68-XX COMPUTER SCIENCE (For papers involving machine computations and programs in a specific mathematical area, see Section -04 in that area)
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We provide an overview of new theoretical results that we obtained while further investigating multiband robust optimization, a new model for robust optimization that we recently proposed to tackle uncertainty in mixed-integer linear programming. This new model extends and refines the classical Gamma-robustness model of Bertsimas and Sim and is particularly useful in the common case of arbitrary asymmetric distributions of the uncertainty. Here, we focus on uncertain 0-1 programs and we analyze their robust counterparts when the uncertainty is represented through a multiband set. Our investigations were inspired by the needs of our industrial partners in the research project ROBUKOM.
We investigate the Robust Multiperiod Network Design Problem, a generalization of the classical Capacitated Network Design Problem that additionally considers multiple design periods and provides solutions protected against traffic uncertainty.
Given the intrinsic difficulty of the problem, which proves challenging even for state-of-the art commercial solvers, we propose a hybrid primal heuristic based on the combination of ant colony optimization and an exact large neighborhood search. Computational experiments on a set of realistic instances from the SNDlib show that our heuristic can find solutions of extremely good quality with low optimality gap.
A central assumption in classical optimization is that all the input data of a
problem are exact. However, in many real-world problems, the input data are subject
to uncertainty. In such situations, neglecting uncertainty may lead to nominally optimal
solutions that are actually suboptimal or even infeasible. Robust optimization
offers a remedy for optimization under uncertainty by considering only the subset of
solutions protected against the data deviations. In this paper, we provide an overview
of the main theoretical results of multiband robustness, a new robust optimization
model that extends and refines the classical theory introduced by Bertsimas and Sim.
After introducing some new results for the special case of pure binary programs, we
focus on the harvest scheduling problem and show how multiband robustness can
be adopted to tackle the uncertainty affecting the volume of produced timber and
grant a reduction in the price of robustness.
Neuroanatomical analysis, such as classification of cell types, depends on reliable reconstruction of large numbers of complete 3D dendrite and axon morphologies. At present, the majority of neuron reconstructions are obtained from preparations in a single tissue slice in vitro, thus suffering from cut off dendrites and, more dramatically, cut off axons. In general, axons can innervate volumes of several cubic millimeters and may reach path lengths of tens of centimeters. Thus, their complete reconstruction requires in vivo labeling, histological sectioning and imaging of large fields of view. Unfortunately, anisotropic background conditions across such large tissue volumes, as well as faintly labeled thin neurites, result in incomplete or erroneous automated tracings and even lead experts to make annotation errors during manual reconstructions. Consequently, tracing reliability renders the major bottleneck for reconstructing complete 3D neuron morphologies. Here, we present a novel set of tools, integrated into a software environment named ‘Filament Editor’, for creating reliable neuron tracings from sparsely labeled in vivo datasets. The Filament Editor allows for simultaneous visualization of complex neuronal tracings and image data in a 3D viewer, proof-editing of neuronal tracings, alignment and interconnection across sections, and morphometric analysis in relation to 3D anatomical reference structures. We illustrate the functionality of the Filament Editor on the example of in vivo labeled axons and demonstrate that for the exemplary dataset the final tracing results after proof-editing are independent of the expertise of the human operator.
„Ich mache ihm ein Angebot, das er nicht ablehnen kann.” Diese Aussage aus einem gänzlich anderen Kontext lässt sich recht treffend übertragen als Wunsch von Dienstleistern und Zweck von Dienstleistungen für Datenproduzenten im Forschungsdatenmanagement. Zwar wirkt Druck zur Datenübergabe nicht förderlich, die Eröffnung einer Option aber sehr wohl. Im vorliegenden Artikel geht es um das Verständnis der Nachhaltigkeit von Forschung und ihren Daten anhand der Erkenntnisse und Erfahrungen aus der ersten Phase des DFG-Projekts EWIG. [Fn 01] Eine Auswahl von Fallstricken beim Forschungsdatenmanagement wird anhand der Erkenntnisse aus Expertengesprächen und eigenen Erfahrungen beim Aufbau von LZA-Workflows vorgestellt. Erste Konzepte in EWIG zur Datenübertragung aus unterschiedlich strukturierten Datenquellen in die „Langfristige Domäne” werden beschrieben.
We provide an overview of our main results about studying Linear Programming Problems whose coefficient matrix is subject to uncertainty and the uncertainty is modeled through a multi-band set. Such an uncertainty set generalizes the classical one proposed by Bertsimas and Sim and is particularly suitable in the common case of arbitrary non-symmetric distributions of the parameters. Our investigations were inspired by practical needs of our industrial partner in ongoing projects with focus on the design of robust telecommunications networks.
The rapid technological evolution of telecommunication networks demands service providers to regularly update their technology, with the aim of remaining competitive in the marketplace. However, upgrading the technology in a network is not a trivial task. New hardware components need to be installed in the network and during the installation network connectivity may be temporarily compromised. The Wavelength Division Multiplexing (WDM) technology, whose upgrade is considered in here, shares fiber links among several optical connections and tearing down a single link may disrupt several optical connections at once. When the upgrades involve large parts of a network, typically not all links can be upgraded in parallel, which may lead to an unavoidable longer disruption of some connections. A bad scheduling of the overall endeavor, however, can dramatically increase the disconnection time of parts of the networks, causing extended service disruption. In this contribution, we study the problem of finding a schedule of the fiber link upgrades that minimizes the total service disruption time. To the best of our knowledge, this problem has not yet been formalized and investigated. The aim of our work is to close this gap by presenting a mathematical optimization model for the problem and an innovative solution algorithm that tackles the intrinsic difficulties of the problem. Computational experience on realistic instances completes our study. Our original investigations have been driven by real needs of DFN, operator of the German National Research and Education Network and our partner in the BMBF research project ROBUKOM (http://www.robukom.de/).
We propose a novel optimization model for resource assignment in heterogeneous wireless network. The model adopts two objective functions maximizing the number of served users and the minimum granted utility at once. A distinctive feature of our new model is to consider two consecutive time slots, in order to include handover as an additional decision dimension.
Furthermore, the solution algorithm that we propose refines a heuristic solution approach recently proposed in literature, by considering a real joint optimization of the considered resources. The simulation study shows that the new model leads to a significant reduction in handover frequency, when compared to a traditional scheme based on maximum SNR.
Recently, parallel computing environments have become significantly popular. In order to obtain the benefit of using parallel computing environments, we have to deploy our programs for these effectively. This paper focuses on a parallelization of SCIP (Solving Constraint Integer Programs), which is a MIP solver and constraint integer programming framework available in source code. There is a parallel extension of SCIP named ParaSCIP, which parallelizes SCIP on massively parallel distributed memory computing environments. This paper describes FiberSCIP, which is yet another parallel extension of SCIP to utilize multi-threaded parallel computation on shared memory computing environments, and has the following contributions: First, the basic concept of having two parallel extensions and the relationship between them and the parallelization framework provided by UG (Ubiquity Generator) is presented, including an implementation of deterministic parallelization. Second, the difficulties to achieve a good performance that utilizes all resources on an actual computing environment and the difficulties of performance evaluation of the parallel solvers are discussed. Third, a way to evaluate the performance of new algorithms and parameter settings of the parallel extensions is presented. Finally, current performance of FiberSCIP for solving mixed-integer linear programs (MIPs) and mixed-integer non-linear programs (MINLPs) in parallel is demonstrated.
The planning of a communication network is inevitably depending on the quality of both the planning tool and the demand forecast used. In this article, we show exemplarily how the emerging area of Robust Optimization can advance the network planning by a more accurate mathematical description of the demand uncertainty. After a general introduction of the concept and its application to a basic network design problem, we present two applications: multi-layer and mixed-line-rate network design. We conclude with a discussion of extensions of the robustness concept to increase the accuracy of handling uncertainties.
Peer-to-peer (P2P) systems form a special class of distributed systems. Typically, nodes in a P2P system are flat and share the same responsabilities. In this thesis we focus on three problems that occur in P2P systems: the storage of data replicates, quantile computation on distributed data streams, and churn rate estimation. Data replication is one of the oldest techniques to maintain stored data in a P2P system and to reply to read requests. Applications, which use data replication are distributed databases. They are part of an abstract overlay network and do not see the underlying network topology. The question is how to place a set of data replicates in a distributed system such that response times and failure probabilities become minimal without a priori knowledge of the topology of the underlying hardware nodes? We show how to utilize an agglomerative clustering procedure to reach this goal. State-of-the-art algorithms for aggregation of distributed data or data streams require at some point synchronization, or merge data aggregates hierarchically, which does not accompany the basic principle of P2P systems. We test whether randomized communication and merging of data aggregates are able to produce the same results. These data aggregates serve for quantile queries. Constituting and maintaining a P2P overlay network requires frequent message passing. It is a goal to minimize the number of maintenance messages since they consume bandwidth which might be missing for other applications. The lower bound of the frequency for mainte- nance messages is highly dependent on the churn rate of peers. We show how to estimate the mean lifetime of peers and to reduce the frequency for maintenance messages without destabilizing the infrastructure of the constituting overlay.
Snapshots in Scalaris
(2013)
Eines der größten Hindernisse beim praktischen Einsatz von Scalaris, einer skalierbaren Implementierung einer verteilten Hashtabelle mit Unterstützung für Transaktionen, ist das Fehlen eines Verfahrens zur Aufnahme eines konsistenten Zustandes des gesamten Systems. Wir stellen in dieser Arbeit ein einfaches Protokoll vor, dass diese Aufgabe erfüllt und sich, auf Grund der von uns gewählten Herangehensweise, leicht implementieren lässt.
Als Ausgangspunkt dafür wählen wir aus einer Reihe von „klassischen“ Snapshot-Algorithmen ein 1993 von Mattern entworfenes Verfahren, welches auf dem Algorithmus von Lai und Yang basiert, aus. Diese Entscheidung basiert auf einer gründlichen Analyse der Protokolle unter Berücksichtigung der Architektur der existierenden Software.
Im nächsten Arbeitsschritt benutzen wir unser vollständiges Wissen über die Interna des Transaktionssystems von Scalaris und vereinfachen damit das Verfahren hinsichtlich Benutzbarkeit und Implementierungskomplexität, ohne die Anforderungen an den aufgenommenen Zustand aufzuweichen. Statt einer losen Anhäufung lokaler Zustände der einzelnen Teilnehmerknoten können wir am Ende eine große Schlüssel-Wert-Tabelle als Ergebnis erzeugen, die konsistent ist, sich leicht weiterverarbeiten lässt und die einem Zustand entspricht, in dem sich das System einmal befunden haben könnte.
Nachdem wir das Verfahren dann in Software umgesetzt haben, werten wir die Ergebnisse hinsichtlich des Einflusses auf die Performanz des Gesamtsystems aus und diskutieren mögliche Weiterentwicklungen.
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.
Simulations of the critical Ising model by means of local update algorithms suffer from critical slowing down. One way to partially compensate for the influence of this phenomenon on the runtime of simulations is using increasingly faster and parallel computer hardware. Another approach is using algorithms that do not suffer
from critical slowing down, such as cluster algorithms. This paper reports on the Swendsen-Wang multi-cluster algorithm on Intel Xeon Phi coprocessor 5110P, Nvidia Tesla M2090 GPU, and x86
multi-core CPU. We present shared memory versions of the said algorithm for the simulation of the two- and three-dimensional Ising model. We use a combination of local cluster search and global label reduction by means of atomic hardware primitives. Further, we
describe an MPI version of the algorithm on Xeon Phi and CPU, respectively. Significant performance improvements over known im
plementations of the Swendsen-Wang algorithm are demonstrated.
We propose a novel GPU-based approach to render virtual X-ray projections of deformable tetrahedral meshes. These meshes represent the shape and the internal density distribution of a particular anatomical structure and are derived from statistical shape and intensity models (SSIMs). We apply our method to improve the geometric reconstruction of 3D anatomy (e.g.\ pelvic bone) from 2D X-ray images. For that purpose, shape and density of a tetrahedral mesh are varied and virtual X-ray projections are generated within an optimization process until the similarity between the computed virtual X-ray and the respective anatomy depicted in a given clinical X-ray is maximized. The OpenGL implementation presented in this work deforms and projects tetrahedral meshes of high resolution (200.000+ tetrahedra) at interactive rates. It generates virtual X-rays that accurately depict the density distribution of an anatomy of interest. Compared to existing methods that accumulate X-ray attenuation in deformable meshes, our novel approach significantly boosts the deformation/projection performance. The proposed projection algorithm scales better with respect to mesh resolution and complexity of the density distribution, and the combined deformation and projection on the GPU scales better with respect to the number of deformation parameters. The gain in performance allows for a larger number of cycles in the optimization process. Consequently, it reduces the risk of being stuck in a local optimum. We believe that our approach contributes in orthopedic surgery, where 3D anatomy information needs to be extracted from 2D X-rays to support surgeons in better planning joint replacements.