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  • ddc:510  (7)
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  • 1
    Publication Date: 2021-08-05
    Description: Given a general mixed integer program (MIP), we automatically detect block structures in the constraint matrix together with the coupling by capacity constraints arising from multi-commodity-flow formulations. We identify the underlying graph and generate cutting planes based on cuts in the detected network. Our implementation adds a separator to the branch-and-cut libraries of SCIP and CPLEX. We make use of the complemented mixed integer rounding framework (cMIR) but provide a special purpose aggregation heuristic that exploits the network structure. Our separation scheme speeds-up the computation for a large set of MIPs coming from network design problems by a factor of two on average.
    Keywords: ddc:510
    Language: English
    Type: reportzib , doc-type:preprint
    Format: application/pdf
    Format: application/postscript
    Library Location Call Number Volume/Issue/Year Availability
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  • 2
    Publication Date: 2021-08-05
    Description: Starting with the description of the Traveling Salesmen Problem formulation as given by van Vyve and Wolsey in the article Approximate extended formulations'', we investigate the effects of small variations onto the performance of contemporary mixed integer programming solvers. We will show that even minor changes in the formulation of the model can result in performance difference of more than a factor of 1000. As the results show it is not obvious which changes will result in performance improvements and which not.
    Keywords: ddc:510
    Language: English
    Type: reportzib , doc-type:preprint
    Format: application/pdf
    Format: application/postscript
    Library Location Call Number Volume/Issue/Year Availability
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  • 3
    Publication Date: 2021-08-05
    Description: This thesis introduces the novel paradigm of constraint integer programming (CIP), which integrates constraint programming (CP) and mixed integer programming (MIP) modeling and solving techniques. It is supplemented by the software SCIP, which is a solver and framework for constraint integer programming that also features SAT solving techniques. SCIP is freely available in source code for academic and non-commercial purposes. Our constraint integer programming approach is a generalization of MIP that allows for the inclusion of arbitrary constraints, as long as they turn into linear constraints on the continuous variables after all integer variables have been fixed. The constraints, may they be linear or more complex, are treated by any combination of CP and MIP techniques: the propagation of the domains by constraint specific algorithms, the generation of a linear relaxation and its solving by LP methods, and the strengthening of the LP by cutting plane separation. The current version of SCIP comes with all of the necessary components to solve mixed integer programs. In the thesis, we cover most of these ingredients and present extensive computational results to compare different variants for the individual building blocks of a MIP solver. We focus on the algorithms and their impact on the overall performance of the solver. In addition to mixed integer programming, the thesis deals with chip design verification, which is an important topic of electronic design automation. Chip manufacturers have to make sure that the logic design of a circuit conforms to the specification of the chip. Otherwise, the chip would show an erroneous behavior that may cause failures in the device where it is employed. An important subproblem of chip design verification is the property checking problem, which is to verify whether a circuit satisfies a specified property. We show how this problem can be modeled as constraint integer program and provide a number of problem-specific algorithms that exploit the structure of the individual constraints and the circuit as a whole. Another set of extensive computational benchmarks compares our CIP approach to the current state-of-the-art SAT methodology and documents the success of our method.
    Description: Diese Arbeit stellt einen integrierten Ansatz aus Constraint Programming (CP) und Gemischt-Ganzzahliger Programmierung (Mixed Integer Programming, MIP) vor, den wir Constraint Integer Programming (CIP) nennen. Sowohl Modellierungs- als auch Lösungstechniken beider Felder fließen in den neuen integrierten Ansatz ein, um die unterschiedlichen Stärken der beiden Gebiete zu kombinieren. Als weiteren Beitrag stellen wir der wissenschaftlichen Gemeinschaft die Software SCIP zur Verfügung, die ein Framework für Constraint Integer Programming darstellt und zusätzlich Techniken des SAT-Lösens beinhaltet. SCIP ist im Source Code für akademische und nicht-kommerzielle Zwecke frei erhältlich. Unser Ansatz des Constraint Integer Programming ist eine Verallgemeinerung von MIP, die zusätzlich die Verwendung beliebiger Constraints erlaubt, solange sich diese durch lineare Bedingungen ausdrücken lassen falls alle ganzzahligen Variablen auf feste Werte eingestellt sind. Die Constraints werden von einer beliebigen Kombination aus CP- und MIP-Techniken behandelt. Dies beinhaltet insbesondere die Domain Propagation, die Relaxierung der Constraints durch lineare Ungleichungen, sowie die Verstärkung der Relaxierung durch dynamisch generierte Schnittebenen. Die derzeitige Version von SCIP enthält alle Komponenten, die für das effiziente Lösen von Gemischt-Ganzzahligen Programmen benötigt werden. Die vorliegende Arbeit liefert eine ausführliche Beschreibung dieser Komponenten und bewertet verschiedene Varianten in Hinblick auf ihren Einfluß auf das Gesamt-Lösungsverhalten anhand von aufwendigen praktischen Experimenten. Dabei wird besonders auf die algorithmischen Aspekte eingegangen. Der zweite Hauptteil der Arbeit befasst sich mit der Chip-Design-Verifikation, die ein wichtiges Thema innerhalb des Fachgebiets der Electronic Design Automation darstellt. Chip-Hersteller müssen sicherstellen, dass der logische Entwurf einer Schaltung der gegebenen Spezifikation entspricht. Andernfalls würde der Chip fehlerhaftes Verhalten aufweisen, dass zu Fehlfunktionen innerhalb des Gerätes führen kann, in dem der Chip verwendet wird. Ein wichtiges Teilproblem in diesem Feld ist das Eigenschafts-Verifikations-Problem, bei dem geprüft wird, ob der gegebene Schaltkreisentwurf eine gewünschte Eigenschaft aufweist. Wir zeigen, wie dieses Problem als Constraint Integer Program modelliert werden kann und geben eine Reihe von problemspezifischen Algorithmen an, die die Struktur der einzelnen Constraints und der Gesamtschaltung ausnutzen. Testrechnungen auf Industrie-Beispielen vergleichen unseren Ansatz mit den bisher verwendeten SAT-Techniken und belegen den Erfolg unserer Methode.
    Keywords: ddc:510
    Language: English
    Type: doctoralthesis , doc-type:doctoralThesis
    Format: application/pdf
    Format: application/pdf
    Library Location Call Number Volume/Issue/Year Availability
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  • 4
    Publication Date: 2021-08-05
    Description: We address the property checking problem for SoC design verification at the register transfer level (RTL) by integrating techniques from integer programming, constraint programming, and SAT solving. Specialized domain propagation and preprocessing algorithms for individual RTL operations extend a general constraint integer programming framework. Conflict clauses are learned by analyzing infeasible LPs and deductions, and by employing reverse propagation. Experimental results show that our approach outperforms SAT techniques for proving the validity of properties on circuits containing arithmetics.
    Keywords: ddc:510
    Language: English
    Type: reportzib , doc-type:preprint
    Format: application/pdf
    Library Location Call Number Volume/Issue/Year Availability
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  • 5
    Publication Date: 2022-03-14
    Description: This article introduces constraint integer programming (CIP), which is a novel way to combine constraint programming (CP) and mixed integer programming (MIP) methodologies. CIP is a generalization of MIP that supports the notion of general constraints as in CP. This approach is supported by the CIP framework SCIP, which also integrates techniques from SAT solving. SCIP is available in source code and free for non-commercial use. We demonstrate the usefulness of CIP on two tasks. First, we apply the constraint integer programming approach to pure mixed integer programs. Computational experiments show that SCIP is almost competitive to current state-of-the-art commercial MIP solvers. Second, we employ the CIP framework to solve chip design verification problems, which involve some highly non-linear constraint types that are very hard to handle by pure MIP solvers. The CIP approach is very effective here: it can apply the full sophisticated MIP machinery to the linear part of the problem, while dealing with the non-linear constraints by employing constraint programming techniques.
    Keywords: ddc:510
    Language: English
    Type: reportzib , doc-type:preprint
    Format: application/pdf
    Format: application/postscript
    Library Location Call Number Volume/Issue/Year Availability
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  • 6
    Publication Date: 2021-08-05
    Description: In the recent years there has been tremendous progress in the development of algorithms to find optimal solutions for integer programs. In many applications it is, however, desirable (or even necessary) to generate all feasible solutions. Examples arise in the areas of hardware and software verification and discrete geometry. In this paper, we investigate how to extend branch-and-cut integer programming frameworks to support the generation of all solutions. We propose a method to detect so-called unrestricted subtrees, which allows us to prune the integer program search tree and to collect several solutions simultaneously. We present computational results of this branch-and-count paradigm which show the potential of the unrestricted subtree detection.
    Keywords: ddc:510
    Language: English
    Type: reportzib , doc-type:preprint
    Format: application/pdf
    Format: application/postscript
    Library Location Call Number Volume/Issue/Year Availability
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  • 7
    Publication Date: 2021-08-05
    Description: This thesis introduces the novel paradigm of "constraint integer programming" (CIP), which integrates constraint programming (CP) and mixed integer programming (MIP) modeling and solving techniques. It is supplemented by the software SCIP, which is a solver and framework for constraint integer programming that also features SAT solving techniques. SCIP is freely available in source code for academic and non-commercial purposes. Our constraint integer programming approach is a generalization of MIP that allows for the inclusion of arbitrary constraints, as long as they turn into linear constraints on the continuous variables after all integer variables have been fixed. The constraints, may they be linear or more complex, are treated by any combination of CP and MIP techniques: the propagation of the domains by constraint specific algorithms, the generation of a linear relaxation and its solving by LP methods, and the strengthening of the LP by cutting plane separation. The current version of SCIP comes with all of the necessary components to solve mixed integer programs. In the thesis, we cover most of these ingredients and present extensive computational results to compare different variants for the individual building blocks of a MIP solver. We focus on the algorithms and their impact on the overall performance of the solver. In addition to mixed integer programming, the thesis deals with chip design verification, which is an important topic of electronic design automation. Chip manufacturers have to make sure that the logic design of a circuit conforms to the specification of the chip. Otherwise, the chip would show an erroneous behavior that may cause failures in the device where it is employed. An important subproblem of chip design verification is the property checking problem, which is to verify whether a circuit satisfies a specified property. We show how this problem can be modeled as constraint integer program and provide a number of problem-specific algorithms that exploit the structure of the individual constraints and the circuit as a whole. Another set of extensive computational benchmarks compares our CIP approach to the current state-of-the-art SAT methodology and documents the success of our method.
    Description: Diese Arbeit stellt einen integrierten Ansatz aus "Constraint Programming" (CP) und Gemischt-Ganzzahliger Programmierung ("Mixed Integer Programming", MIP) vor, den wir "Constraint Integer Programming" (CIP) nennen. Sowohl Modellierungs- als auch Lösungstechniken beider Felder fließen in den neuen integrierten Ansatz ein, um die unterschiedlichen Stärken der beiden Gebiete zu kombinieren. Als weiteren Beitrag stellen wir der wissenschaftlichen Gemeinschaft die Software SCIP zur Verfügung, die ein Framework für Constraint Integer Programming darstellt und zusätzlich Techniken des SAT-Lösens beinhaltet. SCIP ist im Source Code für akademische und nicht-kommerzielle Zwecke frei erhältlich. Unser Ansatz des Constraint Integer Programming ist eine Verallgemeinerung von MIP, die zusätzlich die Verwendung beliebiger Constraints erlaubt, solange sich diese durch lineare Bedingungen ausdrücken lassen falls alle ganzzahligen Variablen auf feste Werte eingestellt sind. Die Constraints werden von einer beliebigen Kombination aus CP- und MIP-Techniken behandelt. Dies beinhaltet insbesondere die "Domain Propagation", die Relaxierung der Constraints durch lineare Ungleichungen, sowie die Verstärkung der Relaxierung durch dynamisch generierte Schnittebenen. Die derzeitige Version von SCIP enthält alle Komponenten, die für das effiziente Lösen von Gemischt-Ganzzahligen Programmen benötigt werden. Die vorliegende Arbeit liefert eine ausführliche Beschreibung dieser Komponenten und bewertet verschiedene Varianten in Hinblick auf ihren Einfluß auf das Gesamt-Lösungsverhalten anhand von aufwendigen praktischen Experimenten. Dabei wird besonders auf die algorithmischen Aspekte eingegangen. Ein weiterer Hauptteil der Arbeit befasst sich mit der Chip-Design-Verifikation, die ein wichtiges Thema innerhalb des Fachgebiets der "Electronic Design Automation" darstellt. Chip-Hersteller müssen sicherstellen, dass der logische Entwurf einer Schaltung der gegebenen Spezifikation entspricht. Andernfalls würde der Chip fehlerhaftes Verhalten aufweisen, dass zu Fehlfunktionen innerhalb des Gerätes führen kann, in dem der Chip verwendet wird. Ein wichtiges Teilproblem in diesem Feld ist das Eigenschafts-Verifikations-Problem, bei dem geprüft wird, ob der gegebene Schaltkreisentwurf eine gewünschte Eigenschaft aufweist. Wir zeigen, wie dieses Problem als Constraint Integer Program modelliert werden kann und geben eine Reihe von problemspezifischen Algorithmen an, die die Struktur der einzelnen Constraints und der Gesamtschaltung ausnutzen. Testrechnungen auf Industrie-Beispielen vergleichen unseren Ansatz mit den bisher verwendeten SAT-Techniken und belegen den Erfolg unserer Methode.
    Keywords: ddc:510
    Language: English
    Type: doctoralthesis , doc-type:doctoralThesis
    Format: application/pdf
    Library Location Call Number Volume/Issue/Year Availability
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