Cut-first branch-and-price-second for the capacitated arc-routing problem

This paper presents the first full-fledged branch-and-price (bap) algorithm for the capacitated arc-routing problem (CARP). Prior exact solution techniques either rely on cutting planes or the transformation of the CARP into a node-routing problem. The drawbacks are either models with inherent symmetry, dense underlying networks, or a formulation where edge flows in a potential solution do not allow the reconstruction of unique CARP tours. The proposed algorithm circumvents all these drawbacks by taking the beneficial ingredients from existing CARP methods and combining them in a new way. The first step is the solution of the one-index formulation of the CARP in order to produce strong cuts and an excellent lower bound. It is known that this bound is typically stronger than relaxations of a pure set-partitioning CARP model.rnSuch a set-partitioning master program results from a Dantzig-Wolfe decomposition. In the second phase, the master program is initialized with the strong cuts, CARP tours are iteratively generated by a pricing procedure, and branching is required to produce integer solutions. This is a cut-first bap-second algorithm and its main function is, in fact, the splitting of edge flows into unique CARP tours.

Essays on Ethnic Diversity and Development

This dissertation consists of three papers. The first paper "Ethnicity, Migration and Conflict: Evidence from Contemporary South Africa” exploits some of the institutional changes intervened in South Africa during the end of apartheid to investigate the relationship between ethnic diversity and conflict. I find within-ethnic polarization to be significantly related to the intensity of armed confrontations among black-dominated groups. My investigation thus gives strong and robust empirical support to the theoretical arguments which identify ethnic diversity as one of the determinants of civil conflict. The second chapter, "Pre-Colonial Centralization, Colonial Activities and Development in Latin America", investigates the hypothesis that pre-colonial ethnic institutions shaped contemporary regional development in Latin America. I document a strong and positive relationship between pre-colonial centralization and regional development. Results are in line with the view that highly centralized pre-colonial societies acted as a persistent force of agglomeration of economic activities and a strong predictor of colonial state capacity. The results provide a first evidence of the existence of a link between pre-colonial centralization, colonial institutional arrangements and contemporary economic development. The third paper "Bite and Divide: Malaria and Ethnic Diversity” investigates the role of malaria as a fundamental determinant of modern ethnic diversity. This paper explores the hypothesis, that a large exposure to malaria has fostered differential interactions that reduced contacts between groups and increased interactions within them Results document that malaria increases the number of ethnic groups at all levels of spatial disaggregation and time periods (exploiting historical and current ethnic diversity). Regressions' results show that endogamous marriages are more frequent in areas with higher geographic suitability to malaria. The results are in line with the view that malaria increases intra-ethnic interactions while decreasing inter-ethnic ones.

Picard-Fuchs equations of dimensionally regulated Feynman integrals

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit besch¨aftige ich mich mit Differentialgleichungen von Feynman– Integralen. Ein Feynman–Integral h¨angt von einem Dimensionsparameter D ab und kann f¨ur ganzzahlige Dimension als projektives Integral dargestellt werden. Dies ist die sogenannte Feynman–Parameter Darstellung. In Abh¨angigkeit der Dimension kann ein solches Integral divergieren. Als Funktion in D erh¨alt man eine meromorphe Funktion auf ganz C. Ein divergentes Integral kann also durch eine Laurent–Reihe ersetzt werden und dessen Koeffizienten r¨ucken in das Zentrum des Interesses. Diese Vorgehensweise wird als dimensionale Regularisierung bezeichnet. Alle Terme einer solchen Laurent–Reihe eines Feynman–Integrals sind Perioden im Sinne von Kontsevich und Zagier. Ich beschreibe eine neue Methode zur Berechnung von Differentialgleichungen von Feynman– Integralen. ¨ Ublicherweise verwendet man hierzu die sogenannten ”integration by parts” (IBP)– Identit¨aten. Die neue Methode verwendet die Theorie der Picard–Fuchs–Differentialgleichungen. Im Falle projektiver oder quasi–projektiver Variet¨aten basiert die Berechnung einer solchen Differentialgleichung auf der sogenannten Griffiths–Dwork–Reduktion. Zun¨achst beschreibe ich die Methode f¨ur feste, ganzzahlige Dimension. Nach geeigneter Verschiebung der Dimension erh¨alt man direkt eine Periode und somit eine Picard–Fuchs–Differentialgleichung. Diese ist inhomogen, da das Integrationsgebiet einen Rand besitzt und daher nur einen relativen Zykel darstellt. Mit Hilfe von dimensionalen Rekurrenzrelationen, die auf Tarasov zur¨uckgehen, kann in einem zweiten Schritt die L¨osung in der urspr¨unglichen Dimension bestimmt werden. Ich beschreibe außerdem eine Methode, die auf der Griffiths–Dwork–Reduktion basiert, um die Differentialgleichung direkt f¨ur beliebige Dimension zu berechnen. Diese Methode ist allgemein g¨ultig und erspart Dimensionswechsel. Ein Erfolg der Methode h¨angt von der M¨oglichkeit ab, große Systeme von linearen Gleichungen zu l¨osen. Ich gebe Beispiele von Integralen von Graphen mit zwei und drei Schleifen. Tarasov gibt eine Basis von Integralen an, die Graphen mit zwei Schleifen und zwei externen Kanten bestimmen. Ich bestimme Differentialgleichungen der Integrale dieser Basis. Als wichtigstes Beispiel berechne ich die Differentialgleichung des sogenannten Sunrise–Graphen mit zwei Schleifen im allgemeinen Fall beliebiger Massen. Diese ist f¨ur spezielle Werte von D eine inhomogene Picard–Fuchs–Gleichung einer Familie elliptischer Kurven. Der Sunrise–Graph ist besonders interessant, weil eine analytische L¨osung erst mit dieser Methode gefunden werden konnte, und weil dies der einfachste Graph ist, dessen Master–Integrale nicht durch Polylogarithmen gegeben sind. Ich gebe außerdem ein Beispiel eines Graphen mit drei Schleifen. Hier taucht die Picard–Fuchs–Gleichung einer Familie von K3–Fl¨achen auf.

On arc-routing problems

Das Basisproblem von Arc-Routing Problemen mit mehreren Fahrzeugen ist das Capacitated Arc-Routing Problem (CARP). Praktische Anwendungen des CARP sind z.B. in den Bereichen Müllabfuhr und Briefzustellung zu finden. Das Ziel ist es, einen kostenminimalen Tourenplan zu berechnen, bei dem alle erforderlichen Kanten bedient werden und gleichzeitig die Fahrzeugkapazität eingehalten wird. In der vorliegenden Arbeit wird ein Cut-First Branch-and-Price Second Verfahren entwickelt. In der ersten Phase werden Schnittebenen generiert, die dem Master Problem in der zweiten Phase hinzugefügt werden. Das Subproblem ist ein kürzeste Wege Problem mit Ressourcen und wird gelöst um neue Spalten für das Master Problem zu liefern. Ganzzahlige CARP Lösungen werden durch ein neues hierarchisches Branching-Schema garantiert. Umfassende Rechenstudien zeigen die Effektivität dieses Algorithmus. Kombinierte Standort- und Arc-Routing Probleme ermöglichen eine realistischere Modellierung von Zustellvarianten bei der Briefzustellung. In dieser Arbeit werden jeweils zwei mathematische Modelle für Park and Loop und Park and Loop with Curbline vorgestellt. Die Modelle für das jeweilige Problem unterscheiden sich darin, wie zulässige Transfer Routen modelliert werden. Während der erste Modelltyp Subtour-Eliminationsbedingungen verwendet, werden bei dem zweiten Modelltyp Flussvariablen und Flusserhaltungsbedingungen eingesetzt. Die Rechenstudie zeigt, dass ein MIP-Solver den zweiten Modelltyp oft in kürzerer Rechenzeit lösen kann oder bei Erreichen des Zeitlimits bessere Zielfunktionswerte liefert.

Optimized scheduling in real-time environments with column generation

Im Bereich sicherheitsrelevanter eingebetteter Systeme stellt sich der Designprozess von Anwendungen als sehr komplex dar. Entsprechend einer gegebenen Hardwarearchitektur lassen sich Steuergeräte aufrüsten, um alle bestehenden Prozesse und Signale pünktlich auszuführen. Die zeitlichen Anforderungen sind strikt und müssen in jeder periodischen Wiederkehr der Prozesse erfüllt sein, da die Sicherstellung der parallelen Ausführung von größter Bedeutung ist. Existierende Ansätze können schnell Designalternativen berechnen, aber sie gewährleisten nicht, dass die Kosten für die nötigen Hardwareänderungen minimal sind. Wir stellen einen Ansatz vor, der kostenminimale Lösungen für das Problem berechnet, die alle zeitlichen Bedingungen erfüllen. Unser Algorithmus verwendet Lineare Programmierung mit Spaltengenerierung, eingebettet in eine Baumstruktur, um untere und obere Schranken während des Optimierungsprozesses bereitzustellen. Die komplexen Randbedingungen zur Gewährleistung der periodischen Ausführung verlagern sich durch eine Zerlegung des Hauptproblems in unabhängige Unterprobleme, die als ganzzahlige lineare Programme formuliert sind. Sowohl die Analysen zur Prozessausführung als auch die Methoden zur Signalübertragung werden untersucht und linearisierte Darstellungen angegeben. Des Weiteren präsentieren wir eine neue Formulierung für die Ausführung mit fixierten Prioritäten, die zusätzlich Prozessantwortzeiten im schlimmsten anzunehmenden Fall berechnet, welche für Szenarien nötig sind, in denen zeitliche Bedingungen an Teilmengen von Prozessen und Signalen gegeben sind. Wir weisen die Anwendbarkeit unserer Methoden durch die Analyse von Instanzen nach, welche Prozessstrukturen aus realen Anwendungen enthalten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass untere Schranken schnell berechnet werden können, um die Optimalität von heuristischen Lösungen zu beweisen. Wenn wir optimale Lösungen mit Antwortzeiten liefern, stellt sich unsere neue Formulierung in der Laufzeitanalyse vorteilhaft gegenüber anderen Ansätzen dar. Die besten Resultate werden mit einem hybriden Ansatz erzielt, der heuristische Startlösungen, eine Vorverarbeitung und eine heuristische mit einer kurzen nachfolgenden exakten Berechnungsphase verbindet.

Computing primal solutions with exact arithmetics in SCIP.

The research for exact solutions of mixed integer problems is an active topic in the scientific community. State-of-the-art MIP solvers exploit a floating- point numerical representation, therefore introducing small approximations. Although such MIP solvers yield reliable results for the majority of problems, there are cases in which a higher accuracy is required. Indeed, it is known that for some applications floating-point solvers provide falsely feasible solutions, i.e. solutions marked as feasible because of approximations that would not pass a check with exact arithmetic and cannot be practically implemented. The framework of the current dissertation is SCIP, a mixed integer programs solver mainly developed at Zuse Institute Berlin. In the same site we considered a new approach for exactly solving MIPs. Specifically, we developed a constraint handler to plug into SCIP, with the aim to analyze the accuracy of provided floating-point solutions and compute exact primal solutions starting from floating-point ones. We conducted a few computational experiments to test the exact primal constraint handler through the adoption of two main settings. Analysis mode allowed to collect statistics about current SCIP solutions' reliability. Our results confirm that floating-point solutions are accurate enough with respect to many instances. However, our analysis highlighted the presence of numerical errors of variable entity. By using the enforce mode, our constraint handler is able to suggest exact solutions starting from the integer part of a floating-point solution. With the latter setting, results show a general improvement of the quality of provided final solutions, without a significant loss of performances.

Hearing Delzant Polytopes From the Equivariant Spectrum

Let M^{2n} be a symplectic toric manifold with a fixed T^n-action and with a toric K\"ahler metric g. Abreu asked whether the spectrum of the Laplace operator $\Delta_g$ on $\mathcal{C}^\infty(M)$ determines the moment polytope of M, and hence by Delzant's theorem determines M up to symplectomorphism. We report on some progress made on an equivariant version of this conjecture. If the moment polygon of M^4 is generic and does not have too many pairs of parallel sides, the so-called equivariant spectrum of M and the spectrum of its associated real manifold M_R determine its polygon, up to translation and a small number of choices. For M of arbitrary even dimension and with integer cohomology class, the equivariant spectrum of the Laplacian acting on sections of a naturally associated line bundle determines the moment polytope of M.

Hierarchical Approach for Survivable Network Design

A central design challenge facing network planners is how to select a cost-effective network configuration that can provide uninterrupted service despite edge failures. In this paper, we study the Survivable Network Design (SND) problem, a core model underlying the design of such resilient networks that incorporates complex cost and connectivity trade-offs. Given an undirected graph with specified edge costs and (integer) connectivity requirements between pairs of nodes, the SND problem seeks the minimum cost set of edges that interconnects each node pair with at least as many edge-disjoint paths as the connectivity requirement of the nodes. We develop a hierarchical approach for solving the problem that integrates ideas from decomposition, tabu search, randomization, and optimization. The approach decomposes the SND problem into two subproblems, Backbone design and Access design, and uses an iterative multi-stage method for solving the SND problem in a hierarchical fashion. Since both subproblems are NP-hard, we develop effective optimization-based tabu search strategies that balance intensification and diversification to identify near-optimal solutions. To initiate this method, we develop two heuristic procedures that can yield good starting points. We test the combined approach on large-scale SND instances, and empirically assess the quality of the solutions vis-à-vis optimal values or lower bounds. On average, our hierarchical solution approach generates solutions within 2.7% of optimality even for very large problems (that cannot be solved using exact methods), and our results demonstrate that the performance of the method is robust for a variety of problems with different size and connectivity characteristics.

The Choice of Expedient Regulatory Controls on Housing Market Using Short-Term Equilibria Model

Khutoretsky dealt with the problem of maximising a linear utility function (MUF) over the set of short-term equilibria in a housing market by reducing it to a linear programming problem, and suggested a combinatorial algorithm for this problem. Two approaches to the market adjustment were considered: the funding of housing construction and the granting of housing allowances. In both cases, locally optimal regulatory measures can be developed using the corresponding dual prices. The optimal effects (with the regulation expenditures restricted by an amount K) can be found using specialised models based on MUF: a model M1 for choice of the optimum structure of investment in housing construction, and a model M2 for optimum distribution of housing allowances. The linear integer optimisation problems corresponding to these models are initially difficult but can be solved after slight modifications of the parameters. In particular, the necessary modification of K does not exceed the maximum construction cost of one dwelling (for M1) or the maximum size of one housing allowance (for M2). The result is particularly useful since slight modification of K is not essential in practice.

Method of Detecting System Function by Measuring Frequency Response

Methods of rapidly measuring an impedance spectrum of an energy storage device in-situ over a limited number of logarithmically distributed frequencies are described. An energy storage device is excited with a known input signal, and aresponse is measured to ascertain the impedance spectrum. An excitation signal is a limited time duration sum-of-sines consisting of a select number offrequencies. In one embodiment, magnitude and phase of each frequency ofinterest within the sum-of-sines is identified when the selected frequencies and sample rate are logarithmic integer steps greater than two. This technique requires a measurement with a duration of one period of the lowest frequency. In another embodiment, where selected frequencies are distributed in octave steps, the impedance spectrum can be determined using a captured time record that is reduced to a half-period of the lowest frequency.

Entwicklung eines Dispositionsleitstandes zur Bestimmung optimaler Torbelegungen in Stückgutspeditionsanlagen

Im operativen Betrieb einer Stückgutspeditionsanlage entscheidet der Betriebslenker bzw. der Disponent in einem ersten Schritt darüber, an welche Tore die Fahrzeuge zur Be- und Entladung andocken sollen. Darüber hinaus muss er für jede Tour ein Zeitfenster ausweisen innerhalb dessen sie das jeweilige Tor belegt. Durch die örtliche und zeitliche Fahrzeug-Tor-Zuordnung wird der für den innerbetrieblichen Umschlagprozess erforderliche Ressourcenaufwand in Form von zu fahrenden Wegstrecken oder aber Gabelstaplerstunden bestimmt. Ein Ziel der Planungsaufgabe ist somit, die Zuordnung der Fahrzeuge an die Tore so vorzunehmen, dass dabei minimale innerbetriebliche Wegstrecken entstehen. Dies führt zu einer minimalen Anzahl an benötigten Umschlagmittelressourcen. Darüber hinaus kann es aber auch zweckmäßig sein, die Fahrzeuge möglichst früh an die Tore anzudocken. Jede Tour verfügt über einen individuellen Fahrplan, der Auskunft über den Ankunftszeitpunkt sowie den Abfahrtszeitpunkt der jeweiligen Tour von der Anlage gibt. Nur innerhalb dieses Zeitfensters darf der Disponent die Tour einem der Tore zuweisen. Geschieht die Zuweisung nicht sofort nach Ankunft in der Anlage, so muss das Fahrzeug auf einer Parkfläche warten. Eine Minimierung der Wartezeiten ist wünschenswert, damit das Gelände der Anlage möglichst nicht durch zuviele Fahrzeuge gleichzeitig belastet wird. Es kann vor allem aber auch im Hinblick auf das Reservieren der Tore für zeitkritische Touren sinnvoll sein, Fahrzeuge möglichst früh abzufertigen. Am Lehrstuhl Verkehrssysteme und -logistik (VSL) der Universität Dortmund wurde die Entscheidungssituation im Rahmen eines Forschungsprojekts bei der Stiftung Industrieforschung in Anlehnung an ein zeitdiskretes Mehrgüterflussproblem mit unsplittable flow Bedingungen modelliert. Die beiden Zielsetzungen wurden dabei in einer eindimensionalen Zielfunktion integriert. Das resultierende Mixed Integer Linear Programm (MILP) wurde programmiert und für mittlere Szenarien durch Eingabe in den Optimization Solver CPlex mit dem dort implementierten exakten Branch-and-Cut Verfahren gelöst. Parallel wurde im Rahmen einer Kooperation zwischen dem Lehrstuhl VSL und dem Unternehmen hafa Docking Systems, einem der weltweit führenden Tor und Rampenhersteller, für die gleiche Planungsaufgabe ein heuristisches Scheduling Verfahren sowie ein Dispositionsleitstand namens LoadDock Navigation entwickelt. Der Dispositionsleitstand dient der optimalen Steuerung der Torbelegungen in logistischen Anlagen. In dem Leitstand wird planerische Intelligenz in Form des heuristischen Schedulingverfahrens, technische Neuerungen in der Rampentechnik in Form von Sensoren und das Expertenwissen des Disponenten in einem Tool verbunden. Das mathematische Modell sowie der Prototyp mit der integrierten Heuristik werden im Rahmen dieses Artikels vorgestellt.

Exact Solutions to the Symmetric and Asymmetric Vehicle Routing Problem with Simultaneous Delivery and Pick-Up

In reverse logistics networks, products (e.g., bottles or containers) have to be transported from a depot to customer locations and, after use, from customer locations back to the depot. In order to operate economically beneficial, companies prefer a simultaneous delivery and pick-up service. The resulting Vehicle Routing Problem with Simultaneous Delivery and Pick-up (VRPSDP) is an operational problem, which has to be solved daily by many companies. We present two mixed-integer linear model formulations for the VRPSDP, namely a vehicle-flow and a commodity-flow model. In order to strengthen the models, domain-reducing preprocessing techniques, and effective cutting planes are outlined. Symmetric benchmark instances known from the literature as well as new asymmetric instances derived from real-world problems are solved to optimality using CPLEX 12.1.

A continuous-time MILP model for short-term scheduling of make-and-pack production processes

In process industries, make-and-pack production is used to produce food and beverages, chemicals, and metal products, among others. This type of production process allows the fabrication of a wide range of products in relatively small amounts using the same equipment. In this article, we consider a real-world production process (cf. Honkomp et al. 2000. The curse of reality – why process scheduling optimization problems are diffcult in practice. Computers & Chemical Engineering, 24, 323–328.) comprising sequence-dependent changeover times, multipurpose storage units with limited capacities, quarantine times, batch splitting, partial equipment connectivity, and transfer times. The planning problem consists of computing a production schedule such that a given demand of packed products is fulfilled, all technological constraints are satisfied, and the production makespan is minimised. None of the models in the literature covers all of the technological constraints that occur in such make-and-pack production processes. To close this gap, we develop an efficient mixed-integer linear programming model that is based on a continuous time domain and general-precedence variables. We propose novel types of symmetry-breaking constraints and a preprocessing procedure to improve the model performance. In an experimental analysis, we show that small- and moderate-sized instances can be solved to optimality within short CPU times.

Optimal Scheduling of Work-Content-Constrained Projects

The execution of a project requires resources that are generally scarce. Classical approaches to resource allocation assume that the usage of these resources by an individual project activity is constant during the execution of that activity; in practice, however, the project manager may vary resource usage over time within prescribed bounds. This variation gives rise to the project scheduling problem which consists in allocating the scarce resources to the project activities over time such that the project duration is minimized, the total number of resource units allocated equals the prescribed work content of each activity, and various work-content-related constraints are met. We formulate this problem for the first time as a mixed-integer linear program. Our computational results for a standard test set from the literature indicate that this model outperforms the state-of-the-art solution methods for this problem.

MQN-Mapplet: Visualization of Chemical Space with Interactive Maps of DrugBank, ChEMBL, PubChem, GDB-11, and GDB-13

The MQN-mapplet is a Java application giving access to the structure of small molecules in large databases via color-coded maps of their chemical space. These maps are projections from a 42-dimensional property space defined by 42 integer value descriptors called molecular quantum numbers (MQN), which count different categories of atoms, bonds, polar groups, and topological features and categorize molecules by size, rigidity, and polarity. Despite its simplicity, MQN-space is relevant to biological activities. The MQN-mapplet allows localization of any molecule on the color-coded images, visualization of the molecules, and identification of analogs as neighbors on the MQN-map or in the original 42-dimensional MQN-space. No query molecule is necessary to start the exploration, which may be particularly attractive for nonchemists. To our knowledge, this type of interactive exploration tool is unprecedented for very large databases such as PubChem and GDB-13 (almost one billion molecules). The application is freely available for download at www.gdb.unibe.ch.