90-XX OPERATIONS RESEARCH, MATHEMATICAL PROGRAMMING
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Das Wind-Interpolation-Problem (WIP) ist ein bisher selten diskutiertes Problem der Flugplanungsoptimierung, bei dem es darum geht, Wind-Komponenten auf einer Luftstraße zu approximieren. Anhand von Winddaten, die vektoriell an den Gitterpunkten eines den Globus umspannenden Gitters vorliegen, soll bestimmt werden, wie viel Wind entlang der Luftstraße und quer zu ihr weht. Thema dieser Arbeit ist ein Spezialfall des WIP, nämlich das statische WIP auf einer Planfläche (SWIPP). Dazu wird zuerst ein Algorithmus besprochen, der das SWIPP zwar löst, aber einem Ansatz zugrunde liegt, der bei genauerem Hinsehen nicht sinnvoll erscheint: hier wird Wind zwischen vier Punkten interpoliert, wozu es keine triviale Methode gibt. Ähnlich zu diesem Algorithmus, der heute als State-of-the-Art gilt, wird als Ergebnis dieser Arbeit ein neuer Algorithmus vorgestellt, der das SWIPP akkurater und schneller löst. Hier wird deutlich seltener
auf die Interpolation zwischen vier Punkten zurückgegriffen - stattdessen wird fast immer linear zwischen zwei Punkten interpoliert. Die Algorithmen zum Lösen des SWIPP werden auf ihre Genauigkeit,
asymptotische Laufzeit und Geschwindigkeit untersucht und verglichen. Als Testareal dienen zum einen echte Wetterdaten sowie das Luftstraßennetz, das die Erde umspannt, und zum anderen ein eigens generiertes Windfeld und fiktive Luftstraßen. Es wird gezeigt, dass der hier vorgestellte Algorithmus die State-of-the-Art-Variante in allen genannten Aspekten übertrifft.
Mit dem Voranschreiten der Technologie erhalten die öffentlichen Verkehrsmittel eine größere Bedeutung. Die Beförderung mehrerer Personen eröffnet der Gesellschaft viele Möglichkeiten, unter Anderem den Vorteil der Zeitersparnis. Die Dauer des Verkehrswegs mit öffentlichen Verkehrsmitteln ist häufig geringer, als die mit individuellen Verkehrsmitteln. Jedes öffentliche Transportmittel ist mit einem Fahrplan versehen. Dieser bietet Passagieren, die öffentliche Verkehrsmittel öfter nutzen, eine Strukturierung und Planung ihrer Zeit. Dabei lassen sich Taktfahrpläne aufgrund ihres periodischen Verhaltens leicht einprägen. Dieses periodische Verhalten ist durch mathematische Modellierungen darstellbar. Das persönliche Nutzverhalten vieler Bürger im Personenverkehr ist auf die öffentlichen Verkehrsmittel beschränkt. Diese beinhalten im Gegensatz zum individuellen Verkehrsmittel eine Wartezeit. Dabei stellt sich die Frage, ob man anhand mathematischer Modelle diese Wartezeit minimieren kann. Eine bekannte mathematische Modellierung dieses Problems ist das Periodic Event Scheduling Problem (PESP). Die optimale Planung eines periodischen Taktfahrplanes steht im Vordergrund.
Während ich dieses Problem betrachtet habe, wurde ich auf das Rechnen mit linearen Gleichungssystemen modulo T aufmerksam. Bei periodischen Taktfahrplänen wird ein einheitliches zeitliches Muster, welches sich nach T Minuten wiederholt, betrachtet. Das dabei zu betrachtende Lösungsproblem eröffnet ein Teilgebiet der Mathematik, welches bislang nicht im Vordergrund stand: Das Lösen linearer Gleichungen modulo T, wobei T für die Zeit in Minuten steht und somit 60 ist. Da 60 keine Primzahl ist, kann – wie im Laufe der Arbeit präsentiert – das lineare Gleichungssystem nicht mehr über einen Körper gelöst werden. Lineare Gleichungssysteme werden nun über Nicht-Körpern betrachtet. Die Literatur weist sowohl im deutschsprachigem als auch im englischsprachigen Raum wenig Umfang bezüglich linearer Gleichungssysteme über Nicht-Körper auf. Der Bestand an Fachliteratur bezüglich den Themen lineare diophantische Gleichungssysteme, Hermite-
Normalform und Smith-Normalform ist zurzeit gering, dennoch erreichbar, beispielsweise in [1], welches in dieser Bachelorarbeit genutzt wurde. Insbesondere wurde ich bei der Suche nach geeigneter Literatur zu linearen Gleichungssystemen über Restklassenringe, die keinen Körper bilden, nicht fündig. Dabei recherchierte ich sowohl in den Universitätsbibliotheken als auch in webbasierenden Suchmaschinen.
Aufgrund dem geringen Bestand an Fachliteratur in diesem Kontext, war ich gezwungen, an vielen Stellen eigene logische Verknüpfungen zu konzipieren und zu beweisen. Dies brachte viele Schwierigkeiten mit sich, die mit bestmöglichem Verständnis bearbeitet wurden.
Abseits der Zugänglichkeit der Literatur, finde ich es sehr überraschend, dass sich viele Professoren der Mathematik mit diesem Themenbereich nicht beschäftigten. Insbesondere gingen von den Dozenten, die ich um Literaturempfehlung bat, kein Werk aus. Damit
wurde das Thema "Lineare Gleichungssysteme Modulo T" einerseits eine große Herausforderung, andererseits eine große Motivation, da ich mit dieser Bachelorarbeit vielen Interessenten der Mathematik als Sekundärliteratur dienen kann.
Large Neighborhood Search (LNS) heuristics are among the most powerful but also most expensive heuristics for mixed integer programs (MIP). Ideally, a solver learns adaptively which LNS heuristics work best for the MIP problem at hand in order to concentrate its limited computational budget.
To this end, this work introduces Adaptive Large Neighborhood Search (ALNS) for MIP, a primal heuristic that acts a framework for eight popular LNS heuristics such as Local Branching and Relaxation Induced Neighborhood Search (RINS). We distinguish the available LNS heuristics by their individual search domains, which we call neighborhoods. The decision which neighborhood should be executed is guided by selection strategies for the multi armed bandit problem, a related optimization problem during which suitable actions have to be chosen to maximize a reward function. In this paper, we propose an LNS-specific reward function to learn to distinguish between the available neighborhoods based on successful calls and failures. A second, algorithmic enhancement is a generic variable fixing priorization, which ALNS employs to adjust the subproblem complexity as needed. This is particularly useful for some neighborhoods which do not fix variables by themselves. The proposed primal heuristic has been implemented
within the MIP solver SCIP. An extensive computational study is conducted to compare different LNS strategies within our ALNS framework on a large set of publicly available MIP instances from the MIPLIB and Coral benchmark sets. The results of this simulation are used to calibrate the parameters of the bandit selection strategies. A second computational experiment shows the computational benefits of the proposed ALNS framework within the MIP solver SCIP.
Given a factorable function f, we propose a procedure that constructs a concave underestimor of f that is tight at a given point. These underestimators can be used to generate intersection cuts. A peculiarity of these underestimators is that they do not rely on a bounded domain. We propose a strengthening procedure for the intersection cuts that exploits the bounds of the domain. Finally, we propose an extension of monoidal strengthening to take advantage of the integrality of the non-basic variables.
SCIP-JACK is a customized, branch-and-cut based solver for Steiner tree and related problems. ug [SCIP-JACK, MPI] extends SCIP-JACK to a massively par- allel solver by using the Ubiquity Generator (UG) framework. ug [SCIP-JACK, MPI] was the only solver that could run on a distributed environment at the (latest) 11th DIMACS Challenge in 2014. Furthermore, it could solve three well-known open instances and updated 14 best known solutions to instances from the bench- mark libary STEINLIB. After the DIMACS Challenge, SCIP-JACK has been con- siderably improved. However, the improvements were not reflected on ug [SCIP- JACK, MPI]. This paper describes an updated version of ug [SCIP-JACK, MPI], especially branching on constrains and a customized racing ramp-up. Furthermore, the different stages of the solution process on a supercomputer are described in detail. We also show the latest results on open instances from the STEINLIB.
Calculation of clinch and elimination numbers for sports leagues with multiple tiebreaking criteria
(2018)
The clinch (elimination) number is a minimal number of future wins (losses) needed to clinch (to be eliminated from) a specified place in a sports league. Several optimization models and computational results are shown in this paper for calculating clinch and elimination numbers in the presence of predefined multiple tiebreaking criteria. The main subject of this paper is to provide a general algorithmic framework based on integer programming with utilizing possibly multilayered upper and lower bounds.
We establish a general computational framework for Chvátal’s conjecture based on exact rational integer programming. As a result we prove Chvátal’s conjecture holds for all downsets whose union of sets contains seven elements or less. The computational proof relies on an exact branch-and-bound certificate that allows for elementary verification and is independent of the integer programming solver used.
During the past years hospitals saw themselves confronted with increasing economical pressure (WB06, p. V). Therefore, optimizing the general operational procedures has gained in importance. The revenue of a hospital depends on the kinds and quantity of treatments performed and on the effcient use and utilization of the corresponding resources. About 25 − 50% of the treatment costs of a patient needing surgery incurs in the operating rooms (WB06, p. 58). Hence skillful management of the operating rooms can have a large impact on the overall revenue of a hospital. Belien and Demeulemeester (BD07) describe the planning of operating room (OR) schedules as a multi-stage process. In the first stage OR time is allocated to the hospitals specialties and capacities and resources are adjusted. In the second stage a master surgery schedule (MSS) is developed, that is a timetable for D days that specifies the amount of OR time assigned to the specialties on every individual day. After D days this schedule will be repeated without any changes. Hence, developing an MSS is a long-term problem. Finally, specialties will schedule specific surgeries within their assigned OR time. In this work we will focus on the development of the MSS that maximizes the revenue of the hospital. Our main focus will be to ensure that the capacities of the downstream resources, i.e. the bed capacities in the ICU and ward, will not be exceeded. Additionally, we hope that our formulation of the problem will lead to a leveled bed demand without significant peaks. We will incorporate the uncertainty of patient demand and case mix in our model. There have been several approaches on this subject, for example in (Fü15) and (BD07) and this work is in part inuenced by these advances.