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New approaches are required for the mathematical modelling and system identification of complex networks, which are characterized by a large number of unknown parameters, uncertain network topologies, partially poorly understood mechanisms and significant stochastic effects. Networks with such properties are ubiquitous in many fields of science, especially in molecular cell biology, where, for example, large signal transduction networks are formed, by which cells transfer and process information, based on the biochemical interactions between signal transduction molecules. Complexity arises from the high number of different molecule species involved and the diversity of sub-processes interacting with each other. Previous attempts to model signal transduction were often limited to small systems or based on qualitative data only. One goal of this thesis is to reduce the complexity to enable system identification on the basis of experimental data. The concept of ’Sensitivity of Sensitivities’, which is presented here for the first time and which is based on the evaluation of stochastically generated parameter set ensembles, reveals two important inherent system properties: high robustness and modular structures of the dependency between state variables and parameters. This is the key to drastically reduce the dimensionality of the parameter identification problem. The approach is applied to the signalling pathway of CD95-induced apoptosis, also called programmed cell death. Defects in the regulation of apoptosis result in a number of serious diseases such as cancer. Despite the ever-increasing number of studies of the molecular mechanisms of apoptotic signalling, a systemic understanding of this complex pathway is still missing. With the model and the estimated parameters of this thesis, it becomes possible to reproduce the observed system behaviour and to predict important system properties. The predictions have been experimentally confirmed and are used for the planning of further experiments. Thereby, a novel regulatory mechanism was revealed, i.e. a threshold between cell death and cell survival. High fluctuations and extremely low particle numbers of crucial molecule species require exact stochastic simulations. Computational problems arise from the huge differences among the timescales on which the reactions occur. Therefore, a stochastic hybrid algorithm is developed by combining the exact Gillespie algorithm with a system of stochastic differential equations. This enables stochastically accurate and highly efficient simulations for large reaction systems and for any other kind of Markov processes. In summary, this thesis provides a methodology specifically suited for highly underdetermined networks. This is of high relevance for the newly emerging field of systems biology going far beyond the present application of programmed cell death.

Ein übergeordnetes Ziel des saisonalen Junioren-Sonderspielrechts U23 (m/w) im Deutschen Volleyball-Verband (DVV) wird häufig assoziiert mit einer progressiven Leistungsentwicklung der Nachwuchsmannschaft(en) durch das Spielen in der höchsten nationalen Liga der Erwachsenen. Ziel der vorliegenden Studie war es, am Beispiel einer Spielklasse unter Berücksichtigung des Einflusses von Spielplanheterogenität zu überprüfen, ob sich spielergebnisanalytisch und mittels Spiel-Statistiken eine Leistungssteigerung nachweisen lässt und womöglich eine Einflussnahme auf eine Belegung von (nicht-)qualifizierenden Abschlusstabellenplätzen besteht. Dagegen galt es zu untersuchen, ob Ligaheterogenität durch die Nachwuchsmannschaft(en) begünstigt wird, was u.a. auf mangelnde teamspezifische Wettbewerbsfähigkeit schließen lässt., An overarching aim of the seasonal junior 'Sonderspielrecht' U23 (m/f) in the German Volleyball Federation (DVV) is often associated with a progressive performance development of the junior team(s) as a result of playing in the adults’ highest national league. The objective of the present study was to investigate, using the example of one division taking into account the influence of playing schedule heterogeneity, whether an increase in performance can be demonstrated using game result analysis and by means of game statistics and whether there is an influence on the occupancy of (non) qualifying league table positions at the normal round's end. Against that, it should be examined whether the heterogeneity of the league is mainly influenced by the junior team(s), which indicates a lack of team-specific competitiveness.

Taxis stellen eine wesentliche Ergänzung zum öffentlichen Personennahverkehr sowie zum motorisierten Individualverkehr dar und leisten einen bedeutsamen Beitrag zur Bewältigung des täglichen Verkehrsaufkommens. Darüber hinaus besitzen Taxis eine starke öffentliche Sichtbarkeit und verfügen bei einer ganzheitlichen Elektrifizierung der Taxiflotten über einen außerordentlich wirksamen Multiplikator-Effekt. Aus diesem Grund befasst sich die vorliegende Arbeit mit der zentralen Fragestellung, wie sich der Einsatz von rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen auf den heutigen Taxiverkehr bzw. die hierfür notwendige Ladeinfrastruktur auswirken würde und leitet daraus relevante Erkenntnisse für die involvierten AkteurInnen ab. Zur detaillierten Beantwortung wird der gesamte Taxibetrieb zunächst als Zufallsprozess betrachtet und unter Anwendung von Markov-Ketten sowie Warteschlangensystemen modelliert. Darauf aufbauend wird eine stochastische Simulation entwickelt, die das Mobilitätsverhalten und den daraus resultierenden Ladebedarf einer gesamten E Taxi-flotte konsistent abbildet und einer tiefgehenden Untersuchung dient. Im Rahmen der technischen Machbarkeitsanalyse werden hierfür komplementäre Szenarien im Hinblick auf Flottengröße, Kapazität der Antriebsbatterie und Leistungsfähigkeit der Ladeinfrastruktur definiert. Damit ist es möglich, die entscheidenden Unterschiede hinsichtlich Betriebsarten (Tages-, Nacht- und Doppelschicht) und Ladestandorte (betriebliches und öffentliches Laden) präzise auszuarbeiten. Ferner kommt in der vorliegenden Arbeit ein evolutionärer Optimierungsalgorithmus zum Einsatz, der den erforderlichen Ausbau an öffentlicher Ladeinfrastruktur bedarfsgerecht berechnet. Gezielte Aussagen im Hinblick auf die Beschaffenheit und den optimalen Ausbau einer adäquaten Ladeinfrastruktur lassen sich dadurch unter Berücksichtigung der gewählten Basis- und Alternativszenarien treffen. Überdies werden auf Grundlage der ermittelten Ladeinfrastrukturnutzung die daraus resultierenden Summenladeprofile an den betrachteten Ladestandorten abgeleitet, die sich für das lokale elektrische Stromnetz ergebenden Auswirkungen untersucht sowie vorbeugende Lastmanagementstrategien diskutiert. Zur Abrundung der inhaltlichen Aspekte wird das Potenzial zur CO2-Reduktion bei der Umstellung einer Taxiflotte auf rein elektrisch betriebene Fahrzeuge erhoben und der dafür notwendige Ausbau an erneuerbaren Energiequellen dargelegt., Taxis are an essential complement to the local public transport as well as the individual motorized transport and contribute significantly to the covering of daily traffic. In addition, taxis have strong public perception and a large multiplier effect to electrify the entire taxi fleet. Therefore, the present thesis addresses the central questions of how the use of purely electrically driven vehicles affects today's taxi traffic, what kind of charging infrastructure is required and which findings can be derived for the actors involved. For detailed answers, the taxi operation is viewed as a random process and modelled using Markov chains and queue networks. Based on this, a stochastic simulation is developed to consistently map the mobility behaviour and the resulting charging requirements as well as to thoroughly examine the effects of an entire e-taxi fleet. As part of the technical feasibility study, complementary scenarios are defined in terms of fleet size, battery capacity and performance of the charging infrastructure. This enables the determination of the key differences in terms of operating modes (day, night and double shift) and charging infrastructure (public or private) precisely. Moreover, an evolutionary algorithm is used to calculate the optimal expansion and performance of the required public available charging infrastructure for all chosen scenarios. Based on the resulting charging infrastructure usage, the total power requirements at the charging locations are calculated. Furthermore, the effects on the local power grid are valuated and preventive load management strategies are discussed. In completion of the thematic content, the necessary renewable energy sources to cover the energy demand of an entire e-taxi fleet is outlined and the possible potential for CO2 reduction is estimated.

Motivation Stochastic molecular processes are a leading cause of cell-to-cell variability. Their dynamics are often described by continuous-time discrete-state Markov chains and simulated using stochastic simulation algorithms. As these stochastic simulations are computationally demanding, ordinary differential equation models for the dynamics of the statistical moments have been developed. The number of state variables of these approximating models, however, grows at least quadratically with the number of biochemical species. This limits their application to small- and medium-sized processes. Results In this article, we present a scalable moment-closure approximation (sMA) for the simulation of statistical moments of large-scale stochastic processes. The sMA exploits the structure of the biochemical reaction network to reduce the covariance matrix. We prove that sMA yields approximating models whose number of state variables depends predominantly on local properties, i.e. the average node degree of the reaction network, instead of the overall network size. The resulting complexity reduction is assessed by studying a range of medium- and large-scale biochemical reaction networks. To evaluate the approximation accuracy and the improvement in computational efficiency, we study models for JAK2/STAT5 signalling and NFκB signalling. Our method is applicable to generic biochemical reaction networks and we provide an implementation, including an SBML interface, which renders the sMA easily accessible. Availability and implementation The sMA is implemented in the open-source MATLAB toolbox CERENA and is available from https://github.com/CERENADevelopers/CERENA. Supplementary information Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Eine schleppende Modernisierung der russischen Landwirtschaft nach den USSR–Zeiten, die Annahme und Ratifizierung der Basel–Richtlinien, der Beitritt Russlands zur WTO im Jahr 2012 und schließlich die Ukraine–Krise und das damit verbundene Importverbot für mehrere Agrar- und Fischprodukte aus den USA, Kanada, Australien, der EU und Norwegen seit August 2014 sind die bedeutendsten Probleme, die mehr oder weniger in der vorliegenden Dissertation ihre Reflektion gefunden haben. Dies führt zu einem erhöhten Interesse die Tierhaltungsbetriebe um die Metropole Moskau unter besonderer Berücksichtigung der Unsicherheit zu analysieren und eine Prognose zu deren Erfolgsentwicklung zu erstellen. Daher ist es Ziel der vorliegenden Arbeit die drohenden Zahlungsunfähigkeiten der russischen Tierhaltungsbetriebe möglichst früh zu erkennen und gegensteuern zu können. Der Großteil der Tierhaltungsbetriebe in der Untersuchungsregion Moskau sind Milchviehbetriebe, weshalb diese schwerpunktmäßig den Untersuchungsgegenstand der vorliegenden Arbeit bildeten. Die Klassifizierung der Tierhaltungsbetriebe auf solvente und insolvente beruht auf der Anwendung der multivariaten Diskriminanzanalyse, ein Insolvenzprognoseverfahren, das in vielen Banken Europas und der USA angewandt wird. Die Berücksichtigung der Unsicherheit erfolgt im Betriebsmodell durch Einsetzung der stochastischen Simulation bzw. Monte-Carlo-Simulation, wobei die wichtigsten Zufallsvariablen (Preise, Erträge und Kontokorrentzins) in der Arbeit simuliert worden sind und ihr Einfluss auf der wirtschaftlichen Erfolgsentwicklung der typischen Betriebe quantitativ ermittelt wird. Nach den Ergebnissen der Diskriminanzanalyse lässt sich die Frage stellen, wie dieses Modell validiert werden kann, und welche Maßnahmen für die insolvent klassifizierten Milchviehbetrieben erforderlich sind, um sie aus der Notlage zu retten. Diese Fragen sind mit Hilfe eines Zahlungsstrommodells bearbeitet worden. Durch Expertenbefragungen wurden entsprechende Betriebsmodellannahmen und -anforderungen erstellt. Und zwar ließen sich aufbauend auf dem Referenzszenario drei Hauptszenarien bilden: Szenario 1 „Sanierung“, Szenario 2 „Management- und Vermarktungsverbesserung“, Szenario 3 „Risikoanalyse“, wobei die Maßnahmen von Szenarien 1 und 2 im Szenario 3 „Risikoanalyse“ stochastisch simuliert werden, um die wirtschaftlichen Risiken analysieren zu können. Insgesamt werden auf dem Datensatz von 31 Betrieben fünf typische Betriebe ausgewählt: je zwei solvent und insolvent klassifizierte Betriebe und ein Betrieb, der einen -Fehler in der Diskriminanzanalyse bildete. Ein Referenz-/Status–Quo–Szenario beschreibt die Datenzeitreihen aufgrund der Betriebs-Durchschnittswerte 2008-2010, der „betriebsindividualisierten“ Daten aus der russischen Statistik 2011-2013 und bildet eine Ausgangssituation für die Szenarien 1 bis 3 ab. Szenario 1a „Sanierung unter Russischem Insolvenzrecht“ steht dem Szenario 1b „Sanierung unter deutschem Insolvenzrecht“ gegenüber. Unter zukünftigen Management- und Vermarktungsverbesserungen wird Szenario 2a „Managementverbesserung ohne Investition“ und Szenario 2b „Managementverbesserung mit Investition“ verstanden, wobei die Lohnkosten verdoppelt und Wartung- und Instandhaltungskosten sowie sonstige Kosten angepasst werden. Im Szenario 2a ist die Milchleistung, das Gewicht bei den Milchkühen und der Grünland- und Silomaisertrag mit Hilfe der logistischen Funktion prognostiziert. Über einem Planungshorizont von zwölf Jahren können die solvent klassifizierten Milchviehbetriebe im Szenario 2b ihr Eigenkapital maximal vergrößern; das ist das beste Ergebnis im Vergleich zu allen betrachteten Entwicklungsalternativen. Im Szenario 3 „Risikoanalyse“ - stochastisch werden zehn relevante Zufallsvariablen und deren Volatilität im Rahmen der schon betrachteten Rahmenbedingungen der Ausgangssituation und der Szenarien 1 und 2 simuliert. Außerdem werden die Zielgrößen bzw. Erfolgsgrößen Eigenkapital nach Steuern, EK–Veränderung pro ha LF, interne EK-Verzinsung und Gewinn nach Steuern ausgewählt. Die dargestellten Ergebnisse erklären zum einen, wie das adäquate Insolvenzrecht den Sanierungsprozess unterstützen und die Agrarbetriebe zur Wiederherstellung ihrer Zahlungsfähigkeit führen kann. Zum anderen sollte davon ausgegangen werden, dass die Verbesserungen im Management mithin ebenfalls einen wesentlichen positiven Erfolg in der Betriebsentwicklung hervorrufen können, im Unterschied zu einer Betriebssanierung. Der Betrieb, der als -Fehler innerhalb der Diskriminanzanalyse klassifiziert wurde, ließ sich als ein profitabler Betrieb über den Planungshorizont von zwölf Jahren in allen betrachteten Szenarien einordnen. Für diesen Fall lässt sich festhalten, dass das Simulationsmodell in der betrachteten Zusammensetzung mit der multivariaten Diskriminanzanalyse zu Validierungszwecken der ermittelten Diskriminanzfunktion mittelbar gedient hat. The slow modernisation of the agricultural sector in the Russian Federation after the USSR era, the adoption and the ratification of the Basel Accords, the accession of Russia to the World Trade Organisation in 2012, and finally the crisis in the Ukraine, followed by the import ban on numerous agricultural, fishery products from the EU, USA, Canada, Australia, Norway in August 2014 are the most significant problems which found their reflection in this dissertation. This lead to an increased interest to analyse livestock farms in the Moscow region in consideration of risks in order to predict their profitable development. The goal of the current research was to identify the impending bankruptcy of the Russian livestock farms as early as possible in order to engage in efficient counter planning. The majority of the livestock farms in the Moscow region are dairy farms, which was why this type of livestock farming became the main topic of research for this thesis. The classification of dairy farms into solvent and insolvent farms is based on the application of the multivariate discriminant analysis, a bankruptcy predicting method that is widely used by many banks in Europe and the USA. The risk factor is taken into account in the empirical model of the dairy farm by setting up the stochastic Monte Carlo simulation with the most important random variables (prices, yields and interest rate) in order to quantitatively measure their influence on the economic profitability of a typical dairy farm. Following the results of the discriminant analysis, questions concerning the validation of this model were be raised. What measures were required for the dairy farms, classified as insolvent to deter bankruptcy? This question was examined using a cash flow model, summaries of relevant data and requirements for an empirical model of the dairy farms were collected through interviews of subject experts. On the basis of reference scenario/status quo scenario, three main scenarios were created: Scenario 1 Re-structuring, scenario 2 Improvement of Management and Marketing Activities, and scenario 3 Risk analysis, whereby the measures from scenarios 1 and 2 were stochastically simulated in the scenario 3 Risk analysis in order to be able to estimate the economic risks. From the data set of 31 farms, five typical model farms were selected: two correctly classified solvent, two correctly classified insolvent, and one, which showed up as a type 1 error in the discriminant analysis. A reference scenario describes the data period based on the average values of operational performance from 2008-2010, and the individualized data from the Russian statistics of 2011-2013 and forms a data basis for the scenarios 1 to 3. Scenario 1a Restructuring under Russian Insolvency Law is counterpoised to scenario 1b Restructuring under German Insolvency Law. Scenario 2a Improvement of Management and Marketing Activities without Investment and scenario 2b Improvement of Management and Marketing Activities with Investment contains measures to improve management and marketing. Labour costs were doubled, maintenance, repair costs as well as some other costs were adjusted; while the milk yields, the weight of the dairy cows, the silage yields and the yields of pastures, meadows have been estimated with a logistic function. Over a planning period of twelve years, the dairy farms classified as solvent maximised the increase of their equity capital in scenario 2b, which represents the best result compared to all other scenarios considered. Firstly, it has shown that an adequate insolvency law should support the restructuring process, secondly that training and education, consulting, motivation of employees through higher wages can lead to a better-combined performance in comparison to restructuring. In scenario 3 Risk Analysis, ten relevant random variables and their volatility were simulated and analysed within the frame conditions of the initial Scenarios 1 and 2. In addition, the target values selected were: equity after tax, equity change per hectare of agricultural area, internal equity interest and profit after tax. The presented results explain how on one hand, an adequate insolvency law can support the restructuring process and lead to reinstate solvency of the dairy farms. On the other hand, these results confirm, that the improvements in management can also lead to significant positive achievements in operational performance as opposed to restructuring. The farm, which belongs to type 1 error in the discriminant analysis, has ranked as a solvent dairy farm over the planning period of twelve years in all the scenarios considered. In this case, it can be concluded that the simulation model in the researched composition with the multivariate discriminant analysis has indirectly served to be applicable for validation purposes of the determined discriminant function.

Viele Studien zeigen, dass Miscanthus (MSC) im Vergleich zum klassischen Ackerbau ökonomisch vorteilhaft sein kann. Dennoch bauen Landwirte nur vereinzelt MSC an. Es hat den Anschein, dass Landwirte klassischen Investitionskalkülen nicht folgen. Im Unterschied zur traditionellen Investitionstheorie berücksichtigt der Realoptionsansatz (ROA) Irreversibilität und zeitliche Flexibilität einer Investition sowie die Unsicherheit hinsichtlich der Rückflüsse. Aus diesem Grund können die Investitionstrigger des ROA, ab denen ein Entscheider investieren sollte, höher als die der traditionellen Investitionstheorie sein. Häufig wird daraus in Nicht-MSC-Kontexten geschlussfolgert, dass der ROA Investitionszurückhaltung erklären kann. In vielen Anwendungen wird allerdings die Desinvestitionsmöglichkeit vernachlässigt. Es besteht daher die Gefahr, dass die gemäß ROA berechneten Investitionstrigger überhöht sind. Wir sind die Ersten, die den ROA auf die Umstellungsmöglichkeit von klassischem Ackerbau auf MSC anwenden und mit Hilfe einer Kombination aus genetischem Algorithmus und stochastischer Simulation Investitions- bzw. Umstellungstrigger (mit und ohne Rückumstellungsmöglichkeit) bestimmen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Umstellungstrigger des ROA bedeutend höher sind als die der traditionellen Investitionstheorie. Allerdings führt die Vernachlässigung der Rückumstellungsmöglichkeit zu einer Überschätzung der Umstellungszurückhaltung. Ein zunehmender Grad an Risikoaversion führt zu einer Verringerung der Umstellungstrigger beider Theorien. Es kann geschlussfolgert werden, dass der ROA die Zurückhaltung der Landwirte bei der Umstellung auf MSC zumindest teilweise erklären kann. Several studies applying the classical investment theory have shown that miscanthus (MSC) is an economically advantageous alternative to traditional agricultural land use. Nevertheless, only few farmers cultivate MSC. Therefore, it seems as if farmers do not act according to classical investment theory. In contrast to the classical investment theory, the real options approach (ROA) considers irreversibility and temporal flexibility of an investment as well as uncertainty with regard to investment returns. Consequently, investment triggers indicating when a decision-maker should invest can be shifted upwards in comparison to the classical investment theory. It is therefore often concluded that the ROA can help to explain investment restraint. However, the possibility of disinvestment is often neglected. Thus, there is the risk that calculated investment triggers of the ROA are overestimated. We develop a model by using a combination of a genetic algorithm and stochastic simulation in order to calculate investment triggers in general, and conversion triggers in particular (with and without reconversion possibilities) to the conversion possibility from wheat to MSC following the ROA. Our results show that the conversion triggers of the ROA are higher than those of the classical investment theory. Nevertheless, the neglection of disinvestment (reconversion) possibilities leads to overestimating conversion triggers. However, conversion triggers of the ROA are still higher than those of the classical investment theory. With an increasing risk attitude, conversion triggers of both theories decrease. It can be concluded that the ROA has the potential to partially explain farmers' inertia to convert to MSC.

A finite locus model to estimate additive variance and the breeding values was implemented using Gibbs sampling. Four different distributions for the size of the gene effects across the loci were considered: i) uniform with loci of different effects, ii) uniform with all loci having equal effects, iii) exponential, and iv) normal. Stochastic simulation was used to study the influence of the number of loci and the distribution of their effect assumed in the model analysis. The assumption of loci with different and uniformly distributed effects resulted in an increase in the estimate of the additive variance according to the number of loci assumed in the model of analysis, causing biases in the estimated breeding values. When the gene effects were assumed to be exponentially distributed, the estimate of the additive variance was still dependent on the number of loci assumed in the model of analysis, but this influence was much less. When assuming that all the loci have the same gene effects or when they were normally distributed, the additive variance estimate was the same regardless of the number of loci assumed in the model of analysis. The estimates were not significantly different from either the true simulated values or from those obtained when using the standard mixed model approach where an infinitesimal model is assumed. The results indicate that if the number of loci has to be assumed a priori, the most useful finite locus models are those assuming loci with equal effects or normally distributed effects. (C) Inra/Elsevier, Paris.

Investment decisions are, as a rule, characterized by uncertainty, irreversibility and flexibility. Simple net present value calculations will not account for these features. In many situations even flexible investment planning with decision trees, which represents the most advanced method of traditional investment appraisal, does not have the capacity to solve practical decision problems adequately. One handicap is a realistic and manageable representation of stochastic variables. It has long been known that stochastic simulation procedures offer a nearly unlimited capacity to represent distributions and stochastic processes. However, a standard simulation will not allow for the consideration of flexibility. The problem is that with a simple forward moving simulation of stochastic paths it is not clear at potential investment dates whether waiting or investing represents the optimal strategy. In this paper we show how stochastic simulation procedures can be integrated successfully into a backward recursive programming approach. The resulting modus operandi can be called “Bounded Recursive Stochastic Simulation” (BRSS). We use this efficient combination of simulation and dynamic programming to answer the question whether farmers should buy sales contracts which guarantee fixed prices for rye in the future. The results of the model affirm the importance of uncertainty and flexibility for investment decisions. They also show that the actual conditions offered by the wholesale buyer are not economically attractive for farmers, unless they are extremely risk averse. Thus, model results coincide with the empirical evidence that farmers do not enter these contracts.

Als effizienter Ansatz zur Verbrauchssimulation wird in der vorliegenden Arbeit ein stochastisches Simulationsverfahren vorgestellt. Dieses Verfahren ergänzt die explizite Berechnung im Zeitbereich. Unter Berücksichtigung statistisch ausgewerteter Fahrzeug- und Streckendaten berechnet es eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der zu erreichenden Energieeinsparung.

The risks associated with farming activities are likely to increase in the future. It, therefore, appears worthwhile to analyse new risk management instruments. This paper investigates weather derivatives for which a market has already emerged in the USA. Contrary to traditional financial derivatives, their payoff is determined by future weather events, such as temperature or precipitation. Thus, they hedge risks which result from climate. Since they address production risks they are complementary to instruments that hedge price risks, such as future markets. The objective of the paper is to evaluate the economic impacts of weather derivatives and to assess their potential as farm level instruments of risk management. After outlining the main characteristics and the functioning of weather derivatives and their emergence, emphasis is placed on model calculations to quantify farm level impacts. The potato farm is used as a case study. Empirical data on yields and weather variables are taken from an experiment station of the Chamber of Agriculture at Hanover, Germany. After studying the relationship between yields and weather variables, the findings are used to design an option based on a precipitation index. Stochastic simulation is then used to assess the effects on the probability distribution of revenues. The results show that weather derivatives can be useful instruments of risk management in agriculture. Since there is still a lack of knowledge with respect to some of their economic impacts, further research is needed. This refers to the choice of suitable commodities and weather indexes, the contractual design and methodological aspects of pricing and of integrating weather derivatives into the risk management of farms. Last but not least, the question has to be answered, as to which partners would be willing to accept the risk that farmers intend to reduce by means of weather derivatives.

Optimization has been recognized as a powerful tool in teaching and research for a long time. In spite of its well known problem solving capacity, some methodological obstacles have persisted over the years. The main problem is that stochastic variables and their correlations cannot be adequately accounted for within traditional optimization procedures. In this paper, we develop a methodological mix of stochastic simulation and a heuristic optimization procedure which has become known as genetic algorithms. The simulation part of the mix allows for the consideration of complex information such as stochastic processes; the genetic algorithms-part ensures that the method remains manageable in terms of required time and resources. We demonstrate the decision support potential of the approach by optimizing the production program of a Brandenburg crop farm. We account for the risky environment by using existing stochastic information: on the one hand, we model man-days which are available in critical seasons (particularly harvesting) as triangular distributions according to expert estimations. On the other hand, we use empirical time series and estimate stochastic processes for the gross margins of different activities (wheat, barley etc.). Additionally, variant calculations are made in order to take into account different risk attitudes of decision-makers. Model results in terms of optimal production programs and expected total gross margins are highly sensitive both to the risk attitudes of decision-makers and the stochastic processes which are estimated for different activities.

Verfasser: Markus Sandbichler Mit engl. Zsfassung Wien, Univ. für Bodenkultur, Masterarb., 2011

The article examines the market and welfare effects of the current CAP reform and further policy options on the EU dairy market. The main focus is the influence of unstable world markets and the uncertainty it generates in policy analysis which has been widely neglected. The simulations of a stochastic dairy market model reveal that the considered policy options affect the impact of world market instabilities on the EU dairy market. Thus, not only a changing level of producer price or revenues can be expected, but also a changing degree of instability. Policy making without taking such instability changes into account may lead to undesired effects and, finally, could undermine the realisation of policy objectives. Also, the evaluation of the welfare effects of the policy options is more sophisticated than in a deterministic examination. With respect to the assessment of the CAP reform the simulations show that its impact on the EU dairy market instability as well as on the uncertainty of the welfare effects depends crucially on whether the quota is binding or not.

IBK Bericht, 287, ISBN:3-7281-2982-8

Agrarmärkte sind oft durch Unsicherheit gekennzeichnet - hervorgerufen vor allem durch Zufallsschwankungen in Angebot und Nachfrage. Das Ziel der vorliegenden Studie besteht darin, die Konsequenzen solcher Unsicherheiten für die Bewertung und Gestaltung der vor einer grundlegenden Neuausrichtung stehenden EU-Milchmarktpolitik zu untersuchen. Zunächst legen empirische Betrachtungen anhand der Zeitreihen verschiedener Marktgrößen nahe, dass Unsicherheit für die Akteure auf dem EU-Milchmarkt tatsächlich ein relevantes Phänomen ist. So sind etwa Preisschwankungen trotz der auf eine Marktstabilisierung ausgerichteten staatlichen Eingriffe zu beobachten. Anhaltspunkte konnten auch zu den Ursachen der Marktunsicherheiten gewonnen werden. Während Angebot und Nachfrage in der EU eine eher stabile Entwicklung aufweisen, neigen die internationalen Milchproduktmärkte zu Fluktuationen. Zur Analyse der Auswirkungen staatlicher Eingriffe auf dem Milchmarkt bei Unsicherheit dient ein stochastisches partielles Marktgleichgewichtsmodell. Das Modell bildet die spezifischen Strukturen des Milchmarkts mit dem Rohmilchangebot, der Milchverarbeitung und der Nachfrage nach den verschiedenen Milchprodukten ab. Zur Integration von Unsicherheit wird die Modellstruktur um stochastische Variablen in den Angebots- und Nachfragefunktionen erweitert. Mit Quotenregelung, Zöllen und Exporterstattungen lassen sich wesentliche Politikinstrumente untersuchen. Gegenstand der Betrachtungen sind mögliche Auswirkungen einer neuen multilateralen Handelsvereinbarung im Rahmen der Welthandelsorganisation (WTO) sowie die Effekte dreier für den Milchmarkt formulierter Politikszenarien. Diese Politikoptionen sind die im Juni 2003 in Luxemburg beschlossene Agrarreform, eine in der Fachöffentlichkeit oft diskutierte Quotenkürzung und eine vollständige Liberalisierung des Milchmarkts samt Quotenabschaffung. Die Ergebnisse zeigen, dass veränderte Preis- und Mengeneingriffe nicht nur zu Verschiebungen im Niveau von Zielgrößen, wie beispielsweise von Erzeugerpreisen und Erlösen in der EU und auf Drittlandsmärkten führen, sondern ebenso zu veränderten Streuungen. Zusätzliche Einsichten vermitteln die Ergebnisse darüber hinaus bezüglich der Unsicherheit in der Planung der öffentlichen Ausgaben am Milchmarkt und in der Vorhersage der Wohlfahrtseffekte von Politikänderungen. Gegenüber einer deterministischen Betrachtung wird eine Politikanalyse am Milchmarkt unter expliziter Berücksichtigung von Unsicherheit damit komplexer und die Beurteilung von Politikoptionen differenzierter.

IBK Bericht, 248, ISBN:3-7643-6420-3

Arbeitspapier / UNS, 8

Bericht / Institut für Baustatik und Konstruktion ETH Zürich, 199, ISBN:3-7643-2967-X

Bericht / Institut für Baustatik und Konstruktion ETH Zürich, 90, ISBN:3-7643-1121-5

In den letzten Dekaden sind hohe Inzuchtraten in züchterisch bearbeiteten Rinderrassen unter Anwendung der Abschnittsselektion in die Kritik geraten. Gründe hierfür sind die ineffiziente Konvertierung der genetischen Diversität in Zuchtfortschritt und erhöhtes Risiko für Inzuchtdepression (Falconer and Mackay, 1996; Woolliams et al., 2015a). Eine Lösung bietet die Optimum Contribution Selection (OCS) (Meuwissen, 1997b). Diese ermöglicht die Maximierung des Zuchtfortschritts bei gleichzeitiger Restriktion der Inzuchtrate. Dieser Ansatz wurde von Wellmann et al. (2012) um zwei Komponenten erweitert: Den fremdgenetischen Anteil und die native genetische Diversität der betrachteten Rasse. Erst durch diese Erweiterungen kann die advanced OCS (aOCS) für die Erhaltungszucht von Regionalrassen mit historischer Einkreuzung zur Leistungssteigerung genutzt werden. Die Grundlagenforschung zur Funktionalität der aOCS ist bereits abgeschlossen (Wang et al., 2017a; b). Die Ziele dieses Projekts waren (I) ein Vergleich verschiedener OCS Methoden, um deren Anwendbarkeit begleitend zur Zuchtwertschätzung und unter gegebenen Populationsparametern nach Hartwig et al. (2013) zu bestätigen. (II) Eine Machbarkeitsstudie zur empirischen Absicherung der Anwendbarkeit der gewählten OCS Methode. Durch die Machbarkeitsstudie sollten die Kosten der Implementierung der OCS beim Vorderwälder Rind abgeschätzt und dem Nutzen gegenübergestellt werden. (III) Die Entwicklung geeigneter Lösungsstrategien zur Implementierung einer OCS Methode im Anschluss an die Zuchtwertschätzung am Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg. Im Vordergrund stand dabei die Entwicklung der routinemäßigen Anwendung der OCS Methode. (IV) Die Entwicklung eines geeigneten Zuchtprogramms. Hierbei musste der hohe Natursprunganteil (~ 50 %) der vorliegenden Population beachtet werden. Kapitel 1 enthält eine offene Diskussion der finanziellen, strukturellen und sozialen Hürden, die die Umsetzung der OCS in realen Zuchtprogrammen behindern. Dieses Kapitel bezieht sich auf kooperative Zuchtprogramme in kleinbäuerlichen Strukturen Deutschlands, da dies eine häufige Organisationsstruktur von Regionalrassen ist. Kapitel 2 ist eine Machbarkeitsstudie. Unter Einbeziehung der diskutierten Hürden aus Kapitel 1, wird ein konkretes Zuchtprogramm entwickelt. Dieses soll unter realen Bedingungen umsetzbar sein. Um die Anwendbarkeit des Zuchtprogramms empirisch abzusichern, wird eine stochastische Simulationsstudie durchgeführt. Diese dient der Analyse von Schwachstellen im entwickelten Zuchtprogramm und der Formulierung des Optimierungsprozesses mit aOCS. Zusätzlich ermöglicht die spezielle Formulierung des Simulationsprozesses einen direkten Vergleich der simulierten und realen Populationen. Kapitel 3 stellt eine Erweiterung der Machbarkeitsstudie aus Kapitel 2 dar und soll die Anwendbarkeit des entwickelten Zuchtprogramms unter aktuellen Bedingungen der Vorderwälder Rasse absichern. Der fremdgenetische Anteil der Vorderwälder Rasse lag im Jahr 2014 bei bereits 61 %. Deshalb wurde der Optimierungsprozess der aOCS angepasst, um Möglichkeiten zur Reduzierung der fremdgenetischen Anteile zu prüfen. Die vorliegende Dissertationsschrift endet mit einer allgemeinen Diskussion. In dieser werden konkrete Empfehlungen erarbeitet, die die Implementierung des entwickelten Zuchtprogramms aus Kapitel 2 in der Vorderwälder Rasse und vergleichbaren Regionalrassen ermöglichen. Over the last decades, cattle breeding schemes that used truncation selection provoked high inbreeding rates and were perceived increasingly critical. Reasons are the inefficient conversion of genetic variance in genetic gain and an increased risk of inbreeding depression (Falconer and Mackay, 1996; Woolliams et al., 2015a). A solution was found by Meuwissen (1997) by introducing Optimum Contribution Selection (OCS). OCS facilitates the maximization of genetic gain meanwhile restricting inbreeding rates to predefined levels. Wellmann et al. (2012) extended the existing OCS approach by two components: Migrant contributions and native genetic variance of the breed under observation. The resulting advanced OCS (aOCS) facilitates the implementation in regional breeds that have been crossbred with commercial breeds for upgrading reasons. Basic research has already been carried out (Wang et al., 2017a; b). The objectives of the underlying project were (I) a comparison of OCS approaches to be implemented in Vorderwald cattle by underlying population parameters following Hartwig et al. (2013). (II) A feasibility study to give empirical prove of the applicability of the chosen OCS approach in Vorderwald cattle. The main focus was on the costs of implementing OCS in Vorderwald cattle. These were contrasted with the benefits. (III) The development of strategies to implement an OCS approach in connection to the breeding value estimation at the Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg. The development of routine applications was paramount here. (IV) The development of a suitable breeding scheme that fits a proportion of 50 % natural mating in the actual Vorderwald population. Chapter 1 is an opinion article about financial, structural and social obstacles that impede the implementation of OCS in real breeding schemes. This chapter is mainly related to small scale cooperative breeding schemes of Germany, since this is a common organizational structure of regional breeds. Chapter 2 is a feasibility study. On basis of the identified obstacles of Chapter 1, a concrete and easy to implement breeding scheme will be developed. A stochastic simulation will be carried out, to reveal flaws in the developed breeding scheme and aOCS approach. Additionally, results of the stochastic simulation are directly comparable to real data. Chapter 3 is an extension of the feasibility study of Chapter 2 and proofs the feasibility of the developed breeding scheme under actual conditions of the Vorderwald cattle breed. Migrant contributions to the Vorderwald cattle breed reached 61 % in 2014. Thus, the aOCS approach was modified to test for possibilities of reducing this level. The thesis will end with a general discussion. Recommendations will be given, how to implement the developed breeding scheme of Chapter 2 in Vorderwald cattle and comparable breeds.