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. Zu diesem Zweck befassen sich Wissenschaftler*innen in der TRA-Modelling mit einem Spektrum transdisziplinärer Themen, das bewusst breit und offen gestaltet ist.

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, diesen theoretischen Grundlagen und Methoden in inter- und transdisziplinären Kooperationen zur Anwendung zu verhelfen, 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 der definierten 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)

Laufend:

"Historic Newspaper Segmentation" & "Transcription of historical newspaper-pages" von Dr. Moritz Wolter in Zusammenarbeit mit Dr. Felix Selgert (Abteilung für Verfassungs-, Sozial- und Wirtschaftsgeschichte). Das Projekt zielt darauf ab, Schriftzeichen in historischen Zeitungsseiten mit Hilfe von Natural Language Processing (NLP) und maschinellem Lernen zu erkennen. Ein umfangreicher Datensatz mit 801 annotierten Zeitungsseiten und eine Verarbeitungs-Pipeline bilden einen Ausgangspunkt für zukünftige Forschungen im Bereich der digitalen Geschichtswissenschaft und der Verarbeitung historischer deutschsprachiger Zeitungen. Ergebnisse und Datensatz have already been published. Das Projekt ist in BNTrAinee eingebettet und wird seit 2021 von TRA Modelling finanziell unterstützt.

"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)" von Prof. Rafet Sifa und Prof. Ute Nöthlings – Gewinner des „TRA Incubator Grant 2024“ von TRA Modelling und TRA Sustainable Futures.

"Human-Robot Interactions Through a Lab Supermarket Self-Checkout System" von Prof. Maren Bennewitz in Zusammenarbeit mit Prof. Dominic Lemken (Institut für Lebensmittel- und Ressourcenökonomik, ILR). Das Projekt bietet eine interdisziplinäre Plattform für innovative Forschung an der Schnittstelle zwischen Robotik und Verbraucherverhalten.

Abgeschlossen:

"Novel Paradigms for Matching Problems in Shape Analysis" von Prof. Florian Bernard. Das Projekt lieferte veröffentlichte Ergebnisse und war eine Bereicherung für die Antragsvorbereitung für das ERC Starting Grant project "HARMONY" (seit 2024). Die Anschubfinanzierung wurde 2022 von TRA Modelling gewährt.

"Practical Characterization of Self-Assembling Optical Systems by Joint Forward and Inverse Modelling" von Prof. Matthias Hullin. Ziel des Projekts war die hochpräzise geometrische Kalibrierung einer selbst hergestellten Anordnung weicher Kleinstlinsen für Bildgebungszwecke. Das Projekt wurde von TRA Modelling von 2022 bis 2023 finanziert.

"CiliaQ – Digitalization of software applications, Acronym CiliaQ" von Prof. Dagmar Wachten. Das Projekt hatte zum Ziel, ein umfangreiches Wiki und ein Video-Tutorial für die Software CiliaQ bereitzustellen, zur effektiveren Nutzung durch die wissenschaftliche Gemeinschaft in Zeiten der COVID-19-Pandemie (und darüber hinaus). Das Projekt wurde 2021 von TRA Modelling finanziert.

"MaxCut & Binary Quadratic Programming" von Dr. Sven Mallach. Das Projekt hatte zum Ziel, ganzzahlige Programmierungsformulierungen für das Maximum-Cut-Problem zu finden. Die entsprechenden Ergebnisse wurden veröffentlicht und auf dem International Symposium on Combinatorial Optimization (ISCO) 2024 vorgestellt. Das Projekt wurde von TRA Modelling von 2021 bis 2023 finanziert.

"NAPROCHE - NAtural PROof CHEcking: studying the language of mathematics and designing a natural proof checking system with natural language interfaces" von Prof. Peter Koepke in Zusammenarbeit mit Wissenschaftler*innen der Linguistik. Die verfügbare Software bietet optionale Unterstützung für Isabelle Prover IDE. Das Projekt wurde von TRA Modelling von 2020 bis 2023 finanziert.

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) unterstützt. Zudem fördern wir internationale Konferenzen zu diesem Thema (2023 und 2026). 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)

Laufend:

"Automatic structure detection on particles" von Dr. Elena Trunz in Zusammenarbeit mit Dr. Annika Rautenberg (Abteilung für pharmazeutische Technologie und Biopharmazie). Das Projekt ist in BNTrAinee eingebettet und wird seit Juli 2025 von TRA Modelling finanziell unterstützt.

"Modelling behavioral loops using multiple interacting attractors" von Prof. Tatjana Tchumatchenko - gefördert über den Open Call 2025

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

"ANNE++: Graph-based and AI-driven Modeling of Eye Movement Patterns in Epilepsy Patients" von Prof. Björn Krüger und PD Dr. med. Randi von Wrede (Epileptologie) - gefördert über den Open Call 2025

"Random walks or directed paths? – Harvesting the potential of 3D modeling to uncover the impact of ontogeny on alveolar macrophage dynamics" von Prof. Ana Ivonne Vazquez-Armendariz (LIMES) und Prof. Jan Hasenauer (LIMES) - Gewinner des Transdisziplinären Forschungspreises - Modelling for Life and Health 2025

"Amortized Short-term SUb-frame REsolution Tracking (ASSURET)" von Prof. Ulrike Endesfelder zusammen mit Prof. Jan Hasenauer.

"Parcellation-free modeling of brain networks for presurgical evaluation of people with epilepsy" von Prof. Thomas Schultz (Informatik) and Dr. Theodor Rüber (Universitätsklinikum Bonn, UKB) - Gewinner des Transdisziplinären Forschungspreises - Modelling for Life and Health 2023

Abgeschlossen:

"Automatic construction of gene regulatory networks from scientific literature with LLMs" von Prof. Lucie Flek. Das Projekt zielt darauf ab, Daten aus der vorhandenen Literatur zur Krebsforschung zu extrahieren. Die 12-monatige Anschubfinanzierung erfolgte durch TRA Modelling zwischen 2024 und 2025.

Unterstützung des internationalen Symposium "Microfluencers: From small organisms to large impact", organisiert durch Prof. Ulrike Endesfelder im Jahr 2022. Interdisziplinäre Vortragende aus den Bereichen Biologie und Physik beleuchten verschiedene wichtige Aspekte, wie mikrobielle Einflussfaktoren unsere Welt prägen.

"Assessing the separate and synergistic effects of amyloid and tau on human brain activity using a computational model of brain oscillations" von Prof. Xenia Kobeleva (seit 2023 Ruhr-Universität Bochum). Die Ergebnisse sind Teil dieser Veröffentlichung. Eine Anschubfinanzierung erfolgte durch TRA Modelling zwischen 2021 und 2023.

"Establishment of computational methods for spatially-resolved deep profiling of biological tissues" von Prof. Jan Hasenauer (LIMES) zusammen mit Prof. Michael Hölzel (UKB) und Prof. Marieta Toma (UKB) - gefördert zwischen 2020 und 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 ein erheblicher Impuls durch die Berufung unseres Hertz Chairs László Végh gesetzt, dessen Forschungsgruppe Methoden aus der diskreten und kontinuierlichen Optimierung, Informatik, Spieltheorie und Wirtschaftswissenschaften kombiniert, mit dem Ziel effiziente und exakte Approximationsalgorithmen zu entwickeln.

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

Abgeschlossen:

"Facilitating work with computational models: Software for economics and beyond" von Prof. Hans-Martin von Gaudecker. Im Rahmen des Projekts wurde eine Softwarebibliothek mit dem Namen estimagic entwickelt, die für die nichtlineare Optimierung mit oder ohne begrenzene Faktoren konzipiert ist. Sie eignet sich besonders für die Lösung schwieriger nichtlinearer Schätzungsprobleme. Weitere Informationen finden Sie auf der Projektseite. Das Projekt wurde von 2022 bis 2023 finanziert.

"OpenSourceEconomics" von Prof. Philipp Eisenhauer. Open Source Economics (OSE) ist eine Plattform für Wissenschaftler*innen an der Schnittstelle von Ökonomie und Informatik, die die transdisziplinäre Zusammenarbeit bei der Entwicklung, Analyse und Anwendung computergestützter Wirtschaftsmodelle erleichtern soll. Weitere Informationen finden Sie auf der Projektseite. Das Projekt wurde von 2020 bis 2022 finanziert.

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.