dc.identifier.ppn 72021680X de

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