TY - THES A1 - Witzig, Jakob T1 - Effiziente Reoptimierung in Branch&Bound-Verfahren für die Steuerung von Aufzügen N2 - Heutzutage ist eine Vielzahl der mehrstöckigen Gebäude mit Personenaufzugsgruppen ausgestattet. Uns wohl bekannt sind die sogenannten konventionellen Systeme. Bei diesen Systemen betätigt jeder ankommende Passagier eine der beiden Richtungstasten und teilt dem dahinterstehenden Steuerungsalgorithmus seine gewünschte Startetage und Fahrtrichtung mit. Betreten wird der zuerst auf der Startetage ankommende Aufzug mit gleicher Fahrtrichtung und ausreichend Kapazität. Die entsprechende Zieletage wird dem System erst nach dem Betreten der Fahrgastkabine mitgeteilt. Neben diesen konventionellen Systemen gibt es Aufzugsgruppen mit Zielrufsteuerung. Die Besonderheit eines zielrufgesteuerten Systems ist, dass ein ankommender Passagier bereits auf der Startetage seine gewünschte Zieletage angibt und eine Rückmeldung vom System erhält, welchen Aufzug er nutzen soll. Diese Zuweisung durch das System hat das Ziel, die Warte- und Reisezeiten der Passagiere zu minimieren. Ein wesentlicher Faktor bei der Berechnung warte- und reisezeitminimaler Fahrpläne ist das momentane Verkehrsmuster. Eine Einteilung der Verkehrsszenarien lässt sich am besten bei Bürogebäuden vornehmen. So ist es typisch für die Morgenstunden, dass jeder Passagier auf einer Zugangsebene seine Fahrt beginnt und alle Passagiere die gleiche Fahrtrichtung haben. Unter einer Zugangsebene ist z. B. der Haupteingang oder ein Parkdeck zu verstehen. Ein weiterer wesentlicher Punkt bei Zielrufsystemen ist die Art der Zuweisung der Passagiere durch das System. Zum einen gibt es unmittelbar zuweisende (UZ-) Systeme. In einem UZ-System wird nach jeder Ankunft eines Passagiers eine Momentaufnahme des momentanen Verkehrs erstellt und es findet eine Neuplanung und Zuweisung statt. Eine solche Momentaufnahme werden wir im späteren Verkauf als Schnappschussproblem bezeichnen. Jeder Passagier bekommt im Anschluss an die Lösung des Schnappschussproblems eine Mitteilung vom System, z. B. über ein Display, welchen Aufzug er benutzen soll. Zum anderen gibt es verzögert zuweisende (VZ-) Systeme. In diesen Systemen wird die Erstellung und Lösung eines Schnappschussproblems bis kurz vor Ankunft eines Aufzuges auf einer Etage verzögert. In einem VZ-System teilt das System allen wartenden Passagieren die geplanten Zieletagen des ankommenden Aufzugs mit. Jeder Passagier, der einen Ruf getätigt hat und zu einer dieser Zieletagen fahren will, kann jetzt diesen Aufzug betreten. Durch die Verzögerung muss im Vergleich zu einem UZ-System eine weitaus größere Menge von Passagieren zugewiesen werden. Dadurch kann der Lösungsprozess bedeutend aufwändiger werden. Vorteil eines VZ-Systems ist hingegen der größere Freiheitsgrad bei der Optimierung, da aufgrund der späten Zuweisung die weitere Verkehrsentwicklung mit einbezogen werden kann. VZ-Systeme sind aufgrund des größeren Freiheitsgrades interessant für die Praxis ist, wir uns demzufolge in dieser Arbeit mit einer effizienteren Lösung dieser Art von Schnappschussproblemen befassen. Es genügt dabei den Lösungsprozess eines Schnappschussproblems zu betrachten. Das Ziel ist eine Reduzierung der benötigten Rechenzeit. Unter Reoptimierung verstehen wir die Konstruktion zulässiger Spalten in den jeweiligen Iterationsrunden der Spaltengenerierung innerhalb eines Schnappschussproblems. Als eine Iterationsrunde bezeichnet wir einer Menge zulässiger Touren mit negativen reduzierten Kosten. Eine effiziente Reoptimierung zeichnet sich durch die Wiederverwendung und Aufbereitung von Informationen aus vorangegangenen Iterationsrunden desselben Schnappschussproblems aus. Zu den wichtigen Informationen gehört der konstruierte Suchbaum der vorherigen Iterationsrunde mit seinen ausgeloteten (abgeschnittenen) Blättern sowie konstruierten Touren bzw. Spalten, welche in der Iterationsrunde ihrer Konstruktion nicht zur Lösung des Teilproblems der Spaltengenerierung beitrugen. Eine solche Wiederverwendung und Aufbereitung von Informationen nennen wir Warmstart. Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-42210 ER - TY - GEN A1 - Özel, M. Neset A1 - Kulkarni, Abhishek A1 - Hasan, Amr A1 - Brummer, Josephine A1 - Moldenhauer, Marian A1 - Daumann, Ilsa-Maria A1 - Wolfenberg, Heike A1 - Dercksen, Vincent J. A1 - Kiral, F. Ridvan A1 - Weiser, Martin A1 - Prohaska, Steffen A1 - von Kleist, Max A1 - Hiesinger, Peter Robin T1 - Serial synapse formation through filopodial competition for synaptic seeding factors N2 - Following axon pathfinding, growth cones transition from stochastic filopodial exploration to the formation of a limited number of synapses. How the interplay of filopodia and synapse assembly ensures robust connectivity in the brain has remained a challenging problem. Here, we developed a new 4D analysis method for filopodial dynamics and a data-driven computational model of synapse formation for R7 photoreceptor axons in developing Drosophila brains. Our live data support a 'serial synapse formation' model, where at any time point only a single 'synaptogenic' filopodium suppresses the synaptic competence of other filopodia through competition for synaptic seeding factors. Loss of the synaptic seeding factors Syd-1 and Liprin-α leads to a loss of this suppression, filopodial destabilization and reduced synapse formation, which is sufficient to cause the destabilization of entire axon terminals. Our model provides a filopodial 'winner-takes-all' mechanism that ensures the formation of an appropriate number of synapses. T3 - ZIB-Report - 19-45 KW - filopodia KW - growth cone dynamics KW - brain wiring KW - 2-photon microscopy KW - model Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-74397 SN - 1438-0064 ER - TY - GEN A1 - Masing, Berenike A1 - Lindner, Niels A1 - Ebert, Patricia T1 - Forward and Line-Based Cycle Bases for Periodic Timetabling N2 - The optimization of periodic timetables is an indispensable planning task in public transport. Although the periodic event scheduling problem (PESP) provides an elegant mathematical formulation of the periodic timetabling problem that led to many insights for primal heuristics, it is notoriously hard to solve to optimality. One reason is that for the standard mixed-integer linear programming formulations, linear programming relaxations are weak and the integer variables are of pure technical nature and in general do not correlate with the objective value. While the first problem has been addressed by developing several families of cutting planes, we focus on the second aspect. We discuss integral forward cycle bases as a concept to compute improved dual bounds for PESP instances. To this end, we develop the theory of forward cycle bases on general digraphs. Specifically for the application of timetabling, we devise a generic procedure to construct line-based event-activity networks, and give a simple recipe for an integral forward cycle basis on such networks. Finally, we analyze the 16 railway instances of the benchmark library PESPlib, match them to the line-based structure and use forward cycle bases to compute better dual bounds for 14 out of the 16 instances. T3 - ZIB-Report - 23-05 Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-89731 SN - 1438-0064 ER - TY - GEN A1 - Ribera Borrell, Enric A1 - Quer, Jannes A1 - Richter, Lorenz A1 - Schütte, Christof T1 - Improving control based importance sampling strategies for metastable diffusions via adapted metadynamics N2 - Sampling rare events in metastable dynamical systems is often a computationally expensive task and one needs to resort to enhanced sampling methods such as importance sampling. Since we can formulate the problem of finding optimal importance sampling controls as a stochastic optimization problem, this then brings additional numerical challenges and the convergence of corresponding algorithms might as well suffer from metastabilty. In this article we address this issue by combining systematic control approaches with the heuristic adaptive metadynamics method. Crucially, we approximate the importance sampling control by a neural network, which makes the algorithm in principle feasible for high dimensional applications. We can numerically demonstrate in relevant metastable problems that our algorithm is more effective than previous attempts and that only the combination of the two approaches leads to a satisfying convergence and therefore to an efficient sampling in certain metastable settings. T3 - ZIB-Report - 21-40 KW - importance sampling KW - stochastic optimal control KW - rare event simulation KW - metastability KW - neural networks KW - metadynamics Y1 - 2021 SN - 1438-0064 ER - TY - THES A1 - Paskin, Martha T1 - Estimating 3D Shape of the Head Skeleton of Basking Sharks Using Annotated Landmarks on a 2D Image N2 - Basking sharks are thought to be one of the most efficient filter-feeding fish in terms of the throughput of water filtered through their gills. Details about the underlying morphology of their branchial region have not been studied due to various challenges in acquiring real-world data. The present thesis aims to facilitate this, by developing a mathematical shape model which constructs the 3D structure of the head skeleton of a basking shark using annotated landmarks on a single 2D image. This is an ill-posed problem as estimating the depth of a 3D object from a single 2D view is, in general, not possible. To reduce this ambiguity, we create a set of pre-defined training shapes in 3D from CT scans of basking sharks. First, the damaged structures of the sharks in the scans are corrected via solving a set of optimization problems, before using them as accurate 3D representations of the object. Then, two approaches are employed for the 2D-to-3D shape fitting problem–an Active Shape Model approach and a Kendall’s Shape Space approach. The former represents a shape as a point on a high-dimensional Euclidean space, whereas the latter represents a shape as an equivalence class of points in this Euclidean space. Kendall’s shape space approach is a novel technique that has not yet been applied in this context, and a comprehensive comparison of the two approaches suggests this approach to be superior for the problem at hand. This can be credited to an improved interpolation of the training shapes. N2 - Riesenhaie zählen zu den effizientesten Filtrierern hinsichtlich des durch die Kiemen gefilterten Wasservolumens. Die Kiemenregion dieser Tiere besitzt eine markante Morphologie, die jedoch bisher nicht umfassend erforscht werden konnte, da es schwierig ist, reale Daten dieser Tiere zu erheben. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, dies durch die Entwicklung eines mathematischen Formmodels zu ermöglichen, das es erlaubt, die 3D-Struktur des Schädelskeletts anhand von Landmarken, die auf einem 2D-Bild platziert werden, zu rekonstruieren. Die hierzu benötigte Tiefenbestimmung der Landmarken aus einer 2D-Projektion ist ein unterbestimmtes Problem. Wir lösen dies durch die Hinzunahme von Trainingsformen, welche wir aus CT-Scans von Riesenhaien gewinnen. Der Zustand der tomografierten Exemplare erfordert jedoch einen vorhergehenden Korrekturschritt, den wir mit Hilfe eines Optimierungsansatzes lösen, bevor die extrahierten Strukturen als 3D-Trainingsformen dienen können. Um die 3D-Struktur des Schädelskelettes aus 2D-Landmarken zu rekonstruieren, vergleichen wir zwei Ansätze – den sogenannten Active-Shape-Model (ASM)-Ansatz und einen Ansatz basierend auf Kendalls Formenraum. Während eine Form des ASM-Ansatzes durch einen Punkt in einem hochdimensionalen Euklidischen Raum repräsentiert ist, repräsentiert eine Form im Kendall-Formenraum eine Äquivalenzklasse von Punkten des Euklidischen Raumes. Die Anwendung des Kendall-Formenraumes für das beschriebene Problem ist neu und ein umfassender Vergleich der Methoden hat ergeben, dass dieser Ansatz für die spezielle Anwendung zu besseren Ergebnissen führt. Wir führen dies auf die überlegene Interpolation der Trainingsformen in diesem Raum zurück. Y1 - 2022 UR - https://arxiv.org/abs/2207.12687 ER -