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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: Die Diplomarbeit präsentiert ein Transaktionsverfahren für strukturierte Overlay-Netzwerke, das an die Erfordernisse verteilter Informationssysteme mit relationalem Datenmodell angepasst ist. Insbesondere wird der Einsatz von Transaktionen für verteilte Wikis betrachtet, die moderne Funktionalitäten, wie Metadaten und zusätzliche Indexe für die Navigation, unterstützen. Konsistenz und Dauerhaftigkeit der gespeicherten Daten erfordert die Behandlung von Knotenausfällen. Die Arbeit schlägt dafür das Zellenmodell vor: Das Overlay wird aus replizierten Zustandsmaschinen gebildet, um Verfügbarkeit zu gewährleisten. Das Transaktionsverfahren baut darauf auf und verwendet Two-Phase-Commit mit Fehlererkennung und Widerherstellung von ausgefallenen Transaktionsmanagern. Anwendungen wird eine Auswahl an pessimistischen und hybrid-optimistischen Nebenläufigkeitskontrollverfahren geboten, die die Minimierung von Latenzeffekten und die schnelle Ausführung von Nur-Lese-Transaktionen ermöglichen. Für die Beispielanwendung Wiki wird der erforderliche Pseudocode angegeben und die verschiedenen Nebenläufigkeitskontrollverfahren hinsichtlich ihrer Nachrichtenkomplexität verglichen.

Description: The diploma thesis presents a transaction processing scheme for structured overlay networks and uses it to develop a distributed Wiki application based on a relational data model. The Wiki supports rich metadata and additional indexes for navigation purposes. Ensuring consistency and durability requires handling of node failures. Such failures are masked by providing high availability of nodes. This in turn is achieved by constructing the overlay from replicated state machines (cell model). Atomicity is realized using two phase commit with additional support for failure detection and restoration of the transaction manager. The developed transaction processing scheme provides the application with a mixture of pessimistic, hybrid optimistic and multiversioning concurrency control techniques to minimize the impact of replication on latency and optimize for read operations. The pseudocode of the relevant Wiki functions is presented and the different concurrency control techniques are evaluated in terms of message complexity.

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: We provide information on the Survivable Network Design Library (SNDlib), a data library for fixed telecommunication network design that can be accessed at http://sndlib.zib.de. In version 1.0, the library contains data related to 22 networks which, combined with a set of selected planning parameters, leads to 830 network planning problem instances. In this paper, we provide a mathematical model for each planning problem considered in the library and describe the data concepts of the SNDlib. Furthermore, we provide statistical information and details about the origin of the data sets.

Description: The \emph{optimal track allocation problem} (\textsc{OPTRA}), also known as the train routing problem or the train timetabling problem, is to find, in a given railway network, a conflict-free set of train routes of maximum value. We propose a novel integer programming formulation for this problem that is based on additional configuration' variables. Its LP-relaxation can be solved in polynomial time. These results are the theoretical basis for a column generation algorithm to solve large-scale track allocation problems. Computational results for the Hanover-Kassel-Fulda area of the German long distance railway network involving up to 570 trains are reported.

Description: We consider a multicommodity routing problem, where demands are released \emph{online} and have to be routed in a network during specified time windows. The objective is to minimize a time and load dependent convex cost function of the aggregate arc flow. First, we study the fractional routing variant. We present two online algorithms, called Seq and Seq$^2$. Our first main result states that, for cost functions defined by polynomial price functions with nonnegative coefficients and maximum degree~$d$, the competitive ratio of Seq and Seq$^2$ is at most $(d+1)^{d+1}$, which is tight. We also present lower bounds of $(0.265\,(d+1))^{d+1}$ for any online algorithm. In the case of a network with two nodes and parallel arcs, we prove a lower bound of $(2-\frac{1}{2} \sqrt{3})$ on the competitive ratio for Seq and Seq$^2$, even for affine linear price functions. Furthermore, we study resource augmentation, where the online algorithm has to route less demand than the offline adversary. Second, we consider unsplittable routings. For this setting, we present two online algorithms, called U-Seq and U-Seq$^2$. We prove that for polynomial price functions with nonnegative coefficients and maximum degree~$d$, the competitive ratio of U-Seq and U-Seq$^2$ is bounded by $O{1.77^d\,d^{d+1}}$. We present lower bounds of $(0.5307\,(d+1))^{d+1}$ for any online algorithm and $(d+1)^{d+1}$ for our algorithms. Third, we consider a special case of our framework: online load balancing in the $\ell_p$-norm. For the fractional and unsplittable variant of this problem, we show that our online algorithms are $p$ and $O{p}$ competitive, respectively. Such results where previously known only for scheduling jobs on restricted (un)related parallel machines.

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: Die Zentrale des Kooperativen Bibliotheksverbunds Berlin-Brandenburg (KOBV) betreibt seit Januar 2004 das KOBV-Portal, in dem u.a. vielfältige Open-Linking-Dienste eingebunden sind. Dieser Beitrag erläutert Open-Linking allgemein und stellt die KOBV spezifischen Dienste im Detail vor. Dabei wird auch die Zugriffsentwicklung auf die KOBV-Open-Linking-Dienste evaluiert. Ein Ergebnis ist, dass signifikante Steigerungen der Nutzung erst dann bewirkt werden, wenn Maßnahmen durchgeführt werden, die erstens die Open-Linking-Dienste stärker ins Bewusstsein der NutzerInnen rücken und zweitens den Weg dorthin im KOBV-Portal verkürzen. Vor allem muss ein schneller Weg zu den Open-Linking-Diensten gewährleistet sein, um die Nutzung deutlich zu steigern. Um zusätzlich den Bekanntheitsgrad der Open-Linking-Dienste bundesweit zu erhöhen, regt die KOBV-Zentrale andere Bibliotheken und Verbünde dazu an, analoge Open-Linking-Dienste einzurichten. Auf diese Weise wird die Handhabung von Open-Linking selbstverständlicher.

Description: Dieser Artikel berichtet über eine erfolgreiche Schüleraktivität, die seit Jahren am Zuse-Institut Berlin (ZIB) bei Besuchen von Schülergruppen erprobt und verfeinert worden ist. Das hier zusammengestellte Material ist gedacht als Basis für eine Unterrichtseinheit in Leistungskursen Mathematik an Gymnasien. Inhaltlich wird von einem zwar für Schüler (wie auch Lehrer) neuen, aber leicht fasslichen Gegenstand ausgegangen: der Drei-Term-Rekursion für Besselfunktionen. Die Struktur wird erklärt und in ein kleines Programm umgesetzt. Dazu teilen sich die Schüler selbstorganisierend in Gruppen ein, die mit unterschiedlichen Taschenrechnern "um die Wette" rechnen. Die Schüler und Schülerinnen erfahren unmittelbar die katastrophale Wirkung von an sich kleinen'' Rundungsfehlern, sie landen -- ebenso wie der Supercomputer des ZIB -- im Bessel'schen Irrgarten''. Die auftretenden Phänomene werden mathematisch elementar erklärt, wobei lediglich auf das Konzept der linearen Unabhängigkeit zurückgegriffen wird. Das dabei gewonnene vertiefte Verständnis fließt ein in die Konstruktion eines klassischen Algorithmus sowie eines wesentlich verbesserten Horner-artigen Algorithmus.

Description: In this paper we study capacitated network design problems, differentiating directed, bidirected and undirected link capacity models. We complement existing polyhedral results for the three variants by new classes of facet-defining valid inequalities and unified lifting results. For this, we study the restriction of the problems to a cut of the network. First, we show that facets of the resulting cutset polyhedra translate into facets of the original network design polyhedra if the two subgraphs defined by the network cut are (strongly) connected. Second, we provide an analysis of the facial structure of cutset polyhedra, elaborating the differences caused by the three different types of capacity constraints. We present flow-cutset inequalities for all three models and show under which conditions these are facet-defining. We also state a new class of facets for the bidirected and undirected case and it is shown how to handle multiple capacity modules by Mixed Integer Rounding (MIR).

Description: In this paper we study online multicommodity routing problems in networks, in which commodities have to be routed sequentially. The flow of each commodity can be split on several paths. Arcs are equipped with load dependent price functions defining routing costs, which have to be minimized. We discuss a greedy online algorithm that routes each commodity by minimizing a convex cost function that only depends on the demands previously routed. We present a competitive analysis of this algorithm showing that for affine linear price functions this algorithm is 4K2 (1+K)2 -competitive, where K is the number of commodities. For the single-source single-destination case, this algorithm is optimal. Without restrictions on the price functions and network, no algorithm is competitive. Finally, we investigate a variant in which the demands have to be routed unsplittably.

Description: In this paper, we empirically investigate the NP-hard problem of finding sparse solutions to linear equation systems, i.e., solutions with as few nonzeros as possible. This problem has received considerable interest in the sparse approximation and signal processing literature, recently. We use a branch-and-cut approach via the maximum feasible subsystem problem to compute optimal solutions for small instances and investigate the uniqueness of the optimal solutions. We furthermore discuss five (modifications of) heuristics for this problem that appear in different parts of the literature. For small instances, the exact optimal solutions allow us to evaluate the quality of the heuristics, while for larger instances we compare their relative performance. One outcome is that the basis pursuit heuristic performs worse, compared to the other methods. Among the best heuristics are a method due to Mangasarian and a bilinear approach.

Description: The performance evaluation of W-CDMA networks is intricate as cells are strongly coupled through interference. Pole equations have been developed as a simple tool to analyze cell capacity. Numerous scientific contributions have been made on their basis. In the established forms, the pole equations rely on strong assumptions such as homogeneous traffic, uniform users, and constant downlink orthogonality factor. These assumptions are not met in realistic scenarios. Hence, the pole equations are typically used during initial network dimensioning only. Actual network (fine-) planning requires a more faithful analysis of each individual cell's capacity. Complex analytical analysis or Monte-Carlo simulations are used for this purposes. In this paper, we generalize the pole equations to include inhomogeneous data. We show how the equations can be parametrized in a cell-specific way provided the transmit powers are known. This allows to carry over prior results to realistic settings. This is illustrated with an example: Based on the pole equation, we investigate the accuracy of average snapshot'' approximations for downlink transmit powers used in state-of-the-art network optimization schemes. We confirm that the analytical insights apply to practice-relevant settings on the basis of results from detailed Monte-Carlo simulation on realistic datasets.

Description: This paper deals with directed, bidirected, and undirected capacitated network design problems. Using mixed integer rounding (MIR), we generalize flow-cutset inequalities to these three link types and to an arbitrary modular link capacity structure, and propose a generic separation algorithm. In an extensive computational study on 54 instances from the Survivable Network Design Library (SNDlib), we show that the performance of cplex can significantly be enhanced by this class of cutting planes. The computations reveal the particular importance of the subclass of cutset-inequalities.

Description: Wigner transformation provides a one-to-one correspondence between functions on position space (wave functions) and functions on phase space (Wigner functions). Weighted integrals of Wigner functions yield quadratic quantities of wave functions like position and momentum densities or expectation values. For molecular quantum systems, suitably modified classical transport of Wigner functions provides an asymptotic approximation of the dynamics in the high energy regime. The article addresses the computation of Wigner functions by Monte Carlo quadrature. An ad aption of the Metropolis algorithm for the approximation of signed measures with disconnected support is systematically tested in combination with a surface hopping algorithm for non-adiabatic quantum dynamics. The numerical experiments give expectation values and level populations with an error of two to three percent, which agrees with the theoretically expected accuracy.

Description: We study a planning problem arising in SDH/WDM multi-layer telecommunication network design. The goal is to find a minimum cost installation of link and node hardware of both network layers such that traffic demands can be realized via grooming and a survivable routing. We present a mixed-integer programming formulation that takes many practical side constraints into account, including node hardware, several bitrates, and survivability against single physical node or link failures. This model is solved using a branch-and-cut approach with problem-specific preprocessing and cutting planes based on either of the two layers. On several realistic two-layer planning scenarios, we show that these cutting planes are still useful in the multi-layer context, helping to increase the dual bound and to reduce the optimality gaps.

Description: Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein individuell anpassungsfähiges Modell entwickelt und implementiert, das die Perfusion in menschlichen soliden Tumoren beschreibt und für verschiedene Zeitpunkte w¨ahrend regionaler Hyperthermie ein lokal abhängiges Temperaturprofil berechnet. Da vor jeder Simulation alle wichtigen Parameter anhand von Ultraschall-, MRT- oder Angiogrammbildern individuell bestimmt werden können, wird eine patientenspezifische Aussage ¨uber das intratumorale Antwortverhalten bereits vor der eigentlichen Behandlung möglich. In Abh¨angigkeit von der Qualität der zur Verfügung stehenden anatomischen Daten über das zu simulierende Gebiet kann das Modell beliebig verfeinert oder bei Mangel an detaillierten Informationen auch mit Minimaldaten und reduzierter räumlicher Genauigkeit benutzt werden. Die für eine Simulation benötigten 2- oder 3- dimensionalen Geometrien können leicht mit der am ZIB entwickelten Software Amira erstellt und zur Berechnung in KARDOS, einem ebenfalls am ZIB implementierten Löser für nichtlineare partielle Differentialgleichungen, eingelesen werden. Mit Hilfe dieses Modells wird eine einfache, aber realistische und aussagekräftige Simulation für die Therapieplanung einer klinischen Hyperthermieanwendung ermöglicht, die innerhalb kurzer Zeit vorbereitet und durchgeführt werden kann.

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: In \emph{classical optimization} it is assumed that full information about the problem to be solved is given. This, in particular, includes that all data are at hand. The real world may not be so nice'' to optimizers. Some problem constraints may not be known, the data may be corrupted, or some data may not be available at the moments when decisions have to be made. The last issue is the subject of \emph{online optimization} which will be addressed here. We explain some theory that has been developed to cope with such situations and provide examples from practice where unavailable information is not the result of bad data handling but an inevitable phenomenon.

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: Die Arbeit präsentiert ein Transaktionsverfahren für strukturierte Overlay-Netzwerke, das an die Erfordernisse verteilter Informationssysteme mit relationalem Datenmodell angepasst ist. Insbesondere wird der Einsatz von Transaktionen für verteilte Wikis betrachtet, die moderne Funktionalitäten, wie Metadaten und zusätzliche Indexe für die Navigation, unterstützen. Konsistenz und Dauerhaftigkeit der gespeicherten Daten erfordert die Behandlung von Knotenausfällen. Die Arbeit schlägt dafür das Zellenmodell vor: Das Overlay wird aus replizierten Zustandsmaschinen gebildet, um Verfügbarkeit zu gewährleisten. Das Transaktionsverfahren baut darauf auf und verwendet Two-Phase-Commit mit Fehlererkennung und Widerherstellung von ausgefallenen Transaktionsmanagern. Anwendungen wird eine Auswahl an pessimistischen und hybrid-optimistischen Nebenläufigkeitskontrollverfahren geboten, die die Minimierung von Latenzeffekten und die schnelle Ausführung von Nur-Lese-Transaktionen ermöglichen. Für die Beispielanwendung Wiki wird der erforderliche Pseudocode angegeben und die verschiedenen Nebenläufigkeitskontrollverfahren hinsichtlich ihrer Nachrichtenkomplexität verglichen.

Description: The report presents a transaction processing scheme for structured overlay networks and uses it to develop a distributed Wiki application based on a relational data model. The Wiki supports rich metadata and additional indexes for navigation purposes. Ensuring consistency and durability requires handling of node failures. Such failures are masked by providing high availability of nodes. This in turn is achieved by constructing the overlay from replicated state machines (cell model). Atomicity is realized using two phase commit with additional support for failure detection and restoration of the transaction manager. The developed transaction processing scheme provides the application with a mixture of pessimistic, hybrid optimistic and multiversioning concurrency control techniques to minimize the impact of replication on latency and optimize for read operations. The pseudocode of the relevant Wiki functions is presented and the different concurrency control techniques are evaluated in terms of message complexit

Description: Berlin als Stadtstaat ist Kommune und Land der Bundesrepublik zugleich und Standort vieler renommier-ter Wissenschafts- und Kultureinrichtungen. In enger Zusammenarbeit der Wissenschaftseinrichtungen mit dem IT-Dienstleistungszentrum Berlin (ITDZ, ehemals Landesbetrieb für Informationstechnik), der für die Behörden Berlins zuständigen Einrichtung, wurde seit 1993 ein landeseigenes Glasfasernetz mit einer derzeitigen Länge von 856 km Glasfaserkabel (je Kabel bis zu 144 Einzelfasern) zur gemeinsamen Nutzung von Wissenschaft und Verwaltung errichtet und weiter ausgebaut. 1994 erfolgte der offizielle Start des Berliner Wissenschaftsnetzes BRAIN (Berlin Research Area Information Network), als durch einen Beschluss des Senats von Berlin die Nutzung des landeseigenen Glasfasernetzes durch die Wissen-schaftseinrichtungen festgeschrieben wurde. Bereits 1995 wurden durch die Wissenschaftseinrichtungen auf diesem Glasfasernetz die ersten sieben Anschlüsse in ATM-Technik (Classical BRAIN-ATM) in Betrieb genommen, 1999 wurden anschließend auch erste Strecken in Ethernet-Technik (Classical BRAIN-GE) betrieben. Diese heterogenen Netze mit unterschiedlichen Netzgeräten wurden dezentral von den Netzadministratoren der beteiligten Einrichtungen nach globalen Absprachen betreut. Die dezentrale Administration erschwerte das Management und die Erweiterungen der Gesamtnetze. Basierend auf den vorliegenden Erfahrungen vereinbarten die Berliner Wissenschaftseinrichtungen, ein technisch neues Verbundnetz in Gigabit-Ethernet-Technik mit einheitlichen Geräten und einem zentralen Netzwerkmana-gement aufzubauen und zu betreiben. Seit November 2003 betreibt BRAIN auf dem landeseignen Glasfasernetz ein auf MPLS-Technik basie-rendes Gigabit-Ethernet-Netz, das „BRAIN-Verbundnetz“, mit den Diensten LAN-to-LAN-Kopplung der Einrichtungen, regionaler IP-Verkehr, Übergang zum Verwaltungsnetz und WiN-Backup. Das BRAIN-Verbundnetz löste die dezentral betreuten Vorläufernetze komplett ab. Von den derzeit 27 BRAIN-Teilnehmern nutzen 24 Einrichtungen an 53 in der Stadt verteilten Standorten die Dienste des BRAIN-Verbundnetzes, 18 Standorte sind mit 1000 Mbit/s und 35 Standorte mit 100 Mbit/s angeschlossen. Für verteilte Standorte einer Einrichtung besteht zudem die Möglichkeit, diese über dedizierte Fasern oder Bandbreiten miteinander zu vernetzen. Seit dem 2. Quartal 2007 wird im Rahmen eines Pilotprojekts der Nutzen eines zentral gemanagten Fibre Channel-Netzwerks "BRAIN-SAN" ermittelt, um Möglichkeiten einer verteilten Datenhaltung der Berliner Hochschulen und wissenschaftlichen Einrichtungen zu schaf-fen. Zusätzlich zu den vorgenannten Diensten nutzt der DFN-Verein die BRAIN-Struktur für die Verbindun-gen der X-WiN-Kernnetzknoten in Berlin und Potsdam untereinander und für Zugangsleitungen zu den Anwendern. Mit Stand 2007 nutzt das Berliner Wissenschaftsnetz BRAIN vom landeigenen Glasfasernetz 2100 km Einzelfasern und verbindet insgesamt 43 Einrichtungen (BRAIN-Teilnehmer und DFN-Anwender) aus Wissenschaft, Bildung und Kultur mit 129 Standorten. Der Betrieb von BRAIN wird im wesentlichen durch seine Nutzer finanziert. Das Land Berlin trägt aller-dings pauschal die überwiegenden Kosten für die Wartung des Glasfasernetzes, soweit es vom ITDZ be-reit gestellt wird. Zentrales Planungs- und Steuerungsorgan für BRAIN ist die von der Senatsverwaltung für Bildung, Wis-senschaft und Forschung eingerichtete BRAIN-Planungsgruppe. Sie besteht aus Mitarbeitern der Rechen-zentren der drei Berliner Universitäten und des ZIB. Nach außen wird BRAIN in rechtlicher und wirtschaftlicher Hinsicht treuhänderisch vom ZIB vertreten, die BRAIN-Geschäftsstelle befindet sich ebenfalls im ZIB.

Description: Berlin as a city state is both local authority and federal state of the Federal Republic, as well as a location of many renowned institutions of research and culture. In close cooperation of the institutions of research with the IT service centre Berlin (ITDZ, the former Landesbetrieb für Informationstechnik) - which is the appropriate facility for the authorities of Berlin - a glass fibre network of a total extension of 856 kilome-tres of fibre optics (144 fibres each cable optic) for the common use of research and administration has been established and advanced since 1993. In 1994, when a resolution of the Senate of Berlin laid down the use of the appropriate fibre networks by the research facilities, this was the official beginning of the Berlin Research Area Information Network (BRAIN). The first seven interfaces in this fibre network in ATM technology (Classical BRAIN-ATM) were already established by the research facilities in 1995. In 1999, first systems run in Ethernet technology (Classical BRAIN-GE). These heterogeneous networks with different interfaces have been supported locally by the network administrators of the research facili-ties following global agreements. Management and advancement of the overall networks were encum-bered by these local administrations. Based on the existing experience, Berlin's research facilities agreed on the building and advancement of a technically new integrated network in gigabit Ethernet technology with standardised facilities and a centrally managed network. Since November 2003 the Berlin Research Area Information Network established a Gigabit Ethernet - called “BRAIN Integrated Network” - based on MPLS technology, including LAN to LAN linking of the facilities, local IP traffic, interface to the administration's network and WIN back-up. This BRAIN Inte-grated Network has completely replaced the locally administered predecessor networks. 24 of 27 BRAIN participants use the services of the BRAIN Integrated Network on 53 locations spread all over the city. 18 locations are connected with 1000 Mbit/s and 35 locations with 100 Mbit/s. Moreover, spread locations of a single facility have the possibililty to communicate by dedicated fibres or bandwidths. From the 2nd quarter 2007 within the scope of a pilot scheme, the advantage of a centrally administered fibre channel network "BRAIN-SAN" will be determined in order to accomplish possibilities of a spread data manage-ment of Berlin's universities and research facilities. In addition to the aforementioned services the DFN association makes use of BRAIN's structure for the connection of the X-WiN-core network nodes in Berlin and Potsdam und for access pathways to the us-ers. As from 2007, Berlin's research network BRAIN uses 2100 kilometres of single fibres from the country's fibre glass network and connects a total of 43 facilities (BRAIN participants and DFN users) from re-search, education and culture with 129 locations. The operations of BRAIN are funded basically by its users. However, the country of Berlin bears most of the costs for the maintenance of the glass fibre network, as far as it is provided by ITDZ. Central planning and steering body for BRAIN is the BRAIN planning group, which has been arranged by the administration of the Senatsverwaltung für Bildung, Wissenschaft und Forschung. It consists of staff from the computing centres of Berlin's three universities and of ZIB. BRAIN is represented legally and economically on a trust basis by the ZIB, where the BRAIN office is located also.

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: Die Intention ist der kooperative Aufbau einer Infrastruktur durch die Bibliotheksverbünde, um den Nutzern Volltext-Angebote dauerhaft und komfortabel zur Verfügung zu stellen: Zeitschriftenartikel und elektronische Dokumente werden mittels Suchmaschinentechnologie indexiert und unter Berücksichtigung von Zugriffsrechten zugänglich gemacht. Realisiert ist dies bereits im KOBV-Volltextserver, der seit Ende 2005 im Routinebetrieb läuft. Vorstellbar ist ein überregionales Netz von Volltextservern der Verbünde, die mittels Suchmaschinentechnologie indiziert und nahtlos in das regionale und lokale Literaturangebot integriert werden. Bei den lizenzierten Materialien sind insbesondere auch die Rechte der Verlage zu wahren und entsprechende Rechtemanagement-Verfahren einzusetzen. Es gilt, transparente Verfahren zu konzipieren und umzusetzen, um für die Verlage die notwendige Vertrauensbasis zu schaffen und gleichzeitig den Einrichtungen ihren berechtigten Zugriff auf die Volltexte zu sichern. Der vorliegende Text ist die schriftliche Fassung eines Vortrages auf dem 3. Leipziger Kongress für Information und Bibliothek "Information und Ethik", der vom 19.-22. März 2007 im Congress Center Leipzig stattfand.

Description: Zur Unterstützung der Bibliotheken bei ihren Open-Access-Aktivitäten betreibt die KOBV-Zentrale seit Anfang 2005 den Service "Opus- und Archivierungsdienste". Die KOBV-Zentrale agiert als Application Service Provider (ASP) für sämtliche technischen Komponenten des Publikationsprozesses, indem sie die gesamte technische Infrastruktur bereitstellt und betreibt – angefangen bei den lokalen Publikationsservern bis hin zu lokalen Repositories zur Archivierung der elektronischen Dokumente. Der vorliegende Text ist die schriftliche Fassung eines gleichnamigen Vortrages auf der 31. ASpB-Tagung "Kooperation versus Eigenprofil?" der Arbeitsgemeinschaft der Spezialbibliotheken, die vom 25.-28. September 2007 in der Technischen Universität Berlin stattfand.

Description: A new approach to derive transparent boundary conditions (TBCs) for wave, Schrödinger, heat and drift-diffusion equations is presented. It relies on the pole condition and distinguishes between physical reasonable and unreasonable solutions by the location of the singularities of the spatial Laplace transform of the exterior solution. To obtain a numerical algorithm, a Möbius transform is applied to map the Laplace transform onto the unit disc. In the transformed coordinate the solution is expanded into a power series. Finally, equations for the coefficients of the power series are derived. These are coupled to the equation in the interior, and yield transparent boundary conditions. Numerical results are presented in the last section, showing that the error introduced by the new approximate TBCs decays exponentially in the number of coefficients.

Description: We present a unified approach for consistent remeshing of arbitrary non-manifold triangle meshes with additional user-defined feature lines, which together form a feature skeleton. Our method is based on local operations only and produces meshes of high regularity and triangle quality while preserving the geometry as well as topology of the feature skeleton and the input mesh.

Description: For medical diagnosis, visualization, and model-based therapy planning three-dimensional geometric reconstructions of individual anatomical structures are often indispensable. Computer-assisted, model-based planning procedures typically cover specific modifications of “virtual anatomy” as well as numeric simulations of associated phenomena, like e.g. mechanical loads, fluid dynamics, or diffusion processes, in order to evaluate a potential therapeutic outcome. Since internal anatomical structures cannot be measured optically or mechanically in vivo, three-dimensional reconstruction of tomographic image data remains the method of choice. In this work the process chain of individual anatomy reconstruction is described which consists of segmentation of medical image data, geometrical reconstruction of all relevant tissue interfaces, up to the generation of geometric approximations (boundary surfaces and volumetric meshes) of three-dimensional anatomy being suited for finite element analysis. All results presented herein are generated with amira ® – a highly interactive software system for 3D data analysis, visualization and geometry reconstruction.

Description: This work introduces novel internal and external memory algorithms for computing voxel skeletons of massive voxel objects with complex network-like architecture and for converting these voxel skeletons to piecewise linear geometry, that is triangle meshes and piecewise straight lines. The presented techniques help to tackle the challenge of visualizing and analyzing 3d images of increasing size and complexity, which are becoming more and more important in, for example, biological and medical research. Section 2.3.1 contributes to the theoretical foundations of thinning algorithms with a discussion of homotopic thinning in the grid cell model. The grid cell model explicitly represents a cell complex built of faces, edges, and vertices shared between voxels. A characterization of pairs of cells to be deleted is much simpler than characterizations of simple voxels were before. The grid cell model resolves topologically unclear voxel configurations at junctions and locked voxel configurations causing, for example, interior voxels in sets of non-simple voxels. A general conclusion is that the grid cell model is superior to indecomposable voxels for algorithms that need detailed control of topology. Section 2.3.2 introduces a noise-insensitive measure based on the geodesic distance along the boundary to compute two-dimensional skeletons. The measure is able to retain thin object structures if they are geometrically important while ignoring noise on the object's boundary. This combination of properties is not known of other measures. The measure is also used to guide erosion in a thinning process from the boundary towards lines centered within plate-like structures. Geodesic distance based quantities seem to be well suited to robustly identify one- and two-dimensional skeletons. Chapter 6 applies the method to visualization of bone micro-architecture. Chapter 3 describes a novel geometry generation scheme for representing voxel skeletons, which retracts voxel skeletons to piecewise linear geometry per dual cube. The generated triangle meshes and graphs provide a link to geometry processing and efficient rendering of voxel skeletons. The scheme creates non-closed surfaces with boundaries, which contain fewer triangles than a representation of voxel skeletons using closed surfaces like small cubes or iso-surfaces. A conclusion is that thinking specifically about voxel skeleton configurations instead of generic voxel configurations helps to deal with the topological implications. The geometry generation is one foundation of the applications presented in Chapter 6. Chapter 5 presents a novel external memory algorithm for distance ordered homotopic thinning. The presented method extends known algorithms for computing chamfer distance transformations and thinning to execute I/O-efficiently when input is larger than the available main memory. The applied block-wise decomposition schemes are quite simple. Yet it was necessary to carefully analyze effects of block boundaries to devise globally correct external memory variants of known algorithms. In general, doing so is superior to naive block-wise processing ignoring boundary effects. Chapter 6 applies the algorithms in a novel method based on confocal microscopy for quantitative study of micro-vascular networks in the field of microcirculation.

Description: Die vorliegende Arbeit führt I/O-effiziente Algorithmen und Standard-Algorithmen zur Berechnung von Voxel-Skeletten aus großen Voxel-Objekten mit komplexer, netzwerkartiger Struktur und zur Umwandlung solcher Voxel-Skelette in stückweise-lineare Geometrie ein. Die vorgestellten Techniken werden zur Visualisierung und Analyse komplexer drei-dimensionaler Bilddaten, beispielsweise aus Biologie und Medizin, eingesetzt. Abschnitt 2.3.1 leistet mit der Diskussion von topologischem Thinning im Grid-Cell-Modell einen Beitrag zu den theoretischen Grundlagen von Thinning-Algorithmen. Im Grid-Cell-Modell wird ein Voxel-Objekt als Zellkomplex dargestellt, der aus den Ecken, Kanten, Flächen und den eingeschlossenen Volumina der Voxel gebildet wird. Topologisch unklare Situationen an Verzweigungen und blockierte Voxel-Kombinationen werden aufgelöst. Die Charakterisierung von Zellpaaren, die im Thinning-Prozess entfernt werden dürfen, ist einfacher als bekannte Charakterisierungen von so genannten "Simple Voxels". Eine wesentliche Schlussfolgerung ist, dass das Grid-Cell-Modell atomaren Voxeln überlegen ist, wenn Algorithmen detaillierte Kontrolle über Topologie benötigen. Abschnitt 2.3.2 präsentiert ein rauschunempfindliches Maß, das den geodätischen Abstand entlang der Oberfläche verwendet, um zweidimensionale Skelette zu berechnen, welche dünne, aber geometrisch bedeutsame, Strukturen des Objekts rauschunempfindlich abbilden. Das Maß wird im weiteren mit Thinning kombiniert, um die Erosion von Voxeln auf Linien zuzusteuern, die zentriert in plattenförmigen Strukturen liegen. Maße, die auf dem geodätischen Abstand aufbauen, scheinen sehr geeignet zu sein, um ein- und zwei-dimensionale Skelette bei vorhandenem Rauschen zu identifizieren. Eine theoretische Begründung für diese Beobachtung steht noch aus. In Abschnitt 6 werden die diskutierten Methoden zur Visualisierung von Knochenfeinstruktur eingesetzt. Abschnitt 3 beschreibt eine Methode, um Voxel-Skelette durch kontrollierte Retraktion in eine stückweise-lineare geometrische Darstellung umzuwandeln, die als Eingabe für Geometrieverarbeitung und effizientes Rendering von Voxel-Skeletten dient. Es zeigt sich, dass eine detaillierte Betrachtung der topologischen Eigenschaften eines Voxel-Skeletts einer Betrachtung von allgemeinen Voxel-Konfigurationen für die Umwandlung zu einer geometrischen Darstellung überlegen ist. Die diskutierte Methode bildet die Grundlage für die Anwendungen, die in Abschnitt 6 diskutiert werden. Abschnitt 5 führt einen I/O-effizienten Algorithmus für Thinning ein. Die vorgestellte Methode erweitert bekannte Algorithmen zur Berechung von Chamfer-Distanztransformationen und Thinning so, dass diese effizient ausführbar sind, wenn die Eingabedaten den verfügbaren Hauptspeicher übersteigen. Der Einfluss der Blockgrenzen auf die Algorithmen wurde analysiert, um global korrekte Ergebnisse sicherzustellen. Eine detaillierte Analyse ist einer naiven Zerlegung, die die Einflüsse von Blockgrenzen vernachlässigt, überlegen. In Abschnitt 6 wird, aufbauend auf den I/O-effizienten Algorithmen, ein Verfahren zur quantitativen Analyse von Mikrogefäßnetzwerken diskutiert.

Description: Mobile phones are a widely-available class of device with supporting communications infrastructure which can be appropriated and exploited to support ubicomp experiences. However mobile phones vary hugely in their capabilities. We explore how a single dimension of phone application type embodies the critical trade-off between capability and availability, i.e. between what can be done and the fraction of potential participants’ phones that can do this. We describe four different mobile phone ubicomp experiences that illustrate different points along this continuum (SMS, WAP/Web, and J2ME, Python and native applications) and the common software platform/toolkit, EQUIP2, that has been co-developed to support them. From this we propose four development strategies for addressing mobile phone diversity: prioritise support for server development (including web integration), migrate functionality between server(s) and handset(s), support flexible communication options, and use a loosely coupled (data-driven and component-based) software approach.

Description: One crucial step in virtual drug design is the identification of new lead structures with respect to a pharmacological target molecule. The search for new lead structures is often done with the help of a pharmacophore, which carries the essential structural as well as physico-chemical properties that a molecule needs to have in order to bind to the target molecule. In the absence of the target molecule, such a pharmacophore can be established by comparison of a set of active compounds. In order to identify their common features,a multiple alignment of all or most of the active compounds is necessary. Moreover, since the “outer shape” of the molecules plays a major role in the interaction between drug and target, an alignment algorithm aiming at the identification of common binding properties needs to consider the molecule’s “outer shape”, which can be approximated by the solvent excluded surface. In this thesis, we present a new approach to molecular surface alignment based on a discrete representation of shape as well as physico-chemical properties by points distributed on the solvent excluded surface. We propose a new method to distribute points regularly on a surface w.r.t. a smoothly varying point density given on that surface. Since the point distribution algorithm is not restricted to molecular surfaces, it might also be of interest for other applications. For the computation of pairwise surface alignments, we extend an existing point matching scheme to surface points, and we develop an efficient data structure speeding up the computation by a factor of three. Moreover, we present an approach to compute multiple alignments from pairwise alignments, which is able to handle a large number of surface points. All algorithms are evaluated on two sets of molecules: eight thermolysin inhibitors and seven HIV-1 protease inhibitors. Finally, we compare the results obtained from surface alignment with the results obtained by applying an atom alignment approach.

Description: Die Identifizierung neuer Leitstrukturen (lead structures) zur Entwicklung optimierter Wirkstoffe ist ein äußerst wichtiger Schritt in der virtuellen Wirkstoffentwicklung (virtual drug design). Die Suche nach neuen Leitstrukturen wird oft mit Hilfe eines Pharmakophor-Modells durchgeführt, welches die wichtigsten strukturellen wie auch physiko-chemischen Eigenschaften eines bindenden Moleküls in sich vereint. Ist das Zielmolekül (target) nicht bekannt, kann das Pharmakophor-Modell mit Hilfe des Vergleiches aktiver Moleküle erstellt werden. Hier ist insbesondere die gleichzeitige Überlagerung (multiple alignment) aller oder nahezu aller Moleküle notwendig. Da bei der Interaktion zweier Moleküle die "äußere Form" der Moleküle eine besondere Rolle spielt, sollte diese von jedem Überlagerungsalgorithmus, der sich mit der Identifizierung von Bindungseigenschaften befasst, berücksichtigt werden. Dabei kann die "äußere Form" durch eine bestimmte Art von molekularer Oberfläche approximiert werden, die man als solvent excluded surface bezeichnet. In dieser Arbeit stellen wir einen neuen Ansatz zur Überlagerung molekularer Oberflächen dar, der auf einer diskreten Repräsentation sowohl der Form als auch der molekularen Eigenschaften mittels Punkten beruht. Um die Punkte auf der molekularen Oberfläche möglichst regulär entsprechend einer gegebenen Punktdichte zu verteilen, entwickeln wir eine neue Methode. Diese Methode ist nicht auf Moleküloberflächen beschränkt und könnte daher auch für andere Anwendungen von Interesse sein. Basierend auf einem bekannten Point-Matching Verfahren entwickeln wir einen Point-Matching Algorithmus für Oberflächenpunkte. Dazu erarbeiten wir u.a. eine effiziente Datenstruktur, die den Algorithmus um einen Faktor von drei beschleunigt. Darüberhinaus stellen wir einen Ansatz vor, der Mehrfachüberlagerungen (multiple alignments) aus paarweisen Überlagerungen berechnet. Die Herausforderung besteht hierbei vor allem in der großen Anzahl von Punkten, die berücksichtigt werden muss. Die vorgestellten Algorithmen werden an zwei Gruppen von Molekülen evaluiert, wobei die erste Gruppe aus acht Thermolysin Inhibitoren besteht, die zweite aus sieben HIV-1 Protease Inhibitoren. Darüberhinaus vergleichen wir die Ergebnisse der Oberflächenüberlagerung mit denen einer Atommittelpunktüberlagerung.