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Description: Given a combinatorial optimization problem and a subset $N$ of natural numbers, we obtain a cardinality constrained version of this problem by permitting only those feasible solutions whose cardinalities are elements of $N$. In this paper we briefly touch on questions that addresses common grounds and differences of the complexity of a combinatorial optimization problem and its cardinality constrained version. Afterwards we focus on polytopes associated with cardinality constrained combinatorial optimization problems. Given an integer programming formulation for a combinatorial optimization problem, by essentially adding Grötschel's cardinality forcing inequalities, we obtain an integer programming formulation for its cardinality restricted version. Since the cardinality forcing inequalities in their original form are mostly not facet defining for the associated polyhedra, we discuss possibilities to strengthen them.

Description: This survey concerns optimization problems arising in the design of survivable communication networks. It turns out that such problems can be modeled in a natural way as non-compact linear programming formulations based on multicommodity flow network models. These non-compact formulations involve an exponential number of path flow variables, and therefore require column generation to be solved to optimality. We consider several path-based survivability mechanisms and present results, both known and new, on the complexity of the corresponding column generation problems (called the pricing problems). We discuss results for the case of the single link (or node) failures scenarios, and extend the considerations to multiple link failures. Further, we classify the design problems corresponding to different survivability mechanisms according to the structure of their pricing problem. Finally, we show that almost all encountered pricing problems are hard to solve for scenarios admitting multiple failures.

Description: We introduce an optimization model for the line planning problem in a public transportation system that aims at minimizing operational costs while ensuring a given level of quality of service in terms of available transport capacity. We discuss the computational complexity of the model for tree network topologies and line structures that arise in a real-world application at the Trolebus Integrated System in Quito. Computational results for this system are reported.

Description: Line planning is an important step in the strategic planning process of a public transportation system. In this paper, we discuss an optimization model for this problem in order to minimize operation costs while guaranteeing a certain level of quality of service, in terms of available transport capacity. We analyze the problem for path and tree network topologies as well as several categories of line operation that are important for the Quito Trolebus system. It turns out that, from a computational complexity worst case point of view, the problem is hard in all but the most simple variants. In practice, however, instances based on real data from the Trolebus System in Quito can be solved quite well, and significant optimization potentials can be demonstrated.

Description: In the recent years, a couple of quite successful large neighborhood search heuristics for mixed integer programs has been published. Up to our knowledge, all of them are improvement heuristics. We present a new start heuristic for general MIPs working in the spirit of large neighborhood search. It constructs a sub-MIP which represents the space of all feasible roundings of some fractional point - normally the optimum of the LP-relaxation of the original MIP. Thereby, one is able to determine whether a point can be rounded to a feasible solution and which is the best possible rounding. Furthermore, a slightly modified version of RENS proves to be a well-performing heuristic inside the branch-cut-and-price-framework SCIP.

Description: Wissenschaftler sind an qualitativ hochwertiger Information interessiert, selten an Informationsversorgung selbst. Es ist ihnen in Fragen der Organisation meistens egal, von welchem Versorger sie das Material, das sie benötigen, bekommen. Sie wollen einfach nur alles, was sie brauchen, jederzeit, überall, sofort und möglichst kostengünstig oder gar kostenlos haben. Im Prinzip ist das möglich. Seit mindestens zehn Jahren werden so gut wie alle wissenschaftlichen Dokumente (Artikel, Messdaten,…) elektronisch erstellt. Eigentlich bräuchte man diese nur ins Internet zu stellen, und damit wäre alles verfügbar. Irgendwie funktioniert diese einfache Idee nicht so richtig, obwohl viele Anstrengungen von den verschiedensten Einrichtungen und Individuen unternommen werden, z. B. durch Open-Access-Bemühungen. Was sind die Gründe dafür? Die Fortschritte beim schnellen Zugriff auf Information im Internet sind atemberaubend (siehe Google), dennoch ist der zielgerichtete Zugriff auf wissenschaftlich relevante Information weiterhin nur oberflächlich vorhanden. Die Hindernisse sind vielfältiger Natur: Bequemlichkeit und Unwissen der Autoren, Gewohnheiten der Nutzer und Informationsvermittler, Barrieren durch Copyrights und Verlagsstrategien, Eitelkeiten. In diesem Artikel werden einige der Probleme erläutert, die dem Traum des Aufbaus der wissenschaftlichen Universalbibliothek entgegenstehen. Gleichzeitig wird skizziert, wie man auf dem Weg zur Verwirklichung des Traums ein Stück vorankommen und wie die zukünftige wissenschaftliche Informationsversorgung gestaltet werden kann.

Description: We consider polytopes associated with cardinality constrained path and cycle problems defined on a directed or undirected graph. We present integer characterizations of these polytopes by facet defining linear inequalities for which the separation problem can be solved in polynomial time. Moreover, we give further facet defining inequalities, in particular those that are specific to odd/even paths and cycles.

Description: Algorithmic control of elevator systems has been studied for a long time. More recently, a new paradigm for elevator control has emerged. In destination call systems, the passenger specifies not only the direction of his ride, but the destination floor. Such a destination call system is very interesting from an optimization point of view, since more information is available earlier, which should allow improved planning. However, the real-world destination call system envisioned by our industry partner requires that each destination call (i.e. passenger) is assigned to a serving elevator immediately. This early assignment restricts the potential gained from the destination information. Another aspect is that there is no way to specify the destination floor in the cabin. Therefore, the elevator has to stop on every destination floor of an assigned call, although the passenger may not have boarded the cabin, e.g. due to insufficient capacity. In this paper we introduce a new destination call control algorithm suited to this setting. Since the control algorithm for an entire elevator group has to run on embedded microprocessors, computing resources are very scarce. Since exact optimization is not feasible on such hardware, the algorithm is an insertion heuristic using a non-trivial data structure to maintain a set of tours. To assess the performance of our algorithm, we compare it to similar and more powerful algorithms by simulation. We also compare to algorithms for a conventional system and with a more idealized destination call system. This gives an indication of the relative potentials of these systems. In particular, we assess how the above real-world restrictions influence performance. The algorithm introduced has been implemented by our industry partner for real-world use.

Description: This thesis is concerned with dimensioning and routing optimization problems for communication networks that employ a shortest path routing protocol such as OSPF, IS-IS, or RIP. These protocols are widely used in the Internet. With these routing protocols, all end-to-end data streams are routed along shortest paths with respect to a metric of link lengths. The network administrator can configure the routing only by modifying this metric. In this thesis we consider the unsplittable shortest path routing variant, where each communication demand must be sent unsplit through the network. This requires that all shortest paths are uniquely determined. The major difficulties in planning such networks are that the routing can be controlled only indirectly via the routing metric and that all routing paths depend on the same routing metric. This leads to rather complicated and subtle interdependencies among the paths that comprise a valid routing. In contrast to most other routing schemes, the paths for different communication demands cannot be configured independent of each other. Part I of the thesis is dedicated to the relation between path sets and routing metrics and to the combinatorial properties of those path sets that comprise a valid unsplittable shortest path routing. Besides reviewing known approaches to find a compatible metric for a given path set (or to prove that none exists) and discussing some properties of valid path sets, we show that the problem of finding a compatible metric with integer lengths as small as possible and the problem of finding a smallest possible conflict in the given path set are both NP-hard to approximate within a constant factor. In Part II of the thesis we discuss the relation between unsplittable shortest path routing and several other routing schemes and we analyze the computational complexity of three basic unsplittable shortest path routing problems. We show that the lowest congestion that can be obtained with unsplittable shortest path routing may significantly exceed that achievable with other routing paradigms and we prove several non-approximability results for unsplittable shortest path routing problems that are stronger than those for the corresponding unsplittable flow problems. In addition, we derive various polynomial time approximation algorithms for general and special cases of these problems. In Part III of the thesis we finally develop an integer linear programming approach to solve these and more realistic unsplittable shortest path routing problems to optimality. We present alternative formulations for these problems, discuss their strength and computational complexity, and show how to derive strong valid inequalities. Eventually, we describe our implementation of this solution approach and report on the numerical results obtained for real-world problems that came up in the planning the German National Research and Education Networks G-WiN and X-WiN and for several benchmark instances.

Description: Die Arbeit befasst sich mit der Kapazitäts- und Routenplanung für Kommunikationsnetze, die ein kürzeste-Wege Routingprotokoll verwenden. Diese Art von Protokollen ist im Internet weit verbreitet. Bei diesen Routingverfahren wird für jede Verbindung im Netz ein Längenwert festgelegt, diese Längen formen die sogenannte Routingmetrik. Die Routingwege der Kommunikationsbedarfe sind dann die jeweiligen kürzesten Wege bezüglich dieser Metrik. Bei der in der Arbeit untersuchten Variante dieser Routingprotokolle wird zusätzlich verlangt, dass es je Kommunikationsbedarf genau einen eindeutigen kürzesten Weg gibt. Die Schwierigkeit bei der Planung solcher Netze besteht darin, dass sich die Routingwege einerseits nur indirekt über die Routingmetrik beeinflussen lassen, andererseits aber alle Routingwege von der gleichen Metrik abhängen. Dadurch können die Wege verschiedener Kommunikationsanforderungen nicht wie bei anderen Routingverfahren unabhängig voneinander gewählt werden. Im erstem Teil der Arbeit werden der Zusammenhang zwischen gegebenen Wegesystemen und kompatiblen Routingmetriken sowie die Beziehungen der Wege eines zulässigen eindeutige-kürzeste-Wege-Routings untereinander untersucht. Dabei wird unter Anderem gezeigt, dass es NP-schwer ist, eine kompatible Metrik mit kleinstmöglichen Routinglängen zu einem gegebenen Wegesystem zu finden. Es wird auch bewiesen, dass das Finden eines kleinstmöglichen Konfliktes in einem gegebenen Wegesystem, zu dem keine kompatible Metrik existiert, NP-schwer ist. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Approximierbarkeit von drei grundlegenden Netz- und Routenplanungsproblemen mit eindeutige-kürzeste-Wege-Routing untersucht. Für diese Probleme werden stärkere Nichtapproximierbarkeitsresultate als für die entsprechenden Einwege-Routing Probleme bewiesen und es werden verschiedene polynomiale Approximationsverfahren für allgemeine und Spezialfälle entworfen. Ausserdem wird die Beziehung zwischen eindeutige-kürzeste-Wege-Routing und anderen Routingverfahren diskutiert. Im dritten und letzten Teil der Arbeit wird ein (gemischt-) ganzzahliger Lösungsansatz für Planungsprobleme mit eindeutige-kürzeste-Wege-Routing vorgestellt. Für die im zweiten Teil diskutierten grundlegenden Netz- und Routenplanungsprobleme werden verschiedene (gemischt-) ganzzahlige lineare Modelle vorgestellt und es wird deren Lösbarkeit und die Stärke ihrer LP Relaxierungen untersucht. Es wird auch gezeigt, wie sich starke gültig Ungleichungen aus den in diesen Modellen enthalten Substrukturen ableiten lassen. Schlielich werden am Ende der Arbeit die Software-Implementierung dieses Lösungsverfahrens für eine praxisrelevante Verallgemeinerung der Planungsprobleme sowie die damit erzielten numerischen Ergebnisse vorgestellt und diskutiert.

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.

Description: Bereits seit den siebziger Jahren katalogisieren Bibliotheken arbeitsteilig in Verbünden. Allerdings macht die Kooperation bislang oftmals an den Grenzen traditionell gewachsener Verbundstrukturen halt. Das ist ein Grund dafür, dass in Deutschland und Österreich das gleiche Buch im schlimmsten Fall an zahlreichen Stellen gleichzeitig katalogisiert wird, ohne dass der eine von der Arbeit des anderen profitiert. In dem folgenden Report werden erstmals konkrete Schritte beschrieben, die eine verteilte Katalogisierung über Verbundgrenzen hinweg verbessern. Dazu gehören Vereinbarungen für die Indexierung und die Suche über Z39.50, Regeln für gegenseitige Datenlieferungen und nicht zuletzt die Einführung einer eindeutigen Identifikationsnummer, die die erstkatalogisierende Institution vergibt. Der vorliegende Artikel ist ein vorläufiger Zwischenbericht der von der Arbeitsgemeinschaft der Verbundsysteme eingesetzten Arbeitsgruppe „Kooperative Neukatalogisierung“.

Description: In this paper, we investigate the interconversion processes of the major flame retardant -- 1,2,5,6,9,10-hexabromocyclododecane (HBCD) -- by the means of statistical thermodynamics based on classical force-fields. Three ideas will be presented. First, the application of classical hybrid Monte-Carlo simulations for quantum mechanical processes will be justified. Second, the problem of insufficient convergence properties of hybrid Monte-Carlo methods for the generation of low temperature canonical ensembles will be solved by an interpolation approach. Furthermore, it will be shown how free energy differences can be used for a rate matrix computation. The results of our numerical simulations will be compared to experimental results.

Description: In this paper we give an overview of the heuristics which are integrated into the open source branch-cut-and-price-framework SCIP. We briefly describe the fundamental ideas of different categories of heuristics and present some computational results which demonstrate the impact of heuristics on the overall solving process of SCIP.

Description: Fast nonlinear programming methods following the all-at-once approach usually employ Newton's method for solving linearized Karush-Kuhn-Tucker (KKT) systems. In nonconvex problems, the Newton direction is only guaranteed to be a descent direction if the Hessian of the Lagrange function is positive definite on the nullspace of the active constraints, otherwise some modifications to Newton's method are necessary. This condition can be verified using the signs of the KKT's eigenvalues (inertia), which are usually available from direct solvers for the arising linear saddle point problems. Iterative solvers are mandatory for very large-scale problems, but in general do not provide the inertia. Here we present a preconditioner based on a multilevel incomplete $LBL^T$ factorization, from which an approximation of the inertia can be obtained. The suitability of the heuristics for application in optimization methods is verified on an interior point method applied to the CUTE and COPS test problems, on large-scale 3D PDE-constrained optimal control problems, as well as 3D PDE-constrained optimization in biomedical cancer hyperthermia treatment planning. The efficiency of the preconditioner is demonstrated on convex and nonconvex problems with $150^3$ state variables and $150^2$ control variables, both subject to bound constraints.

Description: This article describes the main concepts and techniques that have been developed during the last year at ZIB to solve dimensioning and routing optimization problems for IP networks. We discuss the problem of deciding if a given path set corresponds to an unsplittable shortest path routing, the fundamental properties of such path sets, and the computational complexity of some basic network planning problems for this routing type. Then we describe an integer-linear programming approach to solve such problems in practice. This approach has been used successfully in the planning of the German national education and research network for several years.

Description: In this review article we discuss different techniques to solve numerically the time-dependent Schrödinger equation on unbounded domains. We present in detail the most recent approaches and describe briefly alternative ideas pointing out the relations between these works. We conclude with several numerical examples from different application areas to compare the presented techniques. We mainly focus on the one-dimensional problem but also touch upon the situation in two space dimensions and the cubic nonlinear case.

Description: We discuss first order optimality conditions for state constrained optimal control problems. Our concern is the treatment of problems, where the solution of the state equation is not known to be continuous, as in the case of boundary control in three space dimensions or optimal control with parabolic partial differential equations. We show existence of measure valued Lagrangian multipliers, which have just enough additional regularity to be applicable to all possibly discontinuous solutions of the state equation.

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.

Description: An adjustment scheme for the relaxation parameter of interior point approaches to the numerical solution of pointwise state constrained elliptic optimal control problems is introduced. The method is based on error estimates of an associated finite element discretization of the relaxed problems and optimally selects the relaxation parameter in dependence on the mesh size of discretization. The finite element analysis for the relaxed problems is carried out and a numerical example is presented which confirms our analytical findings.

Description: In this thesis, we study multicommodity routing problems in networks, in which commodities have to be routed from source to destination nodes. Such problems model for instance the traffic flows in street networks, data flows in the Internet, or production flows in factories. In most of these applications, the quality of a flow depends on load dependent cost functions on the edges of the given network. The total cost of a flow is usually defined as the sum of the arc cost of the network. An optimal flow minimizes this cost. A main focus of this thesis is to investigate online multicommodity routing problems in networks, in which commodities have to be routed sequentially. Arcs are equipped with load dependent price functions defining routing costs, which have to be minimized. We discuss a greedy online algorithm that routes (fractionally) each commodity by minimizing a convex cost function that depends on the previously routed flow. We present a competitive analysis of this algorithm and prove upper bounds of (d+1)^(d+1) for polynomial price functions with nonnegative coefficients and maximum degree d. For networks with two nodes and parallel arcs, we show that this algorithm returns an optimal solution. Without restrictions on the price functions and network, no algorithm is competitive. We also investigate a variant in which the demands have to be routed unsplittably. In this case, it is NP-hard to compute the offline optimum. Furthermore, we study selfish routing problems (network games). In a network game, players route demand in a network with minimum cost. In this setting, we study the quality of Nash equilibria compared to the the system optimum (price of anarchy) in network games with nonatomic and atomic players and spittable flow. As a main result, we prove upper bounds on the price of anarchy for polynomial latency functions with nonnegative coefficients and maximum degree d, which improve upon the previous best ones.

Description: Diese Arbeit befasst sich mit Mehrgüterflussproblemen, in denen Güter mit einer bestimmten Rate durch ein gegebenes Netzwerk geleitet werden müssen. Mithilfe von Mehrgüterflussproblemen können zum Beispiel Verkehrsflüsse in Strassenverkehrsnetzen oder im Internet modelliert werden. In diesen Anwendungen wird die Effizienz von Routenzuweisungen für Güter durch lastabhängige Kostenfunktionen auf den Kanten eines gegebenen Netzwerks definiert. Die Gesamtkosten eines Mehrgüterflüsses sind durch die Summe der Kosten auf den Kanten definiert. Ein optimaler Mehrgüterfluss minimiert diese Gesamtkosten. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit ist die Untersuchung sogenannter Online Algorithmen, die Routen für bekannte Güternachfragen berechnen, ohne vollständiges Wissen über zukünftige Güternachfragen zu haben. Es konnte ein Online Algorithmus gefunden werden, dessen Gesamtkosten für polynomielle Kostenfunktionen mit endlichem Grad nicht beliebig von denen einer optimalen Lösung abweichen. Für die Berechung einer optimalen Lösung müssen alle Güternachfragen a priori vorliegen. Dieses Gütekriterium gilt unabhängig von der gewählten Netzwerktopologie oder der Eingabesequenz von Gütern. Desweiteren befasst sich diese Arbeit mit der Effizienz egoistischer Routenwahl einzelner Nutzer verglichen zu einer optimalen Routenwahl. Egoistisches Verhalten von Nutzern kann mithilfe von nichtkooperativer Spieltheorie untersucht werden. Nutzer werden als strategisch agierende Spieler betrachtet, die ihren Profit maximieren. Als Standardwerkzeug zur Analyse solcher Spiele hat sich das Konzept des Nash Gleichgewichts bewährt. Das Nash Gleichweicht beschreibt eine stabile Strategieverteilung der Spieler, in der kein Spieler einen höheren Profit erzielen kann, wenn er einseitig seine Strategie ändert. Als Hauptergebnis dieser Arbeit konnte für polynomielle Kostenfunktionen mit endlichem Grad gezeigt werden, dass die Gesamtkosten eines Nash Gleichgewichts für sogennante atomare Spieler, die einen diskreten Anteil der gesamten Güternachfrage kontrollieren, nicht beliebig von den Gesamtkosten einer optimalen Lösung abweichen. In this thesis, we study multicommodity routing problems in networks, in which commodities have to be routed from source to destination nodes. Such problems model for instance the traffic flows in street networks, data flows in the Internet, or production flows in factories. In most of these applications, the quality of a flow depends on load dependent cost functions on the edges of the given network. The total cost of a flow is usually defined as the sum of the arc cost of the network. An optimal flow minimizes this cost. A main focus of this thesis is to investigate online multicommodity routing problems in networks, in which commodities have to be routed sequentially. Arcs are equipped with load dependent price functions defining routing costs, which have to be minimized. We discuss a greedy online algorithm that routes (fractionally) each commodity by minimizing a convex cost function that depends on the previously routed flow. We present a competitive analysis of this algorithm and prove upper bounds of (d+1)^(d+1) for polynomial price functions with nonnegative coefficients and maximum degree d. For networks with two nodes and parallel arcs, we show that this algorithm returns an optimal solution. Without restrictions on the price functions and network, no algorithm is competitive. We also investigate a variant in which the demands have to be routed unsplittably. In this case, it is NP-hard to compute the offline optimum. Furthermore, we study selfish routing problems (network games). In a network game, players route demand in a network with minimum cost. In this setting, we study the quality of Nash equilibria compared to the the system optimum (price of anarchy) in network games with nonatomic and atomic players and spittable flow. As a main result, we prove upper bounds on the price of anarchy for polynomial latency functions with nonnegative coefficients and maximum degree d, which improve upon the previous best ones.

Description: The timetable is the essence of the service offered by any provider of public transport'' (Jonathan Tyler, CASPT 2006). Indeed, the timetable has a major impact on both operating costs and on passenger comfort. Most European agglomerations and railways use periodic timetables in which operation repeats in regular intervals. In contrast, many North and South American municipalities use trip timetables in which the vehicle trips are scheduled individually subject to frequency constraints. We compare these two strategies with respect to vehicle operation costs. It turns out that for short time horizons, periodic timetabling can be suboptimal; for sufficiently long time horizons, however, periodic timetabling can always be done in an optimal way'.

Description: This thesis describes the algorithm IS-OPT that integrates scheduling of vehicles and duties in public bus transit. IS-OPT is the first algorithm which solves integrated vehicle and duty scheduling problems arising in medium sized carriers such that its solutions can be used in daily operations without further adaptions. This thesis is structured as follows: The first chapter highlights mathematical models of the planning process of public transit companies and examines their potential for integrating them with other planning steps. It also introduces descriptions of the vehicle and the duty scheduling problem. Chapter 2 motivates why it can be useful to integrate vehicle and duty scheduling, explains approaches of the literature, and gives an outline of our algorithm IS-OPT. The following chapters go into the details of the most important techniques and methods of IS-OPT: In Chapter 3 we describe how we use Lagrangean relaxation in a column generation framework. Next, in Chapter 4, we describe a variant of the proximal bundle method (PBM) that is used to approximate linear programs occurring in the solution process. We introduce here a new variant of the PBM which is able to utilize inexact function evaluation and the use of epsilon-subgradients. We also show the convergence of this method under certain assumptions. Chapter 5 treats the generation of duties for the duty scheduling problem. This problem is modeled as a resourceconstraint- shortest-path-problem with non-linear side constraints and nearly linear objective function. It is solved in a two-stage approach. At first we calculate lower bounds on the reduced costs of duties using certain nodes by a new inexact label-setting algorithm. Then we use these bounds to speed up a depth-first-search algorithm that finds feasible duties. In Chapter 6 we present the primal heuristic of IS-OPT that solves the integrated problem to integrality. We introduce a new branch-and-bound based heuristic which we call rapid branching. Rapid branching uses the proximal bundle method to compute lower bounds, it introduces a heuristic node selection scheme, and it utilizes a new branching rule that fixes sets of many variables at once. The common approach to solve the problems occurring in IS-OPT is to trade inexactness of the solutions for speed of the algorithms. This enables, as we show in Chapter 7, to solve large real world integrated problems by IS-OPT. The scheduled produced by IS-OPT save up to 5% of the vehicle and duty cost of existing schedules of regional and urban public transport companies.

Description: Diese Arbeit beschreibt den Algorithmus IS-OPT, welcher der erste Algorithmus ist, der integrierte Umlauf- und Dienstplanungsprobleme für mittelgroße Verkehrsunternehmen löst und dabei alle betrieblichen Einzelheiten berücksichtigt. Seine Lösungen können daher direkt in den täglichen Betrieb übernommen werden. Im ersten Kapitel werden mathematische Modelle für verschiedenen Probleme aus dem Planungsprozess von Nahverkehrsunternehmen beschrieben. Es werden Ansätze zur Integration der einzelnen Probleme untersucht. In diesem Kapitel werden außerdem das Umlauf- und das Dienstplanungsproblem eingeführt. Kapitel 2 motiviert, warum Integration von Umlauf- und Dienstplanung hilfreich ist oder in welchen Fällen sie sogar unabdingbar ist; es gibt einen Überblick über die vorhanden Literatur zur integrierten Umlauf- und Dienstplanung und umreißt unseren Algorithmus IS-OPT. Die weiteren Kapitel behandeln die in IS-OPT verwendeten Methoden: In Kapitel 3 beschreiben wir, wie Spaltenerzeugung für lineare Programme mit Lagrange-Relaxierung und Subgradienten-Verfahren kombiniert werden kann. In Kapitel 4 wird unsere Variante der proximalen Bündelmethode beschrieben. Diese wird benutzt um näherungsweise primale und duale Lösungen von lineare Programmen zu berechnen. Unsere Variante ist angepasst, um auch mit ungenauer Funktionsauswertung und Epsilon-Subgradienten arbeiten zu können. Wir zeigen die Konvergenz dieser Variante unter bestimmten Annahmen. Kapitel 5 behandelt das Erzeugen von Diensten für das Dienstplanungsproblem. Dieses Problem ist als ein Kürzeste-Wege-Problem mit nichtlinearen Nebenbedingungen und fast linearer Zielfunktion modelliert. Wir lösen es, indem zuerst Schranken für die reduzierten Kosten von Diensten, die bestimmte Knoten benutzen, berechnet werden. Diese Schranken werden benutzt, um in einem Tiefensuchalgorithmus den Suchbaum klein zu halten. Im Kapitel 6 präsentieren wir die neu entwickelte Heuristik "Rapid Branching", die eine ganzzahlige Lösung des integrierten Problems berechnet. Rapid Branching kann als eine spezielle Branch-and-Bound-Heuristik gesehen werden, welche die Bündelmethode benutzt. In den Knoten des Suchbaums können mehrere Variablen auf einmal fixiert werden, die mit Hilfe einer Perturbationsheuristik ausgewählt werden. In Kapitel 7 schließlich zeigen wir, daß wir mit IS-OPT auch große Probleminstanzen aus der Praxis lösen können und dabei bis zu 5% der Fahrzeug- und Dienstkosten sparen können.

Description: This paper reviews George Dantzig's contribution to integer programming, especially his seminal work with Fulkerson and Johnson on the traveling salesman problem

Description: Abstract The cost-efficient design of survivable optical telecommunication networks is the topic of this thesis. In cooperation with network operators, we have developed suitable concepts and mathematical optimization methods to solve this comprehensive planning task in practice. Optical technology is more and more employed in modern telecommunication networks. Digital information is thereby transmitted as short light pulses through glass fibers. Moreover, the optical medium allows for simultaneous transmissions on a single fiber by use of different wavelengths. Recent optical switches enable a direct forwarding of optical channels in the network nodes without the previously required signal retransformation to electronics. Their integration creates ongoing optical connections,which are called lightpaths. We study the problem of finding cost-efficient configurations of optical networks which meet specified communication requirements. A configuration comprises the determination of all lightpaths to establish as well as the detailed allocation of all required devices and systems. We use a flexible modeling framework for a realistic representation of the networks and their composition. For different network architectures, we formulate integer linear programs which model the design task in detail. Moreover, network survivability is an important issue due to the immense bandwidths offered by optical technology. Operators therefore request for designs which perpetuate protected connections and guarantee for a defined minimum throughput in case of malfunctions. In order to achieve an effective realization of scalable protection, we present a novel survivability concept tailored to optical networks and integrate several variants into the models. Our solution approach is based on a suitable model decomposition into two subtasks which separates two individually hard subproblems and enables this way to compute cost-efficient designs with approved quality guarantee. The first subtask consists of routing the connections with corresponding dimensioning of capacities and constitutes a common core task in the area of network planning. Sophisticated methods for such problems have already been developed and are deployed by appropriate integration. The second subtask is characteristic for optical networks and seeks for a conflict-free assignment of available wavelengths to the lightpaths using a minimum number of involved wavelength converters. For this coloring-like task, we derive particular models and study methods to estimate the number of unavoidable conversions. As constructive approach, we develop heuristics and an exact branch-and-price algorithm. Finally, we carry out an extensive computational study on realistic data, provided by our industrial partners. As twofold purpose, we demonstrate the potential of our approach for computing good solutions with quality guarantee, and we exemplify its flexibility for application to network design and analysis.

Description: Parabolic reaction-diffusion systems may develop sharp moving reaction fronts which pose a challenge even for adaptive finite element methods. We propose a method to transform the equation into an equivalent form that usually exhibits solutions which are easier to discretize, giving higher accuracy for a given number of degrees of freedom. The transformation is realized as an efficiently computable pointwise nonlinear scaling that is optimized for prototypical planar travelling wave solutions of the underlying reaction-diffusion equation. The gain in either performance or accuracy is demonstrated on different numerical examples.

Description: We propose and analyse an interior point path-following method in function space for state constrained optimal control. Our emphasis is on proving convergence in function space and on constructing a practical path-following algorithm. In particular, the introduction of a pointwise damping step leads to a very efficient method, as verified by numerical experiments.

Description: Im Kooperativen Bibliotheksverbund Berlin-Brandenburg (KOBV) wird für die Online-Fernleihe der Zentrale-Fernleihserver (ZFL-Server) der Firma Sisis eingesetzt. Die Software ist in der KOBV-Zentrale installiert. Der ZFL-Server dient im KOBV sowohl für die Bestellung von Monographien als auch für die Bestellung von Aufsatzkopien aus Zeitschriften. Prinzipiell gibt es zwei Verfahren, mit denen sich Bibliotheken an der Online-Fernleihe beteiligen können: das E-Mail-Verfahren und das SLNP-Verfahren. Auf beide wird im Handbuch eingegangen. Die Online-Fernleihe wurde im KOBV eingeführt, um die Fernleihe für die Benutzer zu beschleunigen, das Verfahren für die Bibliotheksmitarbeiter zu vereinfachen und den Arbeitsaufwand zu reduzieren. Sie basiert darauf, dass eine Bestellung anhand eines gefundenen Treffers ausgelöst wird – d.h. die bibliographischen Daten sind bereits verifiziert und in einem Katalog nachgewiesen. Anschließend werden die Fernleihbestellungen über den ZFL-Server automatisch ausgeführt und verwaltet – sowohl in der regionalen KOBV-Fernleihe als auch in der verbundübergreifenden Fernleihe mit den deutschen Bibliotheksverbünden. Der ZFL-Server besteht aus verschiedenen technischen Komponenten. Eine dieser Komponenten ist das Bibliothekskonto, eine Internetanwendung, in der die Bestellverwaltung des ZFL-Servers für die Bibliotheksbediensteten transparent gemacht wird. Sowohl für die aktive als auch für die passive Fernleihe ist im Bibliothekskonto der Status der Bearbeitung zu jedem Zeitpunkt ersichtlich, z.B. in welcher Bibliothek sich die Bestellung gerade befindet, wann sie dort eingegangen ist und wann sie weggeschickt wurde, ob mit positivem oder negativem Ergebnis. Das Bibliothekskonto ist damit für die Bibliothek ein komfortables Instrument zum Überwachen der Fernleihbestellungen, in dem sie zudem – falls notwendig – in den Bestellvorgang eingreifen kann. Dazu hat jede Bibliothek im Bibliothekskonto eine eigene, Passwort-geschützte Dienstoberfläche. Das vorliegende Handbuch beschreibt die Vorgänge der Bestellverwaltung im Bibliothekskonto. Es richtet sich an Bibliotheksmitarbeiter, die sich mit den einzelnen Arbeitsschritten der Online-Fernleihe vertraut machen wollen. Darüber hinaus ist es zum Nachschlagen gedacht, wenn sich in der täglichen Arbeit Unklarheiten ergeben.

Description: wird nachgereicht

Description: Multi-scale phenomena are abundant in many application fields. Representing and numerically simulating such processes is a challenging task since quite different scales have to be resolved, which often requires enormous amounts of storage and computational power. An important strategy in this context is adaptivity, i.e. local adjustment of the spatio-temporal resolution to the details to be resolved. A standard representation therefore are hierarchical, locally refined grids. A specific adaptive approach for solving partial differential equations, usually called AMR (Adaptive Mesh Refinement), was introduced in 1984. The basic idea is to combine the simplicity of structured grids and the advantages of local refinement. In this numerical scheme the computations are started on a set of coarse, potentially overlapping structured grids, that cover the computational domain. Local error criteria are applied to detect regions that require higher resolution. These are covered by subgrids with decreasing mesh spacing, which do not replace, but rather overlap the refined regions of the coarser patches. The equations are advanced on the finer subgrids and the refinement procedure recursively continues until all cells fulfill the considered error criteria, giving rise to a hierarchy of nested levels of refinement. In 1989 a variant of this scheme, called Structured Adaptive Mesh Refinement (SAMR), which reduces some of the complexity of the original approach, was proposed. While the separate subgrids in the AMR scheme could be rotated against each other, in SAMR they are aligned with the major axes of the coordinate system, which for example simplifies the computation of fluxes of (conserved) quantities through the cell faces. SAMR has become more and more popular in the last decade, and nowadays it is applied in many domains like hydrodynamics, meteorology and in particular in cosmology and relativistic astrophysics. Due to this growing popularity, an increasing number of scientists is in need of appropriate interactive visualization techniques to interpret and analyze AMR simulation data. Tools for both, 2D analysis to quantitatively convey the information within single slices and 3D representations to apprehend the overall structure are required. In this thesis we develop direct and indirect volume visualization algorithms for scalar fields that are defined on structured Adaptive Mesh Refinement (SAMR) grids. In particular algorithms for planar slicing and the display of height fields, C0-continuous isosurface extraction, software-, and hardware-based direct volume rendering and temporal interpolation for cell-, and vertex-centered data on unrestricted SAMR grids are proposed. Additionally we investigate the applicability of SAMR data structures for accelerated software-, and hardware-based volume rendering of large 3D scalar data.

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: 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: 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.