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Description: This thesis deals with a Dial-a-Ride problem on trees and considers both offline and online versions of this problem. We study the behavior of certain algorithms on random instances, i.e. we do probabilistic analysis. The focus is on results describing the typical behavior of the algorithms, i.e. results holding with (asymptotically) high probability. For the offline version, we present a simplified proof of a result of Coja-Oghlan, Krumke und Nierhoff. The results states that some heuristic using a minimum spanning tree to approximate a Steiner tree gives optimal results with high probability. This explains why this heuristic produces optimal solutions quite often. In the second part, probabilistic online versions of the problem are introduced. We study the online strategies REPLAN and IGNORE. Regarding the IGNORE strategy we can show that it works almost optimal under high load with high probability.

Description: All-optical telecommunication networks allow for switching connections by lightpaths which can pass several network links without any opto-electronic conversion. Upon arrival of a connection request, it must be decided online, i.e., without knowledge of future requests, if it is accepted and in that case on which lightpaths the connection is routed. This online problem with the goal of maximizing the total profit gained by accepted requests is called Dynamic Singleclass Call Admission Problem (DSCA). We present existing and new algorithms for the DSCA as well as their theoretical and practical evaluation.

Description: This diploma thesis deals with the restoration problem in telecommunication networks. The goal is to find a cost minimal capacity capacity assignment on the edges and nodes of a network such that given demands can be satisfied even in case of the failure of an edge or node in the network. Moreover, restrictions on the routing paths (like length restrictions) and hardware constraints have to be satisfied. A Mixed Integer Programming model is presented which takes into account restoration requirements as well as hardware constraints and which abstracts from a particular restoration protocol and failure situation. This abstraction provides new insight into the structure of the network restoration problem and shows that from a mathematical point of view, the commonly used restoration techniques Link Restoration, Path Restoration and Reservation are not as different as they seem to be from a practical point of view. In addition, our model allows (but is not limited to) optimizing working capacity, intended for normal use, and spare capacity, intended for rerouting purposes in case of a failure, in one step. Furthermore, our formulation of capacity cost allows taking into account the effects of discrete, non-linear cost structures which are common in practice. Up to our knowledge, no publication in the existing literature covers all these aspects, let alone in one model, although they are of major practical interest. The model has been implemented in a Branch and Cut framework. The theoretical background of the algorithmic procedure is presented in detail, including computational complexity investigations on the pricing problem. The abstraction from a particular restoration protocol turns out to be useful both from a theoretical and computational point of view. In fact, our investigations suggest a distinction into Local Restoration and Global Restoration rather than into Link Restoration,Path Restoration, Reservation and mixtures of these concepts. In addition to the theoretical aspects of the algorithmic procedure, some implementational details are briefly discussed. Our implementation has been tested on 14 real world instances, which is described in detail. One part of the computational results consists of a comparison of optimal network cost values using diffeent restoration mechanisms, applied to securing either all single node failures, all single edge failures or both. In addition, the effects of a discrete cost structure are investigated, which has rarely been considered yet in literature. Furthermore, the cost ifference between joint and successive working and spare capacity optimization is investigated. In the second part of the computational results, several heuristics for the network restoration problem are compared with respect to both solution quality and time. This diploma thesis deals with the restoration problem in telecommunication networks. The goal is to find a cost minimal capacity capacity assignment on the edges and nodes of a network such that given demands can be satisfied even in case of the failure of an edge or node in the network. Moreover, restrictions on the routing paths (like length restrictions) and hardware constraints have to be satisfied. A Mixed Integer Programming model is presented which takes into account restoration requirements as well as hardware constraints and which abstracts from a particular restoration protocol and failure situation. This abstraction provides new insight into the structure of the network restoration problem and shows that from a mathematical point of view, the commonly used restoration techniques Link Restoration, Path Restoration and Reservation are not as different as they seem to be from a practical point of view. In addition, our model allows (but is not limited to) optimizing working capacity, intended for normal use, and spare capacity, intended for rerouting purposes in case of a failure, in one step. Furthermore, our formulation of capacity cost allows taking into account the effects of discrete, non-linear cost structures which are common in practice. Up to our knowledge, no publication in the existing literature covers all these aspects, let alone in one model, although they are of major practical interest. The model has been implemented in a Branch and Cut framework. The theoretical background of the algorithmic procedure is presented in detail, including computational complexity investigations on the pricing problem. The abstraction from a particular restoration protocol turns out to be useful both from a theoretical and computational point of view. In fact, our investigations suggest a distinction into Local Restoration and Global Restoration rather than into Link Restoration, Path Restoration, Reservation and mixtures of these concepts. In addition to the theoretical aspects of the algorithmic procedure, some implementational details are briefly discussed. Our implementation has been tested on 14 real world instances, which is described in detail. One part of the computational results consists of a comparison of optimal network cost values using different restoration mechanisms, applied to securing either all single node failures, all single edge failures or both. In addition, the effects of a discrete cost structure are investigated, which has rarely been considered yet in literature. Furthermore, the cost difference between joint and successive working and spare capacity optimization is investigated. In the second part of the computational results, several heuristics for the network restoration problem are compared with respect to both solution quality and time.

Description: Als Cluster Analyse bezeichnet man den Prozess der Suche und Beschreibung von Gruppen (Clustern) von Objekten, so daß die Objekte innerhalb eines Clusters bezüglich eines gegebenen Maßes maximal homogen sind. Die Homogenität der Objekte hängt dabei direkt oder indirekt von den Ausprägungen ab, die sie für eine Anzahl festgelegter Attribute besitzen. Die Suche nach Clustern läßt sich somit als Optimierungsproblem auffassen, wobei die Anzahl der Cluster vorher bekannt sein muß. Wenn die Anzahl der Objekte und der Attribute groß ist, spricht man von komplexen, hoch-dimensionalen Cluster Problemen. In diesem Fall ist eine direkte Optimierung zu aufwendig, und man benötigt entweder heuristische Optimierungsverfahren oder Methoden zur Reduktion der Komplexität. In der Vergangenheit wurden in der Forschung fast ausschließlich Verfahren für geometrisch basierte Clusterprobleme entwickelt. Bei diesen Problemen lassen sich die Objekte als Punkte in einem von den Attributen aufgespannten metrischen Raum modellieren; das verwendete Homogenitätsmaß basiert auf der geometrischen Distanz der den Objekten zugeordneten Punkte. Insbesondere zur Bestimmung sogenannter metastabiler Cluster sind solche Verfahren aber offensichtlich nicht geeignet, da metastabile Cluster, die z.B. in der Konformationsanalyse von Biomolekülen von zentraler Bedeutung sind, nicht auf einer geometrischen, sondern einer dynamischen Ähnlichkeit beruhen. In der vorliegenden Arbeit wird ein allgemeines Clustermodell vorgeschlagen, das zur Modellierung geometrischer, wie auch dynamischer Clusterprobleme geeignet ist. Es wird eine Methode zur Komplexitätsreduktion von Clusterproblemen vorgestellt, die auf einer zuvor generierten Komprimierung der Objekte innerhalb des Datenraumes basiert. Dabei wird bewiesen, daß eine solche Reduktion die Clusterstruktur nicht zerstört, wenn die Komprimierung fein genug ist. Mittels selbstorganisierter neuronaler Netze lassen sich geeignete Komprimierungen berechnen. Um eine signifikante Komplexitätsreduktion ohne Zerstörung der Clusterstruktur zu erzielen, werden die genannten Methoden in ein mehrstufiges Verfahren eingebettet. Da neben der Identifizierung der Cluster auch deren effiziente Beschreibung notwendig ist, wird ferner eine spezielle Art der Komprimierung vorgestellt, der eine Boxdiskretisierung des Datenraumes zugrunde liegt. Diese ermöglicht die einfache Generierung von regelbasierten Clusterbeschreibungen. Für einen speziellen Typ von Homogenitätsfunktionen, die eine stochastische Eigenschaft besitzen, wird das mehrstufige Clusterverfahren um eine Perroncluster Analyse erweitert. Dadurch wird die Anzahl der Cluster, im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, nicht mehr als Eingabeparameter benötigt. Mit dem entwickelten Clusterverfahren kann erstmalig eine computergestützte Konformationsanalyse großer, für die Praxis relevanter Biomoleküle durchgeführt werden. Am Beispiel des HIV Protease Inhibitors VX-478 wird dies detailliert beschrieben.

Description: Mobile cellular communcication is a key technology in today's information age. Despite the continuing improvements in equipment design, interference is and will remain a limiting factor for the use of radio communication. This Ph. D. thesis investigates how to prevent interference to the largest possible extent when assigning the available frequencies to the base stations of a GSM cellular network. The topic is addressed from two directions: first, new algorithms are presented to compute "good" frequency assignments fast; second, a novel approach, based on semidef inite programming, is employed to provide lower bounds for the amount of unavoidable interference. The new methods proposed for automatic frequency planning are compared in terms of running times and effectiveness in computational experiments, where the planning instances are taken from practice. For most of the heuristics the running time behavior is adequate for inter active planning; at the same time, they provide reasonable assignments from a practical point of view (compared to the currently best known, but substantially slower planning methods). In fact, several of these methods are successfully applied by the German GSM network operator E-Plus. The currently best lower bounds on the amount of unavoidable (co-channel) interference are obtained from solving semidefinite programs These programs arise as nonpolyhedral relaxation of a minimum /c-parti tion problem on complete graphs. The success of this approach is made plausible by revealing structural relations between the feasible set of the semidefinite program and a polytope associated with an integer linear programming formulation of the minimum ^-partition problem. Comparable relations are not known to hold for any polynomial time solvable polyhedral relaxation of the minimum ^-partition problem. The appli cation described is one of the first of semidefinite programming for large industrial problems in combinatorial optimization.

Description: In der vorliegenden Dissertation untersuchen wir die Optimierung von ausfallsicheren Telekommunikationsnetzwerken. Wir präsentieren unterschiedliche gemischt-ganzzahlige Modelle für die diskrete Kapazitätsttruktu,, sowie für die Sicherung des Netzes gegen den Ausfall einzelner Komponenten. Die Modelle wurden in einer Kooperation mit der E-Plus Mobilfunk GmbH verwendet. Die theoretischen Resultate wurden in Algorithmen umgesetzt und in das von uns entiickllte Netzwerksoptimierungswerkzeug Discnet (Dimensioning Survivable Capaiitated NETworks) integriert, welches seit mehreren Jahren in der Planung bei E-Plus eingesetzt wird. Wir betrachten das Transportnetzllanungsproblem eines Telekommunikationsanbieters. Dieses Problem setzt auf logischen Kommunikattonsanforerrungen zwischen den Standorten (Knoten) des zu planenden Netzes und potentiell inslallirrbaren Verbindungen (Kanten) zwischen derselben Knotenmenge auf. Ein Kapazitätsmodell stellt die Information bereit, welche Kapazitäten auf den potentiellen Kanten verfügbar sind. Wir betrachten zwei Modelle. Entweder ist eine explizite Liste der verfügbaren Kapazittten gegeben oder eine Menge von sogenannten Basiskapazitäten, die auf jeder Kante indiviuelll kombiniert werden können. Die Basiskapazitäten müßen paarweise ganzzahlige Vielfache voneinander sein. Man beachte, daß diese Eigenschaft von den internationalen Standards PDH und SDH erfüllt wiid. Ein Ausfallsicherheitsmodell stellt die Information bereit, wie das zu planende Netz gegen den Ausfall einzelner Netzkomponenten geschützt werden soll. Wir betrachten sinnvolle Kombinationen der Modelle Diversification, Reservation und Path Restoration. Das erste Modell garantiert Ausfallsicherheit durch kommunikationsbedarfsabhängige Beschränkung des Prozentsatzes, der durch einzelne Netzkomponenten geroutet werden darf. Bei den beiden anderen Modelle können Kommunikationsbedarfe bei Ausfall einer Netzkomponente auf unterschiedliche Weise neu geroutet werden. Ziel der Planung ist eine ktstenminimlle Kapatitätsentscheidung, die eine Routenllanung aller Kommunikationsbedarfe gemäß den Ausfallsicherheitsanforderungen ermöglicht. Wir entwickeln ein Schnittebenenverfahren zur Lösung der betrachteten Optimiergngsrrobleme. Zu diesem Zweck untersuchen wir Polyeder, die mit den verschiedenen Problemen assoziiert sind. Wir präsentieren neue Klassen von Ungleichungen, entwickeln Separationsalgorithmen und Heuristiken. Mit dem Schnittebenenverfahren werden untere und obere Schranken für den Wert von Oitimallösungen berechnet, und daher ist es möglich, Qualitätsgarantien für die berechneten Löungen anzugeben. Parallel zur Beschreibung der implementierten Algorithmen präsentieren wir umfangreiche Tests mit praktisch relevanten Daten, die zu Problemen mit mehr als 2 Billionen Variablen führen.

Description: Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Optimierung der Fahrzeugeinsatzplanung im öffentlichen Personennahverkehr. Dieses Problem ist für die meisten praxisrelevanten Fälle schwierig (Ar'P-schwer). In dieser Arbeit präsentieren wir Methoden der ganzzahligen linearen Programmierung zur Lösung dieses Planungsproblems. "Vernünftige" mathematische Formulierungen des Fahrzeugeinsatzplanungsproblems basieren auf Netzwerkfluß-Modellen und ent sprechenden ganzzahligen linearen Programmen (LP). Dies sind sogenannte bogenorientierte Mehrgüterfluß-Modelle bzw. pfadorientierte SetPartitioning-Modelle. Wir beschäftigen uns mit beiden Ansätzen, der Schwerpunkt liegt aber auf dem bogenorientierte Mehrgüterfluß-Modell Mathematisch bearbeiten wir diese Modelle mit Branch-und-Cut- bzw. Branch-und-Cutund-Price-Methoden. Reale Anwendungen führen zu riesigen LPs mit einigen Millionen ganzzahligen Variablen. Die Behandlung solcher LPs erfordert Spalten-Erzeugungs- Verfahren (auch Column-Generation-Verfahren genannt). Basierend auf Lagrange-Relaxationen entwickeln wir hierzu neue Verfahren zur Auswahl der zu erzeugenden Spalten, die wir Lagrange-Pricing nennen. Lagrange-Pricing-Techniken haben es erstmalig ermöglicht, LPs dieser Art mit rund 70 Millionen Variablen zu lösen. Für den bogenorientierten (Mehrgüter)Fluß-Zugang beschreiben wir ausführlich, wie Lagrange-Relaxationen sowie die LP-Relaxation effizient gelöst werden. Zusätzlich schlagen wir eine Heuristik vor, die schnell gute Lösungen erzeugt. Diese Heuristik beruht auf einem sog. Schedule-FirstClusterSecond-Ansatz. Eine zentrale Aufgabe bei der Lösung dieser primalen und dualen Probleme ist dabei die effiziente Behandlung von Problemen mit einem Depot. Wir zeigen, daß das bogenorientierte Mehrgüterfluß-Modell durch eine geeignete Anwendung der Dantzig-Wolfe-Dekomposition in ein pfadorientiertes SetPartitioning-Modell überführt werden kann. Der zweite Teil dieser Arbeit präsentiert die Rechenergebnisse zu den von uns entwickelten und implementierten Verfahren. Diese Untersuchungen basieren auf realen Testdaten von drei großen deutschen Nahverkehrsunternehmen. Die implementierten Codes arbeiten zuverlässig und stabil. Die mit diesen Verfahren durchgeführten Testläufe lieferten hervorragende Ergebnisse: Bis auf ein Problem können alle Beispiele optimal gelöst werden. Die Lösungen des Branch-and-Cut-Verfahrens wurden auch mit den Planungsergebnissen der in der Praxis gegenwärtig eingesetzten Verfahren verglichen: Wir konnten zusätzlich mehrere Fahrzeuge einsparen sowie eine Kostenreduktion von bis zu 10 % aufzeigen. Der mögliche Nutzen dieser Methoden ist enorm. Beispielsweise rechnet die BVG damit, den Planungsprozeß mit den von uns entwickelten Softwaretools deutlich straffen und jährlich Einsparungen in Höhe von rund 100 Millionen Mark erzielen zu können, siehe den Artikel Auf Sparkurs zum Ziel im Rheinischer Merkur, Nummer 39, von Schmidt [1997] Teile der vorgestellten Methoden wurden bereits in die Planungssysteme BERTA (der Berliner Verkehrsbetriebe (BVG)) und MICROBUS II (der IVU Gesellschaft für Informatik, Verkehrs und Umweltplanung mbH, Berlin) integriert. Darüber hinaus hat auch die Forschungsabteilung der SIEMENS AG in München dieses System erworben.

Description: The present dissertation deals with the structure of polyhedral subdivisions of point configurations. Of particular interest are the global properties of the set of all subdivisions of a given point configuration. An important open problem in this context is the following: can one always transform any triangulation of a given point configuration to any other triangulation of the same configuration by means of bistellar operations? In other words, is the set of all triangulations of a given point configuration always bistellarly connected? The results presented in this thesis contribute progress from two directions. \begin{itemize} \item The set of all subdivisions that are induced by a polytope projection is in general not bistellarly connected in a generalized sense. This result is obtained by constructing a counterexample to the so-called Generalized Baues Conjecture.'' \item The set of all triangulations of a cyclic polytope forms a bounded poset. The covering relations are given by increasing bistellar operations. Thus we get an affirmative answer to the above question in the case of cyclic polytopes. \end{itemize} In the introduction, the mathematical environment of the structures under consideration is illuminated. The "Generalized Baues Conjecture" has connections to various mathematical concepts, such as combinatorial models for loop spaces, discriminants of polynomials in several variables, etc. The triangulation posets of cyclic polytopes are natural generalizations of the well-studied Tamari lattices in order theory. Moreover, there is a connection to the higher Bruhat orders, which have similar structural properties. As a by-product, the investigations yield the shellability of all triangulations of cyclic polytopes without new vertices. This is in particular interesting because most triangulations of cyclic polytopes are non-regular.

Description: Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit strukturellen Fragen in der Theorie der polyedrischen Unterteilungen von Punktkonfigurationen. Hierbei sind vor allem globale Eigenschaften der Menge aller Unterteilungen einer gegebenen Punktkonfiguration von Interesse. Eine wichtige ungelöste Frage in diesem Zusammenhang ist die folgende: Ist es immer möglich, von einer beliebigen Triangulierung einer gegebenen Punktkonfiguration zu jeder anderen Triangulierung derselben Konfiguration zu gelangen, indem man sogenannte bistellare Operationen durchführt? Mit anderen Worten, ist die Menge aller Triangulierungen einer gegebenen Punktkonfiguration stets bistellar zusammenhängend? Die Ergebnisse der vorliegenden Doktorarbeit liefern auf zwei Seiten dieser nach wie vor offenen Frage Fortschritte: \begin{itemize} \item Die Menge aller durch eine Polytopprojektion induzierten Unterteilungen ist nicht immer --- in einem verallgemeinerten Sinne --- bistellar zusammenhängend. Dieses Resultat wird durch ein Gegenbeispiel zur sogenannten "Verallgemeinerten Baues Vermutung"' erzielt. \item Die Menge aller Triangulierungen eines zyklischen Polytops bildet eine beschränkte Halbordnung. Die Ueberdeckungsrelationen sind gerichtete bistellare Operationen. Für zyklische Polytope ist die obige Frage nach bistellarem Zusammenhang also positiv beantwortet. \end{itemize} In der Einleitung wird das mathematische Umfeld der betrachteten Strukturen näher beleuchtet: Die "Verallgemeinerte Baues Vermutung" steht in Verbindung mit verschiedensten mathematischen Konzepten, angefangen von kombinatorischen Modellen von Schleifenräumen bis hin zu Diskriminanten von Polynomen in mehreren Variablen. Die Triangulierungs-Halbordnungen von zyklischen Polytopen sind zugleich natürliche Verallgemeinerungen der gut studierten Tamari-Verbände in der Ordnungstheorie. Ausserdem existiert ein Zusammenhang mit den höheren Bruhat-Ordnungen, die ähnliche Struktureigenschaften aufweisen. Ein Nebenprodukt der Untersuchungen ist die Schälbarkeit aller Triangulierungen von zyklischen Polytopen ohne neue Ecken. Das ist um so interessanter, da die meisten Triangulierungen von zyklischen Polytopen nicht-regulär sind.

Description: In der vorliegenden Arbeit werden die grundlegenden Gedanken und die Implementierung eines Branch & Cut-Algorithmus zur Lösung des gewichteten Steinerbaumproblems in Graphen beschrieben. Der Algorithmus basiert auf der linearen Relaxierung einer bidirektionalen ganzzahligen Formulierung des Problems. Wir werden das Problem einführen, drei ganzzahlige Modellierungen vorstellen, auf Reduktionsverfahren und Heuristiken eingehen sowie das Verfahren und seine Implementierung darstellen. Am Ende werden wir die Implementierung an 191 bekannten Probleminstanzen testen und auch optimale Lösungen f� ur zwei nach Wissen des Autors bis zu diesem Zeitpunkt ungelöste Instanzen liefern.