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Die Konstruktionsplanung von neuen Transitrouten oder Energieleitungen auf einem topografischen Gelände wird von Ingenieuren in der Regel manuell vorgenommen, ohne dass eine Optimalität garantiert werden kann. Wir stellen einen neuen Ansatz zur Berechnung von Trajektorien für die Entwicklung neuer optimaler Transitrouten und Energieleitungen zwischen zwei Standorten auf einer Untermannigfaltigkeit U von IR³ vor. Diese Untermannigfaltigkeit repräsentiert die Topographie eines Geländes. U wird näherungsweise durch ein spezielles gewichtetes Gitternetz modelliert. Auf diesem Gitternetz werden die kürzesten Wege für den Bau neuer Routen bestimmt, wobei wir drei Optimierungskriterien betrachten werden: Routen mit minimaler Länge, Routen mit geringsten Baukosten und Routen mit minimalen absoluten Höhenvariationen oder minimalen absoluten Steigungen. Anschließend wird eine Kombination dieser Kriterien gebildet, um dieses Problem zu einem multikriteriellen Optimierungsproblem zu erweitern. Ein Algorithmus für den kürzesten Weg, wie der Dijkstra-Algorithmus, wird verwendet, um optimale Kompromisse für die Konstruktion neuer Routen zu berechnen.
Die vorliegende Arbeit untersucht die Instandhaltungsplanung eines militärischen Luftfahrzeugs. Das Ziel ist die Eingliederung aller Instandhaltungsaufgaben des Luftfahrzeugs in Wartungsintervalle, die durch das aktuelle Instandhaltungsprogramm festgelegt sind. Dieses besteht aus bereits gemäß ihrer Frist paketierten Instandhaltungsaufgaben und aus nicht zugeordneten Aufgaben, welche im Folgenden betrachtet werden. Gegenstand der Untersuchung sind die Arbeitsdauer und die Frist der Instandhaltungsaufgaben. Die nicht paketierten Instandhaltungsaufgaben sollen so zugeordnet werden, dass der Arbeitsaufwand und die verlorenen Tage, die durch das Vorziehen von Instandhaltungsaufgaben entstehen, auf ein Minimum reduziert werden. Dafür wird ein multikriterielles, ganzzahliges Optimierungsmodell entwickelt. Zum Lösen wird der Solver IBM ILOG CPLEX Optimization Studio (V 20.1.0.0) verwendet. In der Auswertung wird zusätzlich zu den Ergebnissen der Optimierung die Auswirkung von aggregierten und disaggregierten Formulierungen untersucht sowie der Effekt von Veränderungen der Aggressivität von Schnittebenenverfahren.
Today, drones are a helpful addition or even an efficient alternative in many areas due to their simple control and low operating costs compared to manned aircraft. Often, it is preferred that the UAV performs its mission autonomously. Thus, next to the operative control, the strategic planning of such missions plays an important role for their efficiency. Furthermore, it is also of interest for air traffic management to integrate UAVs into the airspace of manned aviation. At a strategic level, many use cases can be represented by a set of waypoints. Maybe not all of them can be visited within a given time horizon or only by drones with special hardware. Thus, before the start of a mission, each involved UAV must be assigned the waypoints to be processed and its flight trajectory must be planned to guarantee a safe and efficient process. These two sub-problems of the planning process influence each other and cannot be treated separately.
In this paper, we address this problem by introducing the Mission and Flight Planning Problem (MFPP). Therein, the assignment of the UAVs to the given waypoints is combined with the computation of exact flight trajectories in a mixed-integer linear optimization problem (MILP). It is based on a team orienteering problem with time windows, in which the positions of all UAVs are calculated using discretized Newton's laws of motion. Concerning the flight dynamics, design-related parameters and mass, speed, and altitude dependencies of the performance data of each drone are included in the model. Each drone is controlled by radio and must not leave the range of its control station. There may be obstacles within the mission area. The UAVs must also maintain safety distances from each other to avoid collisions. In addition to the model, we discuss different types of valid inequalities. We present a new inter-sample avoidance approach based on decomposing the mission area into several sub-areas and their identification with binary vectors. The construction of an integer polyhedron containing these binary vectors is given and we investigate its structure. In addition, different possibilities for implementing the new constraints are discussed. For two special types of MFPP instances, we present adapted solution methods that exploit their respective structure, i.e., a sequential solution method and a column generation approach. The performance of the presented model is investigated in detailed computational studies and we discuss its essential properties in several examples.
One of the standard approaches for solving discrete optimization problems which include the aspect of time, such as the traveling salesman problem with time windows, is to derive a so-called time-indexed formulation. If the problem has an underlying structure that can be described by a graph, the time-indexed formulation is usually based on a different, extended graph, commonly referred to as the time-expanded graph. The time-expanded graph can often be derived in such a way that all time constraints are incorporated in its topology, and therefore algorithms for the corresponding time-independent variant become applicable. The downside of this approach is that the sets of vertices and arcs of the time-expanded graph are much larger than the ones of the original graph. In recent works, however, it has been shown that for many practical applications a partial graph expansion that might contain time-infeasible paths, often suffices to find a proven optimal solution. These approaches, instead, iteratively refine the original graph and solve a relaxation of the time-expanded formulation in each iteration. When the solution of the current relaxation allows for a feasible schedule, an optimal solution can be derived from it and the algorithm terminates.
In this work, we first present new ideas that allow for the propagation of information about the optimal solution of a coarser graph to a more refined graph and show how these can be used in algorithms. More precisely, we present two general algorithms for solving Mixed Integer Linear Program formulations which we call iterative refinement and branch-and-refine. Iterative refinement basically is solving relaxations of the problem until a feasible solution to the original problem is found. Branch-and-refine is a kind of branch-and-bound algorithm that allows for the graph refinement to be carried out during the exploration of the branch-and-bound tree. For demonstrating the practical relevance of these algorithms, we not only study them in the context of academic examples but also apply them to two real-world problems. The first is a problem from the literature, where small passenger air-crafts have to be routed and scheduled to serve flight requests while fulfilling a variety of conditions on, for example, fuel consumption, weight, and detours. We show here that refinement algorithms can be used to improve the best known results from the literature. The second problem we consider is the task of optimally scheduling deliveries and charging times of delivery robots such that delays are minimized. In this case, we show that refinement algorithms perform better than a direct solution approach making use of state-of-the-art solvers.
Agentenbasierte Modellierung und Simulation der Rettungskette : eine Fallstudie in der Lausitz
(2022)
Ein funktionierender Rettungsdienst ist für die Gesellschaft von zentraler Bedeutung, da in medizinischen Notsituationen die Gesundheit eines Verunfallten von der Qualität der praäklinischen medizinischen Versorgung abhängt. Dabei steht man vor immer neuen Herausforderungen des sozioökonomischen Wandels und technischen Fortschritts, die neue Ansätze zur Systemoptimierung erfordern. Diese Arbeit beinhaltet eine Literaturübersicht über Planungsprobleme, sowie eine Klassifizierung von Emergency Medical Service (EMS) Systemen. Ein agentenbasiertes Simulationsmodell für ein notarztbasiertes EMS-System wird vorgestellt und auf die Rettungskette eines städtischen Gebietes Cottbus, Brandenburg, Deutschland angewandt. Die Parametrisierung des Modells erfolgt durch zugrundeliegende Einsatzdaten, dabei wird ein Geoinformationssystem (GIS) genutzt, Notrufe über die Bevölkerungsdichte mit einer zeitabhängigen Rate generiert und statistische Kenngrößen des Systems ausgewertet. Das in AnyLogic implementierte Simulationsmodell enthält eine graphische Nutzeroberfläche, in der Einsatzdetails und Statistiken als Grundlage für Anwendungen in der Praxis angezeigt werden.
Military installations and objects in out-of-area missions, e.g., an air base or a field camp, must be protected from incoming hostile rockets, artillery or mortar fire. Lasers as directed energy weapons are able to destroy those targets within seconds. Generally, the laser is assigned to a target, that applies the smallest movement of its direction unit to aim at it. The goal is to minimize the damage and thus, to destroy all incoming targets. We model the problem as a multiple traveling salesperson problem with moving targets, where the salespersons correspond to the lasers. The targets move over time on continuous trajectories. Additionally, each target is given a visibility time window. We investigate if exact methods are able to solve real-world instances in reasonable time. On that account, we address the problem from two sides, offline and online.
One essential aspect studied in this work is to find an appropriate formulation to model the time requirements. We present five different modeling approaches, where the time aspect is handled in different ways: discrete, continuous, directly or via sub-problems. Our randomly generated test instances consider 6 to 20 targets and 1 to 6 salespersons. Computational experiments with linear and non-linear trajectories are performed. The best model can solve instances up to 10 targets within 3 seconds. For online experiments the two familiar strategies REPLAN and IGNORE are adapted to our problem.
Another important aspect of this work is our contribution to competitive analysis, a method to evaluate the quality of online algorithms. Here, we restrict the problem considered so far to one salesperson and address the online moving targets traveling salesperson problem on the real line. We prove a lower bound for the competitive ratio regarding this problem. Then, we develop an online algorithm and present its competitive ratio with the corresponding proof. The competitive ratio depends on the speed ratio of salespersons and targets and outperforms a comparable online algorithm from the literature for certain speed ratios. The theoretical results obtained for the online moving target traveling salesperson problem on the real line are new in this research area.
Die Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung effizienter Methoden für die Klassifizierung der Stadien von Zellen. Hierbei liegt der Fokus auf sogenannten Deep-Learning-Algorithmen. Diese haben sich unter anderem in der Bilderkennung als sehr leistungsfähig erwiesen und können genutzt werden, um große Mengen von mikroskopischen Zellbildern in kurzer Zeit zu klassifizieren. Aufgezeigt werden Möglichkeiten zur Optimierung solcher Algorithmen mit dem Ziel, Genauigkeit und Speichergröße zu verbessern. Es wurden hierbei der Einfluss von verschiedenen Parametern auf die Performance eines Algorithmus untersucht und gegenübergestellt, verschiedene etablierte Modelle miteinander verglichen und eine Auswahl gängiger Methoden zur Modell-Optimierung getestet. Genutzt wurde die Software-Bibliothek TensorFlow, welche über die Programmiersprache Python angesprochen wird. Reale Anwendungsdaten wurden von der Firma Medipan zur Verfügung gestellt.
Die Frage nach dem Lösen von ganzzahligen Programmen mit quadratischen Nebenbedingungen spielt beim Aufbau multistatischer Sonar-Netze eine Rolle. Hierbei werden Schall-Sender und -Empfänger in einem Ozeanabschnitt so platziert, dass möglichst jeder Bereich durch mindestens ein Sender-Empfänger-Paar überwacht werden kann. Diskretisiert man den Abschnitt räumlich, so kann die Frage nach der Platzierung durch binäre Entscheidungsvariablen beschrieben werden. Da es auf die paarweise Platzierung ankommt, werden in den Modellen die Binärvariablen multipliziert, was einem logischen „Und“ entspricht. Um die Modelle halbwegs schnell numerisch zu lösen, wurden in der Literatur zahlreiche Linearisierungstechniken entwickelt und erprobt. Trotz allem Fortschritt ist man weit davon entfernt, Instanzen mit deutlich mehr als 100 Diskretisierungspunkten in annehmbarer Zeit zur Optimalität zu lösen. In dieser Bachelorarbeit werden heuristische Lösungsverfahren entwickelt, welche in der Lage sind, innerhalb kürzester Zeit gute (aber nicht beweisbar optimale) Lösungen zu liefern. Ausgangspunkt war die Grundidee, Sender und Empfänger abwechselnd zu optimieren, bis keine weitere Verbesserung mehr eintritt. Numerische Ergebnisse werden anhand von Testinstanzen präsentiert und mit einem exakten Ansatz verglichen.
Machine learning is a field that has been the object of study of many researchers around the globe during the last decades. Very often to solve machine learning challenges like classification problems for example, one needs to train an artificial neural network. To train this network a certain loss function has to be minimized. There is a ubiquitous approach to achieve this which consists of using variants of the stochastic gradient descent combined with the backpropagation algorithm. In our work, we aimed at testing a rather non-conventional scheme consisting of making use of the solvers a software called AMPL offers.
In structural engineering, active structures that combine the principles of lightweight construction with flexible component behavior are increasingly being realized. Within this approach, the lightweight design offers material-efficient structures which, due to their reduced mass, provide a good basis for an energy-efficient actuation. In addition, the use of flexible component behavior provides the possibility to keep the number of required actuators as low as possible, while maintaining a high degree of adaptability. Therefore, the resulting active hybrid structures represent a promising approach with respect to the development of sustainable active structures in our built environment. Due to a larger number of relevant objectives, this new kind of structures requires a higher design effort compared to classical structures from the field of structural engineering. This dissertation aims to contribute to a more efficient and generalized design process for active hybrid structures. In order to achieve this goal, several strategies have been investigated. First of all, useful target criteria related to the mentioned relevant areas are derived. These should enable a more target-oriented design and provide a basis for formulating appropriate target weighting, allowing the development of ideal compromise solutions that combine structural stiffness, bending elastic transformation behavior and an efficient actuation concept. In addition, a variety of approaches have been investigated to improve the design process of active hybrid structures in a broad stress field between stiffness and compliance. These mainly include the aspects of structure generation, analyses for an optimal load transfer as well as the determination of an associated optimal actuation concept. In the context of this thesis, different subroutines are investigated for the mentioned partial steps of an overall hierarchical method which were implemented in a software application. Some variations of this generalized method were applied to diverse structural case studies of cantilevered systems with different degrees of structural stiffness. Three of these examples, representing segments of roof structures that differ in terms of their bending elastic transformation behavior, were analyzed in more detail in this thesis. These analysis results were verified on real active hybrid prototypes.
