Produktionsfaktor Mathematik: Wie Mathematik Technik und Wirtschaft Bewegt

469 Pages·2009·11.303 MB·German

by  acatech-Mitglied Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Martin Grötschel (auth.), Prof. Dr. Drs. h.c. Martin Grötschel, Prof. Dr.-Ing. Klaus Lucas, Prof. Dr. Volker Mehrmann (eds.)

acatechDISKUTIERT
> PRODUKTIONSFAKTOR MATHEMATIK
WIE MATHEMATIKTECHNIK UND WIRTSCHAFT BEWEGT
MARTIN GRÖTSCHEL,KLAUSLUCASUND VOLKERMEHRMANN
(Hrsg.)
Prof.Dr.Drs.h.c.MartinGrötschel Prof.Dr.-Ing.KlausLucas
Konrad-Zuse-Zentrumfür LehrstuhlfürTechnischeThermodynamik
InformationstechnikBerlin(ZIB) derRWTH-Aachen
Takustraße7 52056Aachen
14195Berlin
Prof.Dr.VolkerMehrmann
TechnischeUniversitätBerlin
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Straßedes17.Juni136
10623Berlin
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ISBN978-3-540-89434-6 e-ISBN978-3-540-89435-3
ISSN1861-9924
DOI10.1007/978-3-540-89435-3
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MathematicsSubjectsClassification(2000):00-99,00A69
©acatech–DeutscheAkademiederTechnikwissenschaften,Springer-VerlagBerlinHeidelberg2009
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usw.indiesemWerkberechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNa-
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jedermannbenutztwerdendürften.
Koordination:Dr.AndreasMöller
Layout-undUmschlagkonzeption:klink,liedigwerbeagenturgmbh,München
Umschlaggestaltung:WMXDesignGmbH,Heidelberg
KonvertierungundSatz:ChristophEyrich,Berlin
GedrucktaufsäurefreiemPapier
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acatechDISKUTIERT
> PRODUKTIONSFAKTOR MATHEMATIK
WIE MATHEMATIKTECHNIK UND WIRTSCHAFT BEWEGT
MARTIN GRÖTSCHEL,KLAUSLUCASUND VOLKERMEHRMANN
(Hrsg.)
> INHALT
> Vorwort 15
> Einführung
MartinGrötschel,KlausLucasundVolkerMehrmann 17
PROZESSE
> Vorausschauendplanen,gezielthandeln–
ÜberdieRegelungundSteuerungtechnischerProzesse
LarsGrüne,SebastianSager,FrankAllgöwer,HansGeorgBock
undMoritzDiehl 27
1 ExecutiveSummary 27
2 EinelangeErfolgsgeschichte 28
2.1 DasStabilitätskriteriumvonHurwitz 28
2.2 DasPontrjaginscheMaximumprinzip 30
2.3 Fazit 31
3 StatusquoundaktuelleEntwicklungen:
DasBeispiel„ModellprädiktiveRegelung“ 32
3.1 EinekurzeEinführungindieSteuerungs-undRegelungstechnik 32
3.2 PrinzipdermodellprädiktivenRegelung 36
3.3 StabilitätvonMPC 39
3.4 Anwendungsbeispiele 40
3.5 DirekteOptimalsteuerungsmethoden 42
4 Herausforderungen 48
4.1 Modellierung 49
4.2 RobustheitvonLösungen,Unsicherheiten 51
4.3 WeitereHerausforderungen 53
5 VisionenundHandlungsempfehlungen 54
5.1 TheorieundPraxis 55
5.2 InterdisziplinaritätinderAusbildung 55
6 Literatur 56
INHALT
> Datenkompression,Prozessoptimierung,Aerodynamik:
EineTourdurchdieSkalen
WolfgangDahmenundWolfgangMarquardt 63
1 EinigeLeitgedanken 63
2 Erfolgsgeschichten 66
2.1 InformationsgewinnungausriesigenDatensätzen 66
2.2 Adaptivoptimiert 67
2.3 AerodynamikunterdemmathematischenMikroskop 71
3 Statusquo 74
3.1 Multiskalen-Zerlegungen:Wavelets 74
3.2 MultiskalenverfahrenzurDatenanalyse 79
3.3 LösungvonOptimalsteuerungsproblemenmitadaptiver
Waveletdiskretisierung 82
3.4 AdaptiveVerfahrenfürpartielleDifferentialgleichungender
Strömungsmechanik 86
4 Stärken/Schwächen-Analyse 93
5 VisionenundHandlungsempfehlungen 93
6 Literatur 94
> AktiveStrömungsbeeinflussung–
EinemathematischeHerausforderung
RudibertKing,VolkerMehrmannundWolfgangNitsche 99
1 ExecutiveSummary 99
2 Erfolgsgeschichten 100
3 AktiveBeeinflussungvonStrömungen,Statusquo 100
3.1 Modellierung 104
4 Stärken/Schwächen-Analyse,Herausforderungen 106
5 VisionenundHandlungsempfehlungen 107
6 Literatur 108
> Data-MiningfürdieAngebotsoptimierungimHandel
JochenGarcke,MichaelGriebelundMichaelThess 111
1 ExecutiveSummary 111
2 AngebotsoptimierungimHandel:ÜbersichtundStatusquo 112
2.1 Kampagnenoptimierung 113
2.2 Cross-undUp-Selling 115
3 Ausblick 120
4 VisionenundHandlungsempfehlungen 122
5 Literatur 123
INHALT
NETZE
> PlanungsproblemeimöffentlichenVerkehr
RalfBorndörfer,MartinGrötschelundUlrichJaeger 127
1 ExecutiveSummary 127
2 Erfolgsgeschichten 128
3 ÖV-Planungsprobleme:ÜbersichtundStatusquo 131
3.1 Betriebsplanung 132
3.2 SteuerungdesBetriebs 137
3.3 Angebotsplanung 138
3.4 Wettbewerbsbedingungen 140
4 Stärken/Schwächen-Analyse,Herausforderungen 141
4.1 RahmenbedingungenfürdenEinsatzvonMathematik 141
4.2 MathematischeModelleundAlgorithmen 145
4.3 TransferundAusbildung 148
4.4 Fazit 149
5 VisionenundHandlungsempfehlungen 150
5.1 DiskreteOptimalsteuerung:UmplanungvonVerkehrssystemenbei
StörungeninEchtzeit 150
5.2 Modellintegration:AngebotsplanungimBus-undBahnbereich 152
6 Literatur 153
> MitMathematikzumehrIntelligenzinderLogistik
RolfH.MöhringundMichaelSchenk 157
1 ExecutiveSummary 157
2 Erfolgsbeispiele 159
2.1 Logistikketten 159
2.2 Transport 160
2.3 Produktionslogistik 161
2.4 SteuerunglogistischerNetze 164
3 LogistikundMathematik:Statusquo 167
3.1 ZurEntwicklungderLogistik 167
3.2 MathematikinderLogistik 168
4 ZukünftigeHerausforderungen 170
5 VisionenundHandlungsempfehlungen 171
6 Literatur 172
INHALT
> OptimierungvonKommunikationsnetzen
JörgEberspächer,MoritzKieseundRolandWessäly 175
1 ExecutiveSummary 175
2 ObTelefonnetzoderInternet:Mathematikistimmerdabei! 176
2.1 RoutingimInternet 176
2.2 QualitätskontrolleimTelefonnetzundimInternet 178
2.3 KostenoptimierteKommunikationsnetze 179
3 Netze,PlanungundMethoden 179
3.1 NetzarchitekturundPlanungsaspekte 179
3.2 StrategischePlanung 181
3.3 TaktischePlanung 182
3.4 OperativePlanung 185
3.5 StandderMethoden:Fazit 186
4 EinflussfaktorenundHerausforderungen 187
4.1 Markteinflüsse,Wettbewerbsbedingungen,Regulierung 187
4.2 Datenverfügbarkeit 187
4.3 KonvergenzundKomplexitätderSysteme 188
4.4 PlanungsprozesseundPlanungswerkzeuge 188
4.5 ZusammenarbeitvonIndustrieundWissenschaft,Ingenieurenund
Mathematikern 189
4.6 AusgewählteHerausforderungen 190
5 Waszutunist–VorschlägeundInitiativen 193
5.1 Ausbildung 193
5.2 Wirtschaft 193
5.3 Forschungsschwerpunkt 194
6 Literatur 194
> MathematikinderdrahtlosenKommunikation
HolgerBocheundAndreasEisenblätter 197
1 ExecutiveSummary 197
2 Erfolgsgeschichten 197
2.1 MobilkommunikationbrauchtMathematik 198
2.2 DasFundamentderKommunikationstheorie 199
2.3 Schlüsseltechniken 201
2.4 OptimierungvonGSM-Netzen 202
3 WissenschafftFortschritt 204
3.1 OptimierteRessourenvergabeinzellularenFunknetzen 204
3.2 SteuerungvonSendeleistungen 207
3.3 AxiomatikfürinterferenzbeschränkteFunksysteme 209
3.4 KapazitätsplanungfürUMTS-Funknetze 209
3.5 Hardwareentwicklung 211
INHALT
4 Zusammenarbeitstärken 213
4.1 InterdisziplinäreZusammenarbeit 213
4.2 InternationaleZusammenarbeit 214
4.3 Transfer 214
4.4 ForschungvonNachwuchstalentenfördern 215
5 Perspektiven 215
5.1 InformationstheorieunddigitaleWelt 215
5.2 Netzwerkinformationstheorie 216
5.3 Quanteninformationstheorie 216
5.4 NeueAnsätzederFrequenznutzung 217
5.5 SelbstorganisierendeNetze 218
6 Literatur 218
> MathematikimChip-Design
JürgenKoehl,BernhardKorteundJensVygen 223
1 ExecutiveSummary 223
2 Erfolgsgeschichten 226
3 StatusquodesChip-Designs 237
3.1 Platzierung 241
3.2 TimingOptimierung 243
3.3 Routing 249
4 Stärken/Schwächen-Analyse,Herausforderungen 253
5 VisionenundHandlungsempfehlungen 254
6 Literatur 255
MATERIALIENUND MECHANIK
> ChancenundVisionendermodernenMechanik
WolfgangEhlersundPeterWriggers 259
1 ExecutiveSummary 259
2 Erfolgsgeschichten 260
2.1 Kontinuumsmechanikvon
Mehrkomponenten-Mehrphasenmaterialien 260
2.2 SimulationstechnikenzurBeschreibungvonheterogenen
Materialien(Multi-scaleModelling) 264
3 ÜbersichtundStatusquo 272
3.1 Fakten 272
3.2 Zusammenfassung 277
INHALT
4 Stärken/Schwächen-Analyse,Herausforderungen 277
4.1 AusgangsbasisundVisionen 277
4.2 WiekommtdieMathematikinsSpiel? 279
4.3 Stärken,SchwächenundHerausforderungen 281
5 Handlungsempfehlungen 282
6 Literatur 282
> MathematikfürWerkzeugmaschinenundFabrikautomatisierung
BerendDenkena,DietmarHömbergundEckartUhlmann 285
1 ExecutiveSummary 285
2 Erfolgsgeschichten 286
2.1 MathematikfürdieEntwicklungneuerMaschinenkonzepte:
Parallelkinematiken 286
2.2 MathematikfürdieAuslegungvonWerkzeugmaschinen:
Zerspanprozesse 286
3 MathematischeKonzepteinderProduktionstechnik 289
3.1 ModellierungvonProzessketten 289
3.2 AdaptiveNumerik 290
3.3 Optimalsteuerung 294
4 Herausforderungen 296
4.1 WechselwirkungzwischenStrukturundProzess 296
4.2 WechselwirkungenbeimFräsen 298
4.3 RekonfigurationvonProduktionsanlagen 299
5 Perspektiven 301
6 Literatur 303
> HerstellungundEinsatzmodernerMaterialien
WolfgangDreyer 307
1 ExecutiveSummary 307
2 Erfolgsgeschichten 308
3 Statusquo 318
4 Stärken/Schwächen-Analyse,Herausforderungen 320
5 VisionenundHandlungsempfehlungen 321
6 Literatur 321
INHALT
> TopologieundDynamischeNetzwerke:
AnwendungenderOptimierungmitZukunft
GünterLeugering,AlexanderMartinundMichaelStingl 323
1 ExecutiveSummary 323
2 VondenEigenschaftenzuoptimalenStrukturen 324
3 Erfolgsgeschichte:Struktur-,Topologie-undMaterialoptimierung 328
3.1 Fazit/Empfehlungen 330
4 OptimierungvonTransportnetzen 331
4.1 Fazit/Empfehlungen 335
5 Danksagung 337
6 Literatur 337
ENERGIE UNDBAUEN
> RessourceneinsatzplanunginderEnergie-undVerfahrenstechnik
SebastianEngell,EdmundHandschin,ChristianRehtanz
undRüdigerSchultz 341
1 ExecutiveSummary 341
2 Erfolgsgeschichten 343
2.1 ElektrischeEnergieversorgung 343
2.2 Ressourceneinsatzplanunginderverfahrenstechnischen
Produktion 346
3 Statusquo 350
3.1 Energieversorgung 350
3.2 VerfahrenstechnischeProduktionsprozesse 354
3.3 MathematischeMethoden 357
4 PerspektivenundHerausforderungen 359
4.1 Energieversorgung 359
4.2 VerfahrenstechnischeProduktionsprozesse 364
4.3 MathematischeMethoden 365
5 VisionenundHandlungsempfehlungen 367
6 Literatur 369