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04.07.2013

Mathematics for Industry and Society

Zweitägige Veranstaltung der TSB und der französischen Botschaft gemeinsam mit dem DFG-Forschungszentrum MATHEON und der Deutschen Mathematiker Vereinigung


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Mathematik ist zu der zentralen Wissenschaft für Natur und Technik geworden. Kaum ein Bereich der modernen Schlüsseltechnologien kommt noch ohne mathematische Grundlagen aus. Neue Mathematik für neue Techniken lautet der Schlüsselbegriff. Besonders Berlin hat sich in den vergangenen Jahren zu einem Zentrum für „Angewandte Mathematik“ entwickelt. Eine wichtige Rolle hierbei spielt die Gründung des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten Forschungszentrum MATHEON im Jahr 2002, wodurch diese „Neue Mathematik“ national und international vorangetrieben wurde. Zahlreich Partner aus der Industrie weltweit greifen heute auf  die Forschungsergebnisse des Zentrums zurück.

Nicht zuletzt aufgrund dieser herausragenden Rolle Berlins hat sich die Botschaft der Republik Frankreich in Berlin entschieden, gemeinsam mit der Technologiestiftung Berlin ein zweitägiges Symposium zur „Mathematik für Industrie und Gesellschaft“ zu organisieren. Denn auch für die französische Mathematik und die Industrie des Landes ist diese Entwicklung wegweisend. Beteiligt an der Vorbereitung war neben dem MATHEON die Deutsche Mathematiker-Vereinigung (DMV). Auf dem Symposium am 4. und 5. Juli stellten Berliner Mathematikerinnen und Mathematiker gemeinsam mit ihren Partnern aus der Industrie einige exemplarische Kooperationen vor. Gleichzeitig trugen ihre französischen Kolleginnen und Kollegen und Industrievertreter Beispiele aus unserem Nachbarland vor. Etwa 150 überaus interessierte Teilnehmerinnen und Teilnehmer aus Wissenschaft und Wirtschaft bekamen so einen breiten Überblick über den Stand der Angewandten Mathematik und ihrer herausragenden Rolle für die modernen Schlüsseltechnologien. Gleichzeitig wurde die Wichtigkeit dieser Disziplin für die nachhaltige Zukunft der europäischen Wirtschaft deutlich.

Zur  „Einstimmung“ in das Symposium hatten die Teilnehmerinnen und Teilnehmer schon vor Veranstaltungsbeginn die Möglichkeit, das 3D-Labor von Technischer Universität Berlin und MATHEON und den Berliner Dom zu besuchen. Besonders das 3D-Labor mit Scannern, verschiedenen 3D-Druckern und dem 3D-Cave war für viele absolutes Neuland, in dem sie erstmals „live“ zu sehen bekamen, welche vielfältigen Anwendungen heute mit modernen 3D-Druckern möglich sind. Joachim Weinhold von der Technischen Universität Berlin führte dabei durch sein „Museum“ unterschiedlichster Druckbeispiele, vom Relief des Pergamon-Altars oder antiken Statuen bis hin zu visualisierten geometrischen Formeln. Im Cave, einem 3D-Käfig mit drei Bildwänden, konnten die Besucherinnen und Besucher eine bunte 3D-Welt unterschiedlichster Anwendungen betreten.
 
Eröffnet wurde die Tagung mit einem Grußwort des Gesandten der Französischen Botschaft, Jean-Claude Tribolet. Er betonte die Notwenigkeit der Kooperation von Wissenschaft und Industrie. Der  Vorstandsvorsitzende der Technologiestiftung, Nicolas Zimmer, zeigte sich sehr erfreut, dass Berlin international in der Mathematik mit seiner starken Orientierung auf die Anwendung eine große Rolle spielt: „Die Mathematik passt hervorragend in die Berliner Kompetenzfelder Biotechnologie und Medizintechnik, Informations- und Kommunikationstechnik, Medien und Optische Technologien, Verkehrssystemtechnik sowie Energietechnik. Sie ist ein Grundpfeiler für die Nachhaltigkeit der Berliner Wirtschaft “.

Prof. Martin Grötschel, MATHEON-Gründer, Präsident des Zuse-Instituts, Professor an der Technischen Universität Berlin Vorstandsvorsitzender der Berliner Einstein-Stiftung und Generalsekretär der Internationalen Mathematiker-Union (IMU) gab eine engagierten, informativen und kurzweiligen Überblick über die Entwicklungen der Angewandten Mathematik in Berlin und ihre Bedeutung für die Schlüsseltechnologien. Mit vielen Beispielen aus den Bereichen Optimierung, Lebenswissenschaften, Visualisierung sowie Energie und Produktion zeigte er auf, welche Fortschritte in allen Wirtschaftsbereichen durch neue mathematische Methoden erzielt werden.

Bereits die beiden ersten Vorträge am 4. Juli boten ein hervorragendes Beispiel für eine erfolgreiche Kooperation der Berliner Mathematik mit der Industrie. Dr. Kerstin Waas von der Deutschen Bahn AG schilderte gemeinsam mit dem Professor an der Freien Universität Berlin, Abteilungsleiter im Zuse-Institut und MATHEON-Mitglied Ralf Borndörfer ihre Zusammenarbeit bei der Optimierung der Umlaufpläne der ICE-Züge. Ein nicht unwesentlicher Aspekt der Problemstellung ist, dass der Fahrplan mit möglichst wenigen Zügen gefahren werden kann und dass es für die Wartung der verschiedenen Zugtypen verteilt über ganz Deutschland nur an bestimmten Orten Werkstätten gibt. Mit Hilfe der Mathematik soll nun erreicht werden, dass sich die Züge in einem bestimmten Wartungszeitraum auch am jeweiligen Werkstattstandort befinden. „Ein ambitioniertes Vorhaben. Aber mit der Entwicklung neuer Algorithmen lösbar“, so Ralf Borndörfer. Aber damit ist man noch längst nicht fertig: „Wenn wir ein Problem gelöst haben, hält die Bahn bereits weitere Herausforderungen für uns bereit, die uns wieder vor neue Probleme stellen. Aber das ist für die aktuelle Mathematik ganz normal. Wir sind jedenfalls überzeugt, dass wir für alle neuen Anforderungen eine Lösung finden. Man darf sich jedoch nicht täuschen, das sind keine ad hoc-Lösungen, solche Anforderungen erfordern Zeit“, so der Professor. Dr. Kerstin Waas schilderte zunächst einige statistische Daten zur Deutschen Bahn und zog Vergleiche zur französischen Staatsbahn SNCF. Beide Bahngesellschaften haben die meisten Hochgeschwindigkeitszügen Europa, wobei hier die SNCF mit insgesamt 300 Zügen die Spitze bildet. „Allerdings hat die DB in diesem Jahr weitere 130 ICE bestellt, die mit der allerneuesten Technik ausgestattet sind“, sagte Kerstin Waas. Eine Besonderheit bei der DB seien aufgrund der vielen angrenzenden Nachbarstaaten die zahlreichen Zugverbindungen ins Ausland. Jeder dieser Nachbarn habe eigene technische Besonderheiten, die alle bei den Verbindungen berücksichtigt werden müssen. „Alles Faktoren, die wir einplanen müssen. Da kommt einer optimalen Umlaufplanung der einzelnen Züge ein hoher Stellenwert zu. Bisher haben wir diese Planung händisch vorgenommen, durch den Einsatz der Mathematik und der Kooperation mit der Gruppe von Prof. Borndörfer können wir schon jetzt feststellen, dass es dadurch zu einer besseren Gesamtplanung und zu einer großen Kostenreduzierung kommt“, so Dr. Waas.

Clément Thery von ArcelorMittal Dunkerque hatte seinen Vortrag „Das Vorhersagen und Verbessern der Qualität in der Stahlindustrie“ überschrieben. "Bei diesem Problem gibt es hoch korrelierte Daten“, sagte er. Clément Thery schilderte einige Ergebnisse, die mit Hilfe der Mathematik bei der Qualitätssicherung der Stahlprodukte erzielt werden konnten. ArcelorMittal Dunkerque bietet Stahl-Lösungen für Gebäude-, Energie-, Haushaltsgeräte-, Transport-, Bau- und Landmaschinen, die Verkehrssicherheit sowie für umweltfreundliche Autos und für Verpackungen von Lebensmitteln. Clément Thery betonte, dass das französische Unternehmen immer häufiger mathematische Methoden einsetzt.

Mathematics Industry and Societey

Ebenfalls unter dem Thema der mathematischen Optimierung standen die beiden ersten Vorträge des zweiten Tages. Prof. Dietmar Hömberg von der TU Berlin und Mitarbeiter am Weierstraß-Institut erläuterte die Rolle der mathematischen Optimierung in der Produktionsplanung für viele Industrien, beispielsweise in der Stahlherstellung oder der Automobilindustrie. „Bei jedem Modellwechsel der Automobilhersteller müssen die eingesetzten Roboter neu konfiguriert werden. Hier hilft die Mathematik bei der Planung“, sagte Dietmar Hömberg. Auch bei der Planung vieler Arbeitsabläufe oder beim Materialfluss geht heute nichts mehr ohne den Einsatz mathematischer Algorithmen. Als Beispiele nannte er hier den Einsatz von Laserrobotern, die dank der Mathematik sehr zielgenau und energiefreundlich arbeiten sowie die Simulation der Verformung bestimmter Materialien bei großer Hitzeentwicklung. „Immer steht einerseits eine Steigerung der Qualität im Vordergrund, andererseits der optimale Einsatz und damit die Einsparung von Energie und Kosten“, so Prof. Hömberg.

Ein konkretes Beispiel aus der Automobilindustrie stellte Dr. Chantal Landry in ihrem Vortrag vor. Sie beschäftigt sich am Berliner Weierstraß-Institut mit der Optimierung beim Einsatz von Robotergruppen in der Automobilproduktion. Viele tausende unterschiedlicher Bedingungen müssen hier mathematisch zu einem erfolgreichen und effizienten Ergebnis zusammen geführt werden.

Dr. Tim Conrad von der Freien Universität Berlin und „sein“ Industriepartner Dr. Joos-Hendrik Böse von SAP hoben in ihrem Vortag die Win-Win-Situation bei der Kooperation von Wissenschaft und Industrie an einem Beispiel aus den Lebenswissenschaften hervor. Beide arbeiten gemeinsam im Rahmen des Berliner Forschungsverbundes „Modal“ an verbesserten Diagnoseverfahren bei der Früherkennung von Krebs. Zunächst erläuterte Tim Conrad mit eindrucksvollen Zahlen, wie signifikant die Heilungschancen steigen, wenn eine Krebserkrankung möglichst frühzeitig erkannt wird. Schließlich stellte er das Verfahren des „Blutigen Fingerabdrucks“ vor, das darauf beruht, Zellveränderungen in einem einzigen Blutstropfen nachweisen zu können und somit Hinweise auf eine bestimmte Krebserkrankung zu geben. Die Auswertung dieser Daten allerdings erfordert einen hohen Aufwand, der mit mathematischen Algorithmen erheblich verringert und im Ergebnis sehr viel effizienter gestaltet werden kann. In Kooperation mit SAP wird nun ein Diagnoseprogramm entwickelt, das einerseits den Wissenschaftlern ein Format an die Hand gibt, womit sie sehr schnell zu aussagekräftigen Analysen kommen, das aber gleichzeitig den behandelnden Ärzten die Möglichkeit einer frühzeitigen Analyse erlaubt. „Wir wollen die Ergebnisse der Mathematiker um Tim Conrad in bereits bestehende Diagnose-Software von SAP integrieren und damit eine ganz neuartigen Software aufbauen“, so Dr. Böse.

Im Mittelpunt des Vortrages von Monique Teillaud von INRIA Sophia Antipolis stand die „Mesh Generation in der CGAL-Library“. Die Computational Geometry Algorithms Library (CGAL) ist ein Zusammenschluss von 13 verschiedenen Einrichtungen. Das Ziel des CGAL Open Source Projects ist es, einen einfachen Zugang zu effizienten und zuverlässigen geometrischen Algorithmen in Form einer Bibliothek zur Verfügung zu stellen. CGAL wird in verschiedenen Bereichen der geometrischen Berechnung, wie zum Beispiel Computer-Grafik, wissenschaftlicher Visualisierung, Computer Aided Design und Modellierung, geographische Informationssysteme, Molekularbiologie, medizinische Bildgebung, Robotik und Motion benötigt. CGAL bietet eine Vielzahl von Datenstrukturen und Algorithmen an. Monique Teillaud schilderte einige Anwendungsbeispiele von Dreiecksnetzen und 3D Tetraedergittern.

Prof. Didier Auroux von der Universität Sophia Antipolis in Nizza stellte seine umwelt- und geophysikalischen Studien zur Vorhersage natürlicher Evolution vor. Im Mittelpunkt seiner mathematischen Forschungen steht besonders der Einfluss von Umweltproblemen wie etwa Luftverschmutzung bei der Vorhersage von Wetterproblemen. Dabei gibt es eine Vielzahl von Variablen, wie z. B. Luftdruck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre, Salzhaltigkeit im Ozean oder chemische Konzentrationen, die dabei zu beachten sind. In Beispielen ging er auf maßgebliche Gleichungen wie Schwunggleichung, Dynamik, Energieerhaltung und Thermodynamik ein.

Die Lösung zum Projizieren von Daten in zwei Dimensionen erläuterte Prof. Nicolas Wicker von der Lille Universität. Dabei gibt es verschiedene Ansätze, die jedoch alle Unsicherheiten bei den Abständen zwischen den Punkten enthalten. Ausführlich stellte er die mathematischen Wege vor, um diese Unsicherheiten zu begrenzen und gab einen Ausblick über die weitere Zukunft der Forschung.

Den Abschluss des Symposiums bildete eine sehr launige Rede des Leiters der Wissenschaftsabteilung der Französischen Botschaft, Mathieu J. Weiss. „Wir messen der Wissenschaft eine große Bedeutung zu. Die wissenschaftliche Abteilung ist mit 15 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern die größte innerhalb der französischen Botschaft“, sagte er. Anhand seiner beruflichen Wege schilderte er seine immer wieder kehrenden Begegnungen mit der Mathematik. „Wir hatten schon häufiger den Austausch mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in diesem Hause, aber eine so konzentrierte Konzentration auf eine bestimmte Disziplin ist neu. Diese Rolle der Mathematik, die in diesen beiden Tagen so eindruckvoll geschildert wurde, hat mich sehr fasziniert“, sagte Mathieu Weiss, der sich mit dieser Veranstaltung von Berlin in Richtung Indien verabschiedete.

Maria Seifert, die seitens der Technologiestiftung die Veranstaltung organisiert hatte, überzeugte vor allem die hohe Qualität der Berliner Mathematik. „Hier hat Berlin einen wissenschaftlichen und organisatorischen Stand erreicht, der sowohl dem Wissenschaftsstandort Berlin wie auch der gesamten deutschen Wirtschaft ein nachhaltige Zukunft sichert“, sagte sie.

An den zwei Veranstaltungstagen wurden intensive Gespräche zwischen den internationalen und regionalen Gästen geführt. Die geknüpften Kontakte werden bilateral weitergeführt, Besuche von französischen Wissenschaftlern in Berliner Forschungsinstituten wurden vereinbart.

Autor/ Quelle:
Rudolf Kellermann, DFG-Forschungszentrum MATHEON

"Mathematics in Industry and Society" wurde aus Mitteln des Landes Berlin und der Investitionsbank Berlin gefördert, kofinanziert von der Europäischen Union - Europäischer Fonds für Regionale Entwicklung. Investition in Ihre Zukunft.



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Annette Kleffel
Annette Kleffel
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