Forschungsprofil

Unsere Welt ist voller Zusammenhänge, die sich als komplexe Systeme aus vielen miteinander interagierenden Komponenten beschreiben lassen. Forscher aus verschiedenen Disziplinen sind bestrebt, diese komplexen Systeme zu verstehen und zu modellieren. Während experimentelle Beobachtungen und theoretische Überlegungen zu einzelnen Wechselwirkungen eine Fülle von Daten hervorgebracht haben, die in den datenintensiven Wissenschaften von heute rapide anwächst, hat dies auch eine der größten Herausforderungen unserer Zeit geschaffen: die Beschreibung der Wechselwirkungen zahlreicher einzelner Faktoren in komplexen Systemen mit Hilfe präziser Modelle, Vorhersagen zu komplexen Systemen in Simulationen und letztlich ein echtes Verständnis dafür, wie diese komplexen Systeme tatsächlich funktionieren. Dieses umfassende Verständnis kann nur durch inter- und transdisziplinäre Zusammenarbeit erreicht werden.

Der transdisziplinäre Forschungsbereich „Mathematik, Modellierung und Simulation komplexer Systeme“ (TRA Modelling) wurde Anfang 2020 ins Leben gerufen, um den Herausforderungen in unserem Verständnis komplexer Systeme zu begegnen und die Grenzen zwischen den Disziplinen zu überwinden. Dazu befassen sich Wissenschaftler*innen in der TRA-Modelling bewusst mit einem breiten, offenen Spektrum transdisziplinärer Themen.

Basierend auf theoretischen Grundlagen der Mathematik und Informatik werden wissenschaftliche Fragen mit einem innovativen Instrumentarium von Methoden unter anderem aus den Bereichen Algorithmen und Simulationen, Künstliche Intelligenz sowie Mathematische Modellierung und Analyse bearbeitet.

Wir sind bestrebt, diese theoretischen Grundlagen und Methoden in inter- und transdisziplinären Kooperationen anzuwenden, indem wir den Austausch über Modellierung zwischen wissenschaftlichen Disziplinen fördern (siehe Veranstaltungen) und Projekte unterstützen, die auf Modellierungen basieren (siehe unten).

Die daraus resultierenden Innovationen und Erkenntnisse werden in verschiedenen Gebieten angewendet, insbesondere den "Application Fields", die wir als "Life Sciences & Medicine", "Economics", und "Earth Sciences" definiert haben. Unser offenes Forschungsprofil ermöglicht jedoch auch die Erschließung neuer Gebiete der Anwendung.

TRA geförderte Projekte

Seit 2020 wurden durch TRA Modelling mehr als 40 Förderungen über zahlreiche Ausschreibungen ermöglicht, mit dem Ziel, neue Kooperationen zu unterstützen, bestehende wissenschaftliche Netzwerke zu erweitern und aufstrebende Konsortien zu fördern. Unser bewusst offenes Forschungsprofil ermöglichte es uns, transdisziplinäre Projekte zu unterstützen, die zu neuen Erkenntnissen und Verbesserungen innerhalb unserer theoretischen Grundlagen der Mathematik und Informatik führten, sowie anwendungsorientierte Projekte, die eindeutig einem unserer Anwendungsbereiche zugeordnet sind.

Weiterentwicklung unserer theoretischen Grundlagen

Aktuelle Entwicklungen in Mathematik und Informatik sind eine universelle Bereicherung für verschiedene Wissenschaften und werden von TRA Modelling aktiv unterstützt. Die unten genannten Projekte zielen darauf ab, neue Methoden zu etablieren oder innovative Verbesserungen zu erzielen und effiziente Lösungen für lange bestehende Probleme zu finden.

Mit der Verlängerung der Förderung für das EXC 2047 HCM bis 2032 behauptet Bonn seine führende Position in der Mathematik. Die Bewilligung des SFB 1720 im Mai 2025 ist ein anderer großer Erfolg für die Mathematik in Bonn und ermöglicht es Forschenden, die vielfältigen Facetten der Kritikalität aus mathematischer Perspektive zu untersuchen.

TRA Förderung im Bezug zu unseren theoretischen Grundlagen (Beispiele)

Ongoing:

"Historic Newspaper Segmentation" & "Transcription of historical newspaper-pages" by Dr. Moritz Wolter in collaboration with Dr. Felix Selgert (Department of Constitutional, Social and Economic History). The project aims at the recognition of characters in historical newspaper pages with Natural Language Processing (NLP) and machine learning. A rich dataset of 801 annotated newspaper pages and a processing pipeline creates a starting point for future research in the field of digital history and historic German language newspaper processing. Results and dataset have already been published. The project is embedded into BNTrAinee and is finacially supported by TRA Modelling since 2021.

"AI in dietary assessment: development of a Machine Learning based recommender system for recipe simulation to facilitate the product-based collection of dietary intake data (AI-diet)" by Prof. Rafet Sifa and Prof. Ute Nöthlings - Winner of the "TRA incubator grant 2024" of TRA Modelling and TRA Sustainable Futures

"Human-Robot Interactions Through a Lab Supermarket Self-Checkout System" by Prof. Maren Bennewitz in collaboration with Prof. Dominic Lemken (Institute for Food and Resource Economics, ILR). The project provides an interdisciplinary platform for innovative research at the intersection of robotics and consumer behaviour.

Finalized:

"Novel Paradigms for Matching Problems in Shape Analysis" by Prof. Florian Bernard. The project produced published results and where an asset to the ERC Starting Grant project "HARMONY" in 2024. Seed funding was granted by TRA Modelling in 2022.

"Practical Characterization of Self-Assembling Optical Systems by Joint Forward and Inverse Modelling" by Prof. Matthias Hullin. The goal of the project was to achieve high-precision geometric calibration of self-assembled soft lenslet arrays for imaging purposes. Project was funded by TRA Modelling from 2022 - 2023.

"CiliaQ – Digitalization of software applications, Acronym CiliaQ" by Prof. Dagmar Wachten. The project aimed to provide an extensive wiki and a video tutorial for the CiliaQ software, so the scientific comunity could use it more effective in times of the COVID-19 pandemic (and beyond). Project was funded by TRA Modelling in 2021.

"MaxCut & Binary Quadratic Programming" by Dr. Sven Mallach. The project aimed to find integer programming formulations for the maximum cut problem. The correspponding results has been published and presented at the International Symposium on Combinatorial Optimization (ISCO) 2024. Project was funded by TRA Modelling from 2021 - 2023.

"NAPROCHE - NAtural PROof CHEcking: studying the language of mathematics and designing a natural proof checking system with natural language interfaces" by Prof. Peter Koepke in collaboration with linguistics. Software is available with optional support for Isabelle Prover IDE. Project was funded by TRA Modelling from 2020 - 2023.

Anwendungen im Gebiet "Life Sciences & Medicine"

Die Kombination aus Mathematik/Informatik und Lebenswissenschaften & Medizin bringt eine wachsende Gemeinschaft von Wissenschaftler*innen in Bonn zusammen. Dieses fruchtbare interdisziplinäre Forschungsgebiet wird häufig gemeinsam mit TRA Life and Health gefördert, beispielsweise durch den gemeinsamen „Modelling for Life and Health Research Prize”.

Neben den unten aufgeführten Forschungsprojekten unserer Mitglieder haben wir die Gründung des Bonn Center for Mathematical Life Sciences (BCML) durch ein Vorbereitungssymposium (2021) und eine internationale Konferenz (2023) unterstützt. Der „MaLiS”-Club trifft sich regelmäßig, um laufende Projekte zu mathematischen Fragen in der Medizin und den Lebenswissenschaften zu diskutieren.

TRA Förderung im Bezug zu Anwendungen im Gebiet "Life Sciences & Medicine" (Beispiele)

Ongoing:

"Automatic structure detection on particles" by Dr. Elena Trunz in cooperation with Dr. Annika Rautenberg (Institute for pharmaceutical technology). Project is embedded into BNTrAinee and is finacially supported by TRA Modelling since July 2025

"Modelling behavioral loops using multiple interacting attractors" by Prof. Tatjana Tchumatchenko - funded with Open Call 2025

"Deriving homogenized reaction-diffusion PDEs and coupled Fokker-Planck equations for large-scale simulations of tumor-immune interactions" by Prof. Kevin Thurley

"ANNE++: Graph-based and AI-driven Modeling of Eye Movement Patterns in Epilepsy Patients" by Prof. Björn Krüger and PD Randi von Wrede (Department of Epileptology) - funded with Open Call 2025

"Random walks or directed paths? – Harvesting the potential of 3D modeling to uncover the impact of ontogeny on alveolar macrophage dynamics" by Prof. Ana Ivonne Vazquez-Armendariz (LIMES) and Prof. Jan Hasenauer (LIMES) - Winner of Transdisciplinary Research Prize - Modelling for Life and Health 2025

"Amortized Short-term SUb-frame REsolution Tracking (ASSURET)" by Prof. Ulrike Endesfelder with Prof. Jan Hasenauer.

"Parcellation-free modeling of brain networks for presurgical evaluation of people with epilepsy" by Prof. Thomas Schultz (Computer Science) and Dr. Theodor Rüber (University Hospital Bonn, UKB) - Winner of Transdisciplinary Research Prize - Modelling for Life and Health 2023

Finalized:

"Automatic construction of gene regulatory networks from scientific literature with LLMs" by Prof. Lucie Flek. The project seeks to extract data from existing literature in cancer research. Seed funded by TRA Modelling from 2024 - 2025.

Support for international symposium "Microfluencers: From small organisms to large impact" organized by Prof. Ulrike Endesfelder in 2022. Interdisciplinary speakers from biology and physics shed light on various important aspects of how microbial influencers shape our world.

"Assessing the separate and synergistic effects of amyloid and tau on human brain activity using a computational model of brain oscillations" by Prof. Xenia Kobeleva (Ruhr-Universität Bochum since 2023). Results have been part of this publication. Seed funded by TRA Modelling from 2021 - 2023

"Establishment of computational methods for spatially-resolved deep profiling of biological tissues" by Prof. Jan Hasenauer (LIMES) with Prof. Michael Hölzel (UKB) and Prof. Marieta Toma (UKB) - funded 2020 - 2021

Anwendungen im Gebiet "Economics"

Die traditionelle Zusammenarbeit der Bonner Wirtschaftswissenschaften und Mathematik wird zunehmend durch einen Fokus auf Probleme an der Schnittstelle zwischen Ökonomie und Informatik erweitert. Die Entwicklung dieses interdisziplinären Forschungsgebiets wird von TRA Modelling durch die Anschubfinanzierung mehrerer Projekte aktiv unterstützt (siehe Liste unten).

Darüber hinaus wurde durch die Berufung unseres Hertz Chairs László Végh ein erheblicher Impuls gesetzt, dessen Forschungsgruppe Methoden aus der diskreten und kontinuierlichen Optimierung, Informatik, Spieltheorie und Wirtschaftswissenschaften kombiniert, um effiziente und exakte Approximationsalgorithmen zu entwickeln.

TRA Förderung im Bezug zu Anwendungen im Gebiet "Economics" (Beispiele)

Finalized:

"Facilitating work with computational models: Software for economics and beyond" by Prof. Hans-Martin von Gaudecker. The project developed a software library with the name estimagic, designed for nonlinear optimization with or without constraints. It is particularly suited to solving difficult nonlinear estimation problems. Please visit project page for more information. Project was funded from 2022 - 2023.

"OpenSourceEconomics" by Prof. Philipp Eisenhauer. Open Source Economics (OSE) is a platform for economists and computational scientists to facilitate the transdisciplinary collaboration in the development, analysis, and application of computational economic models. Please visit project page for more information. Project was funded from 2020 - 2022.

Anwendungen im Gebiet "Earth Sciences"

Künstliche Intelligenz, Algorithmen und Simulationen sind zu wichtigen Werkzeugen in den Geowissenschaften geworden und Bonn hat ein hervorragendes Umfeld für interdisziplinäre Teams geschaffen, um diesen Bereich voranzubringen. TRA Modelling hat diese Entwicklung aktiv unterstützt, indem es mehrere Projekte wie FOR 5361 AlgoForGe und SFB 1502 DETECT (siehe Liste unten) gefördert hat.

Darüber hinaus hat die TRA Modelling eine Workshop-Reihe zum Thema Maschinelles Lernen für die Modellierung von Erdsystemen unterstützt, bei der führende Wissenschaftler in Bonn über die Fortschritte und die Zukunft von "large-scale neural networks" für Wetter- und Klimamodelle diskutieren.

TRA Förderung im Bezug zu Anwendungen im Gebiet "Earth Sciences" (Beispiele)

Abgeschlossen:

"From remote sensing to species composition modelling of European permanent grassland systems under drought and heat stress (Clever Grass)" von Dr. Bahareh Kamali mit dem Ziel, agroökologische Systeme mathematisch zu modellieren. Das Anschubfinanzierung für das Projekt lief von 2023 bis 2024.

Im Jahr 2022 haben TRA Modelling und SFB 1502 DETECT gemeinsam den „Collaborative Research Award "Mathematics, Modelling, and Simulation for the Investigation of Climate Change” ausgeschrieben. Der ausgewählte Projektantrag „Statistical Testing and stochastic processes for the Analysis of Modeled and observed Earth system Data (STAMPED)” von Dr.-Ing. Jan Martin Brockmann wurde von 2023 bis 2024 gefördert, mit dem Ziel, ihn als jungen Wissenschaftler in die DETECT-Gemeinschaft zu integrieren und ihn in den DFG-Antrag für eine zweite Förderphase des SFB einzubeziehen.

"Development of Continuous Spatio-Temporal Finite Element Based Models for Sea Surface Approximation" by Dr.-Ing. Jan Martin Brockmann. Diese TRA-Förderung zwischen 2021 und 2023 ermöglichte ein interdisziplinäres Projekt der Nachwuchswissenschaftler Jan Martin Brockmann und Moritz Borlinghaus. Dabei wurden innovative Methoden an der Schnittstelle zwischen Informatik und Geodäsie entwickelt, die erfolgreich veröffentlicht und auf Konferenzen vorgestellt wurden.

"FOR "Algorithmic Data Analysis for Geodesy (AlgForGe)" von Prof. Petra Mutzel mit Prof. Jan Hendrik Haunert. Die Anschubfinanzierung der TRA zwischen 2020 und 2021 unterstützte die Beantragung einer Forschungsgruppe bei der DFG, die im Juni 2022 bewilligt wurde. Die FOR ist an den Instituten für Informatik und Geodäsie und Geoinformation angesiedelt und wird durch Forscher der Universitäten Köln und Düsseldorf ergänzt. Seither stärkt AlgForGe auch das Center for Earth System Observation and Computational Analytics (CESOC). Die unterstützende Rolle der TRA Modelling für die Integration von Algorithmik und Geodäsie wird von Petra Mutzel sehr geschätzt.

Verbundforschungsprojekte mit Bezug zu TRA Modelling

Wissenschaftler*innen der Universität Bonn und der TRA Modelling sind federführend an einer Vielzahl von Verbundforschungsprojekten im Bereich „Mathematik, Modellierung und Simulation komplexer Systeme“ beteiligt, die Sie nachfolgend aufgelistet finden.

Sehen Sie sich auch gerne die ausführlichen Informationen über alle Verbundforschungsprojekte und alle hochrangigen Auszeichnungen für Wissenschaftler*innen der Universität Bonn an. Wir weisen stolz darauf hin, dass viele dieser herausragenden Wissenschaftler*innen Mitglieder der TRA Modelling sind.