Algorithmic Graph Theory

The main focus of this workshop was on mathematical techniques needed for the development of efficient solutions and algorithms for computationally difficult graph problems. The techniques studied at the workshhop included: the probabilistic method and randomized algorithms, approximation and optimization, structured families of graphs and approximation algorithms for large problems. The workshop Algorithmic Graph Theory was attended by 46 participants, many of them being young researchers. In 15 survey talks an overview of recent developments in Algorithmic Graph Theory was given. These talks were supplemented by 10 shorter talks and by two special sessions

Aerospace Medicine and Biology: A continuing bibliography with indexes (supplement 290)

This bibliography lists 125 reports, articles and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in October 1986

Proceedings of the 26th International Symposium on Theoretical Aspects of Computer Science (STACS'09)

The Symposium on Theoretical Aspects of Computer Science (STACS) is held alternately in France and in Germany. The conference of February 26-28, 2009, held in Freiburg, is the 26th in this series. Previous meetings took place in Paris (1984), Saarbr¨ucken (1985), Orsay (1986), Passau (1987), Bordeaux (1988), Paderborn (1989), Rouen (1990), Hamburg (1991), Cachan (1992), W¨urzburg (1993), Caen (1994), M¨unchen (1995), Grenoble (1996), L¨ubeck (1997), Paris (1998), Trier (1999), Lille (2000), Dresden (2001), Antibes (2002), Berlin (2003), Montpellier (2004), Stuttgart (2005), Marseille (2006), Aachen (2007), and Bordeaux (2008). ..

Development of a Decision Support System for the Department of Energy\u27s Selection of Waste Site Remediation Technologies

The Department of Energy is faced with the complex decision of selecting technologies for waste site remediation. This research focused on developing a decision support system to aid the decision maker in selecting the best strategy of remediation technologies. A decision analysis model was developed which incorporates life cycle cost data, risk information, and user input, to analyze the technology choices. The research outlined the use of multiple attribute utility theory using exponential attribute utility functions with a simple additive objective function. The best available data was used to demonstrate the capabilities of the model. The model provides the decision maker with estimates of the cost and time distributions, and the associated utility. Cumulative and frequency distributions illustrate the dominance of technology choices and the variance in the results. Cost and time plots allow the decision maker to see the trade-offs inherent in the utility functions. The model also allows for sensitivity analysis in the form of rainbow and tornado diagrams to display the effects of changes in the values of the input variables. Overall, the model provides a generic technology selection tool that can be used to make better informed decisions and can be easily manipulated to reflect changes in the remediation process

LIPIcs, Volume 248, ISAAC 2022, Complete Volume

LIPIcs, Volume 248, ISAAC 2022, Complete Volum

Finding fair and efficient allocations

We study the problem of fair division, where the goal is to allocate a set of items among a set of agents in a ``fair" manner. In particular, we focus on settings in which the items to be divided are either indivisible goods or divisible bads. Despite their practical significance, both these settings have been much less investigated than the divisible goods setting. In the first part of the dissertation, we focus on the fair division of indivisible goods. Our fairness criterion is envy-freeness up to any good (EFX). An allocation is EFX if no agent envies another agent following the removal of a single good from the other agent's bundle. Despite significant investment by the research community, the existence of EFX allocations remains open and is considered one of the most important open problems in fair division. In this thesis, we make significant progress on this question. First, we show that when agents have general valuations, we can determine an EFX allocation with a small number of unallocated goods (almost EFX allocation). Second, we demonstrate that when agents have structured valuations, we can determine an almost EFX allocation that is also efficient in terms of Nash welfare. Third, we prove that EFX allocations exist when there are three agents with additive valuations. Finally, we reduce the problem of finding improved guarantees on EFX allocations to a novel problem in extremal graph theory. In the second part of this dissertation, we turn to the fair division of divisible bads. Like in the setting of divisible goods, competitive equilibrium with equal incomes (CEEI) has emerged as the best mechanism for allocating divisible bads. However, neither a polynomial time algorithm nor any hardness result is known for the computation of CEEI with bads. We study the problem of dividing bads in the classic Arrow-Debreu setting (a setting that generalizes CEEI). We show that in sharp contrast to the Arrow-Debreu setting with goods, determining whether a competitive equilibrium exists, is NP-hard in the case of divisible bads. Furthermore, we prove the existence of equilibrium under a simple and natural sufficiency condition. Finally, we show that even on instances that satisfy this sufficiency condition, determining a competitive equilibrium is PPAD-hard. Thus, we settle the complexity of finding a competitive equilibrium in the Arrow-Debreu setting with divisible bads.Die Arbeit untersucht das Problem der gerechten Verteilung (fair division), welches zum Ziel hat, eine Menge von Gegenständen (items) einer Menge von Akteuren (agents) \zuzuordnen". Dabei liegt der Schwerpunkt der Arbeit auf Szenarien, in denen die zu verteilenden Gegenstände entweder unteilbare Güter (indivisible goods) oder teilbare Pflichten (divisible bads) sind. Trotz ihrer praktischen Relevanz haben diese Szenarien in der Forschung bislang bedeutend weniger Aufmerksamkeit erfahren als das Szenario mit teilbaren Gütern (divisible goods). Der erste Teil der Arbeit konzentriert sich auf die gerechte Verteilung unteilbarer Güter. Unser Gerechtigkeitskriterium ist Neid-Freiheit bis auf irgendein Gut (envy- freeness up to any good, EFX). Eine Zuordnung ist EFX, wenn kein Akteur einen anderen Akteur beneidet, nachdem ein einzelnes Gut aus dem Bündel des anderen Akteurs entfernt wurde. Die Existenz von EFX-Zuordnungen ist trotz ausgeprägter Bemühungen der Forschungsgemeinschaft ungeklärt und wird gemeinhin als eine der wichtigsten offenen Fragen des Feldes angesehen. Wir unternehmen wesentliche Schritte hin zu einer Klärung dieser Frage. Erstens zeigen wir, dass wir für Akteure mit allgemeinen Bewertungsfunktionen stets eine EFX-Zuordnung finden können, bei der nur eine kleine Anzahl von Gütern unallokiert bleibt (partielle EFX-Zuordnung, almost EFX allocation). Zweitens demonstrieren wir, dass wir für Akteure mit strukturierten Bewertungsfunktionen eine partielle EFX-Zuordnung bestimmen können, die zusätzlich effizient im Sinne der Nash-Wohlfahrtsfunktion ist. Drittens beweisen wir, dass EFX-Zuordnungen für drei Akteure mit additiven Bewertungsfunktionen immer existieren. Schließlich reduzieren wir das Problem, verbesserte Garantien für EFX-Zuordnungen zu finden, auf ein neuartiges Problem in der extremalen Graphentheorie. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der gerechten Verteilung teilbarer Pflichten. Wie im Szenario mit teilbaren Gütern hat sich auch hier das Wettbewerbsgleichgewicht bei gleichem Einkommen (competitive equilibrium with equal incomes, CEEI) als der beste Allokationsmechanismus zur Verteilung teilbarer Pflichten erwiesen. Gleichzeitig sind weder polynomielle Algorithmen noch Schwere-Resultate für die Berechnung von CEEI mit Pflichten bekannt. Die Arbeit untersucht das Problem der Verteilung von Pflichten im klassischen Arrow-Debreu-Modell (einer Generalisierung von CEEI). Wir zeigen, dass es NP-hart ist, zu entscheiden, ob es im Arrow-Debreu-Modell mit Pflichten ein Wettbewerbsgleichgewicht gibt { im scharfen Gegensatz zum Arrow-Debreu-Modell mit Gütern. Ferner beweisen wir die Existenz eines Gleichgewichts unter der Annahme einer einfachen und natürlichen hinreichenden Bedingung. Schließlich zeigen wir, dass die Bestimmung eines Wettbewerbsgleichgewichts sogar für Eingaben, die unsere hinreichende Bedingung erfüllen, PPAD-hart ist. Damit klären wir die Komplexität des Auffindens eines Wettbewerbsgleichgewichts im Arrow-Debreu-Modell mit teilbaren Pflichten

Combinatorial Problems in Energy Networks - Graph-theoretic Models and Algorithms

Energienetze bilden das Rückgrat unserer Gesellschaft, die unter anderem unsere Nahrungskette und andere wichtige Infrastrukturen, wie die Wasser- und Wärmeversorgung, bestimmen. Um die grundlegenden menschlichen Bedürfnisse zu befriedigen, müssen wir ein nachhaltigeres und umweltfreundlicheres Verhalten im Allgemeinen und in Energienetzen im Speziellen an den Tag legen. In dieser Arbeit geht es um Energienetze, wobei wir uns auf Stromnetze spezialisieren und uns darauf fokussieren, wie wir die vorhandene Infrastruktur besser ausnutzen können. Wir merken an, dass die Ergebnisse aus dieser Arbeit auch auf andere Energienetze übertragen werden können [Gro+19] und bestimmte auftretende Phänomene legen es nahe, dass sich einige Ergebnisse eventuell auch auf Verkehrsnetze übertragen lassen. Diese Arbeit besteht aus vier inhaltlichen Teilen. Der erste Teil beschäftigt sich mit der Funktionsweise und Struktur von elektrischen Flüssen. Der zweite und dritte inhaltliche Teil der Arbeit beschäftigt sich jeweils mit der effizienten Ausnutzung der vorhandenen Energienetzinfrastruktur. Dabei verstehen wir hier unter effizienter Ausnutzung entweder die Maximierung der Gesamterzeugung und die damit verbundene Erweiterung des Betriebspunktes oder die Minimierung der Erzeugungskosten verstehen. Das elektrische Netz besteht aus drei Spannungsebenen, die wir als Hoch-, Mittel-, und Niederspannungsebene bezeichnen. Das traditionelle elektrische Netz ist auf eine zentrale Energieversorgung ausgelegt, bei der die Erzeuger sich in der Hochspannungsebene befinden. Der elektrische Fluss im klassischen Sinne fließt von der Hoch- in die Mittel- und Niederspannungsebene. Die industriellen Verbraucher befinden sich zumeist auf der Mittelspannungsebene, während sich die Haushalte und kleineren Industrien in der Niederspannungsebene befinden. Durch nachhaltige Erzeuger, die ihre Energie aus erneuerbaren Energien wie beispielsweise Wind gewinnen, findet nun ein Paradigmenwechsel im elektrischen Netz statt. Diese nachhaltigen Erzeuger befinden sich zumeist im Nieder- und Mittelspannungsnetz und der elektrische Fluss könnte nun bidirektional fließen. Dieser Paradigmenwechsel kann zu Engpässen und anderen Problemen führen, da das elektrische Netz für ein solches Szenario nicht konzipiert ist. Eine Hauptaufgabe dieser Arbeit war die Identifizierung von Problemstellungen in elektrischen Netzen. Die extrahierten Problemstellungen haben wir dann in graphentheoretische Modelle übersetzt und Algorithmen entwickelt, die oftmals Gütegarantien besitzen. Wir haben uns dabei zunächst auf die Modellierung von elektrischen Netzen und das Verhalten von Flüssen in diesen Netzen mit Hilfe von Graphentheorie konzentriert. Zur Modellierung des elektrischen Flusses nutzen wir eine linearisierte Modellierung, die mehrere vereinfachende Annahmen trifft. Diese linearisierte Modellierung ist für Hochspannungsnetze im Allgemeinen eine gute Annäherung und macht das Entscheidungsproblem für elektrische Flüsse, das heißt, ob ein gültiger elektrischer Fluss für eine bestimmte Konfiguration des Netzes und für einen bestimmten Verbrauch und eine bestimmte Erzeugung existiert, in Polynomialzeit lösbar. Leistungsfluss. Fokusiert man sich auf das vereinfachte Zulässigkeitsproblem von elektrischen Flüssen und den Maximalen Leistungsflüssen, so existieren verschiedene mathematische Formulierungen, die den Leistungsfluss beschreiben. Auf allgemeinen Graphen ist es oftmals der Fall, dass graphentheoretischen Flüsse keine zulässigen Leistungsflüsse darstellen. Im Gegensatz zu graphentheoretischen Flüssen balancieren sich Leistungsflüsse. Wir diskutieren diese Eigenschaft aus graphentheoretischer Sicht. Die verschiedenen mathematischen Formulierungen geben uns strukturelle Einblicke in das Leistungsflussproblem. Sie zeigen uns die Dualität der zwei Kirchhoffschen Regeln. Diese nutzen wir um einen algorithmischen Ansatz zur Berechnung von Leistungsflüssen zu formulieren, der zu einem Algorithmus für Leistungsflüsse auf planaren Graphen führen könnte. Die Einschränkung auf planare zweifachzusammenhängende Graphen ist vertretbar, da elektrische Netze im Allgemeinen planar sind [COC12,S.13]. Zudem hilft uns diese Sichtweise, um Analogien zu anderen geometrischen Problemen herzustellen. Kontinuierliche Änderungen. Da graphentheoretische Flüsse sich in vielen Fällen anders als elektrische Flüsse verhalten, haben wir versucht, das Stromnetz mittels Kontrolleinheiten so auszustatten, dass der elektrische Fluss den gleichen Wert hat wie der graphentheoretische Fluss. Um dieses Ziel zu erreichen, platzieren wir die Kontrolleinheiten entweder an den Knoten oder an den Kanten. Durch eine Suszeptanz-Skalierung, die durch die Kontrolleinheiten ermöglicht wird, ist es nun prinzipiell möglich jeden graphentheoretischen Fluss elektrisch zulässig zu machen. Dabei konnten wir zeigen, dass das gezielte Platzieren von Kontrolleinheiten die Kosten der Erzeugung von elektrischer Leistung durch Generatoren im elektrischen Netz senken kann und den Betriebspunkt des Netzes in vielen Fällen auch erweitert. Platziert man Kontrolleinheiten so, dass der verbleibende Teil (d.h. das Netz ohne die Kontrolleinheiten) ein Baum oder Kaktus unter geeigneter Begrenzung der Kapazitäten ist, so ist es möglich, jeden graphentheoretischen Fluss als elektrisch zulässigen Fluss mit gleichwertigen Kosten zu realisieren. Die Kostensenkung und die Erweiterung des Betriebspunktes konnten wir experimentell auf IEEE-Benchmark-Daten bestätigen. Diskrete Änderungen. Die oben beschriebenen Kontrolleinheiten sind eine idealisierte, aktuell nicht realisierbare Steuereinheit, da sie den elektrischen Fluss im gesamten Leistungsspektrum einstellen können. Damit ist vor allem gemeint, dass sie den elektrischen Fluss auf einer Leitung von „Die Leitung ist abgeschaltet.“ bis zur maximalen Kapazität stufenlos einstellen können. Diese Idealisierung ist auch ein großer Kritikpunkt an der Modellierung. Aus diesem Grund haben wir versucht, unser Modell realistischer zu gestalten. Wir haben zwei mögliche Modellierungen identifiziert. In der ersten Modellierung können Leitungen ein- und ausgeschaltet werden. Dieser Prozess wird als Switching bezeichnet und kann in realen Netzen mittels Circuit Breakers (dt. Leistungsschaltern) realisiert werden. Die zweite Modellierung kommt der Kontrolleinheiten-Modellierung sehr nahe und beschäftigt sich mit der Platzierung von Kontrolleinheiten, die die Suszeptanz innerhalb eines gewissen Intervalls einstellen können. Diese wirkt im ersten Moment wie eine Verallgemeinerung der Schaltungsflussmodellierung. Nutzt man jedoch eine realistischere Modellierung der Kontrolleinheiten, so ist das Einstellen der Suszeptanz durch ein Intervall begrenzt, das das Ausschalten einer Leitung nicht mit beinhaltet. Sowohl ein optimales (im Sinne der Minimierung der Gesamterzeugungskosten oder der Maximierung des Durchsatzes) Platzieren von Switches als auch ein optimales Platzieren von Kontrolleinheiten ist im Allgemeinen NP-schwer [LGH14]. Diese beiden Probleme ergänzen sich dahingehend, dass man den maximalen graphentheoretischen Fluss, mit den zuvor genannten Platzierungen annähern kann. Für Switching konnten wir zeigen, dass das Problem bereits schwer ist, wenn der Graph serien-parallel ist und das Netzwerk nur einen Erzeuger und einen Verbraucher besitzt [Gra+18]. Wir haben sowohl für den Maximalen Übertragungsschaltungsfluss (engl. Maximum Transmission Switching Flow; kurz MTSF) als auch für den optimalen Übertragungsschaltungsfluss (engl. Optimal Switching Flow; kurz OSF) erste algorithmische Ansätze vorgeschlagen und gezeigt, dass sie auf bestimmten graphentheoretischen Strukturen exakt sind, und dass auf anderen graphentheoretischen Strukturen Gütegarantien möglich sind [Gra+18]. Die Algorithmen haben wir dann auf allgemeinen Netzen evaluiert. Simulationen führen zu guten Ergebnissen auf den NESTA-Benchmark-Daten. Erweiterungsplanung auf der Grünen Wiese. Eine vom Rest der Arbeit eher losgelöste Fragestellung war die Verkabelung von Windturbinen. Unter Verwendung einer Metaheuristik haben wir gute Ergebnisse im Vergleich zu einem „Mixed Integer Linear Program“ (MILP; dt. gemischt-ganzzahliges lineares Programm) erzielt, das wir nach einer Stunde abgebrochen haben. Die Modellierung der Problemstellung und die Evaluation des Algorithmus haben wir auf der ACM e-Energy 2017 veröffentlicht [Leh+17]. Schlusswort. Abschließend kann man sagen, dass mit dieser Arbeit allgemeine, tiefliegende Aussagen über elektrische Netze getroffen wurden, unter der Berücksichtigung struktureller Eigenschaften unterschiedlicher Netzklassen. Diese Arbeit zeigt wie das Netz ausgestaltet sein muss, um bestimmte Eigenschaften garantieren zu können und zeigt verschiedene Lösungsansätze mit oft beweisbaren Gütegarantien auf