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Extending the Programming Language XL to Combine Graph Structures with Ordinary Differential Equations

dc.contributor.advisorKurth, Winfried Prof. Dr.de
dc.contributor.authorHemmerling, Reinhardde
dc.date.accessioned2012-04-13T15:50:07Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T13:23:20Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:59Zde
dc.date.issued2012-04-13de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-000D-F061-Fde
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2543
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2543
dc.description.abstractDas 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.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de
dc.titleExtending the Programming Language XL to Combine Graph Structures with Ordinary Differential Equationsde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedErweiterung der Programmiersprache XL zur Kopplung von Graphstrukturen mit gewöhnlichen Differentialgleichungende
dc.contributor.refereeKurth, Winfried Prof. Dr.de
dc.date.examination2012-04-13de
dc.subject.dnb004 Informatikde
dc.subject.gokAHG 000de
dc.description.abstractengNatural 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.coRefereeSchaback, Robert Prof. Dr.de
dc.contributor.thirdRefereeCournède, Paul-Henry Prof. Dr.de
dc.subject.topicMathematics and Computer Sciencede
dc.subject.gerODEde
dc.subject.gerDifferentialgleichungde
dc.subject.gernumerische Integrationde
dc.subject.gerL-systemde
dc.subject.gerXLde
dc.subject.gerGroIMPde
dc.subject.gerGraphgrammatikde
dc.subject.engODEde
dc.subject.engdifferential equationde
dc.subject.engnumerical integrationde
dc.subject.engL-systemde
dc.subject.engXLde
dc.subject.engGroIMPde
dc.subject.bk54.53de
dc.subject.bk54.76de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-3481-1de
dc.identifier.purlwebdoc-3481de
dc.affiliation.instituteMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultätende
dc.identifier.ppn72021680Xde


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