Numerische Verfahren für nichtlineare gemischt-ganzzahlige Optimierungsprobleme im Wassermanagement

[no abstract

Ein Verfahren zur Dekomposition mehrstufiger stochastischer Optimierungsprobleme mit Ganzzahligkeit und Risikoaversion

In der Dissertation werden lineare gemischt-ganzzahlige Optimierungsprobleme mit zufallsabhängigen Daten betrachtet. Ausgehend vom klassischen Kompensationsmodell, in dem der Erwartungswert als alleiniges Entscheidungskriterium berücksichtigt wird, werden so genannte Mean-Risk Modelle entwickelt, in denen die Sreuung als zusätzliches Entscheidungskriterium berücksichtigt wird. Hierfür werden Risikomaße wie die Excess Probability oder das Conditional Value-at-Risk verwendet. Bei diskreten Wahrscheinlichkeitsverteilungen entstehen durch die Modellierung gemischt-ganzzahlige Optimierungsprobleme, die eine Blockstruktur aufweisen. Es wird ein Verfahren entwickelt, das diese Struktur nutzt, um Probleminstanzen berechenbar zu machen, die mit dem heutigen Standardprogrammen nur eingeschränkt lösbar sind. Aus diesem Verfahren gehen zwei konkrete Algorithmen hervor. Mithilfe zweier Anwendungsprobleme werden die Rechengeschwindigkeiten der Algorithmen im Vergleich zu kommerziell verfügbarer Software dokumentiert. Außerdem wird der Einfluss verschiedener Mean-Risk Modelle auf die berechneten Lösungen diskutiert

Globale und lokale Optimierungsverfahren für dreidimensionale Anordnungsprobleme

Thema dieser Arbeit sind Optimierungsverfahren zur Anordnung dreidimensionaler, polyonaler Objekte. Zielkriterium ist die möglichst dichte Packung der Objekte unter Berücksichtigung vorgegebener Randbedingungen. Es werden zwei Verfahrensklassen betrachtet: Globale Optimierungsmethoden, mit denen die relative Anordnung von Objekten festgelegt wird (z. B. Objekt A liegt rechts/links von Objekt B), und lokale Verfahren, mit denen die Kompaktierung einer gegebenen Ausgangsanordnung durchgeführt wird (die relative Lage der Objekte bleibt hier weitgehend erhalten). Gemeinsame Basis der Verfahren bildet die Lineare Programmierung zur Problemformulierung, so dass ausgereifte und numerisch stabile Lösungsalgorithmen zur Verfügung stehen. Für die globalen Optimierungsverfahren werden diskrete Drehwinkelmengen vorgegeben, wobei in der praktischen Anwendung nur kleine Winkelmengen betrachtet werden (z. B. Vielfache von 90°). In den lokalen Optimierungsverfahren werden hingegen kontinuierliche Objektdrehungen berücksichtigt. Aus geometrischer Sicht werden insbesondere Verfahren zur Objektseparation (Distanzpolyeder oder Hodographen und GJK-Algorithmus) und eine linearisierte Darstellung von Objektdrehungen (infinitesimale Rotationen) betrachtet.Optimization techniques for three-dimensional arrangement problems of polyhedral objects This thesis covers optimization techniques for three-dimensional arrangement problems of polyhedral objects. The objective is to minimize the occupied space while respecting problem specific side constraints. We discuss two types of optimization techniques: Global Optimization to determine the relative position of objects (e.g. object A is to the right of object B) and Local Optimization to do a compaction of a predefined initial arrangement (in this case the relative position of objects is typically not changed). Problem formulation and solution algorithms are based on Linear Programming in both cases. Therefore, robust and efficient optimization technologies can be used. We use a set of predefined, discrete object orientations for global optimization; for instance multiples of 90°. For local optimization or compaction we consider continuous object rotations. Object separation (No-Fit-Polygons or Hodographs and GJK-Algorithm) and a linearized version of object orientations (Infinitesimal Rotations) are covered from a geometrical point of view

Modellierung und zentrale prädiktive Regelung von multimodalen Energieverteilnetzen

In dieser Arbeit wird ein prädiktives Regelungskonzept für multimodale Energieverteilsysteme vorgestellt. Zunächst wird ein durchgängiges Modellierungskonzept für alle Arten von multimodalen Verteilnetzzellen entwickelt. Mithilfe dieser Modelle wird dann eine modellprädiktive Regelungsstrategie zum optimalen Betrieb des multimodalen Energieverteilsystems entworfen. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl eine Betriebskostenreduktion, als auch eine lokalere Nutzung von EE erreicht werden kann

Optimierung der Investitions- und Einsatzplanung dezentraler Energiesysteme unter Unsicherheit

Es wird ein ganzheitliches, modulbasiertes Framework für die Investitions- und Einsatzplanungsoptimierung dezentraler Energiesysteme entwickelt. Mittels stochastischem Programm und Regret-Minimierung werden risikobehaftete und nicht probabilistische Unsicherheiten berücksichtigt. Neu ist auch die parallele Berechnung auf High-Performance-Computing-Systemen einschließlich der eingesetzten automatischen Algorithmuskonfiguration des verwendeten Solvers zur Rechenzeitreduzierung

Modellierung und zentrale prädiktive Regelung von multimodalen Energieverteilnetzen

In dieser Arbeit wird ein prädiktives Regelungskonzept für multimodale Energieverteilsysteme vorgestellt. Zunächst wird ein durchgängiges Modellierungskonzept für alle Arten von multimodalen Verteilnetzzellen entwickelt. Mithilfe dieser Modelle wird dann eine modellprädiktive Regelungsstrategie zum optimalen Betrieb des multimodalen Energieverteilsystems entworfen. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl eine Betriebskostenreduktion, als auch eine lokalere Nutzung von EE erreicht werden kann

Risk Based Maintenance (RBM) : Minimierung der Nutzerrisiken und Betriebskosten mit einer risikobasierten Methode für den Unterhalt der BSA

In Strassentunneln werden verschiedene Betriebs- und Sicherheitsausrüstungen (BSA) installiert, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Störungen oder Ausfälle dieser Systeme erzeugen ein Risiko für die Verkehrsteilnehmer, den Betreiber und die Umwelt. Damit die BSA möglichst zuverlässig funktionieren, werden regelmässige Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten durchgeführt. Diese Arbeiten sind mit Kosten verbunden, sorgen im Gegenzug im Optimalfall jedoch für ein tieferes Risiko. Um ein möglichst tiefes Gesamtrisiko zu erzielen, muss das zur Verfügung stehende Budget optimal eingesetzt werden. Dazu muss untersucht werden, wie stark die einzelnen Wartungs- und Instandhaltungstätigkeiten das Gesamtrisiko beeinflussen, und wie auf dieser Grundlage die optimale Kombination von Tätigkeiten (Instandhaltungsstrategie) gefunden werden kann, die für ein gegebenes Budget eine maximale Risikoreduktion erzeugen. In diesem Dokument wird eine Methodik zur Entwicklung einer risikobasierten Instandhaltung bei Betriebs- und Sicherheitsausrüstungen beschrieben. Mithilfe dieser Methodik können unterschiedliche Instandhaltungsstrategien für einzelne Anlagen hinsichtlich Kosten und Risiko vergleichbar gemacht werden, um so die Basis für eine risikobasierte Instandhaltung zu schaffen. Darüber hinaus erlaubt die Methodik, für ein Anlagenportfolio aus vielen Anlagen eine optimale Gesamt-Instandhaltungsstrategie zu bestimmen, die entweder bei gegebenem Gesamtbudget ein minimales Gesamtrisiko erzeugt, oder bei einem vorgegebenen Gesamtrisiko ein minimales Budget benötigt. Dabei werden im Wesentlichen folgende Kernpunkte behandelt: - Vorgehen zur Identifikation der Instandhaltungstätigkeiten und Beurteilung/Abschätzung ihres Optimierungspotentials hinsichtlich ihrer Wiederholungsfrequenz. - Methodik und Modellierungsgrundsätze zu einer systematischen und strukturierten Berechnung von Risiko und Kosten der Instandhaltungstätigkeiten. - Einheitlicher Vergleich des Risikoreduktionbeitrages von verschiedenen Instandhaltungstätigkeiten an unterschiedlichen Betriebs- und Sicherheitsausrüstungen. - Optimierungsverfahren hinsichtlich Risiko und Kosten über ein Portfolio von Betriebs- und Sicherheitsausrüstungen bzw. deren Wartungs- und Instandhaltungstätigkeiten, um damit eine optimale Gesamt-Strategie abzuleiten. Im vorliegendem Forschungsprojekt wurde eine praxistaugliche Methodik zur Anwendung der risikobasierten Instandhaltung entwickelt. In 6 standardisierten Phasen kann der Zusammenhang zwischen gewählter Instandhaltungsstrategie (Tätigkeiten, Häufigkeiten), deren Kosten und resultierendes Risiko einer Anlage ermittelt werden. Mit dieser Methode konnte erstmals im BSA-Kontext quantitativ der Zusammenhang zwischen den Ausgaben für Wartung und Instandhaltung und dem daraus resultierenden Risiko ermittelt werden. Diese Standardisierung erlaubt es einerseits für eine gegebene Risikoschranke (akzeptiertes Risiko) die minimal notwendigen Kosten zu ermitteln. Umgekehrt kann für ein gegebenes Gesamtbudget das minimale damit erreichbare Risiko ermittelt und die dazugehörige Instandhaltungsstrategie identifiziert werden. Dies ist möglich auf der Ebene einer einzelnen Anlage oder Anlagenkategorie, für alle Anlagen eines oder mehrerer Tunnel, aber auch auf der Ebene des Gesamtportfolios aller in der Schweiz installierten Anlagen. Die Methodik wurde an den Pilotanwendungen Adaptationsbeleuchtung, Lüftung, VMSystem, Brandmeldeanlage und Notstromanlage durchgeführt. Die Resultate zeigen, dass durch eine Änderung der Instandhaltungsstrategie für die innerhalb des Forschungsprojekts modellierten Wartungstätigkeiten sowohl die Gesamtkosten als auch das Gesamtrisiko um bis zu rund 20% reduziert werden können. Ein weiterer Vorteil dieser standardisierten Methode ist, dass durch die konsequente Verknüpfung von Instandhaltungstätigkeiten und den zugehörigen Risiken eine einheitliche Wissenslage über die positiven Wirkungen der verschiedenen Tätigkeiten entsteht. Dies wird zu einer Harmonisierung und Optimierung der Instandhaltungsaktivitäten der verschiedenen Betreiber führen und kann das lokal vorhandene Expertenwissen in optimaler Weise für das Gesamtportfolio der Schweizer BSA nutzbar machen. Eine Einschätzung des Potentials bei einer schweizweiten Einführung zeigt auf, dass die jährlichen Wartungskosten um rund 2.8 Mio. CHF gesenkt werden könnten, ohne das Gesamtrisiko über alle Tunnel zu erhöhen. Gesehen auf die gesamten Wartungskosten in Tunneln bedeutet dies eine mögliche Kostenreduktion von bis zu 12%

Verfahren zur automatischen Optimierung von Ventil-Hook-Ups

Pneumatische Stellventile werden heutzutage wegen ihrer hohen Stellgeschwindigkeiten und wirtschaftlichen Effizienz in der Prozessindustrie immer noch häufig eingesetzt. Für eine hohe Regelgüte der Prozesse sind zufriedenstellende Stellverhalten der Stellventile Voraussetzung. Hierfür ist die Auslegung des Ventil-Hook-Ups von zentraler Bedeutung. Das Ventil-Hook-Up beschreibt die Auswahl und die Verschaltung der pneumatischen Anbaugeräte (u. a. Stellungsregler, Booster, Druckregler und Rohrverbindungen). In der vorliegenden Arbeit wird eine modellbasierte Systemoptimierung der pneumatischen Stellventilen vorgestellt. Hierzu wird vor allem ein Simulationsmodell entwickelt, welches das Stellverhalten eines Stellventils präzise simuliert. Auf dieser Basis erfolgt eine Systemoptimierung des Ventil-Hook-Ups mit den zwei heuristischen Verfahren, „Genetische Algorithmen“ und „Tabu-Suche“. Bei der Implementierung werden die beiden Verfahren problemspezifisch gestaltet und ggf. modifiziert, um die Effizienz der Optimierung zu erhöhen. Damit liegt die erzielte Lösung möglichst nahe am globalen Optimum. Im Hinblick auf die Qualität der erzielten Lösung und den dazu erforderlichen Ressourcenaufwand erweist sich die modifizierte Tabu-Suche als am besten geeignetes Verfahren. Zum Schluss wird die zusätzliche Frage behandelt, wie die Prozessströmung das Stellverhalten eines Stellventils beeinflusst und wie negative Strömungseinflüsse im Bedarfsfall verringert werden können

Elektromobile Flotten im lokalen Energiesystem mit Photovoltaikeinspeisung unter Berücksichtigung von Unsicherheiten

In diesem Buch wird ein Modell entwickelt, welches zur Identifizierung der Lastverschiebepotenziale von elektromobilen Flotten unter Berücksichtigung der Integration von Photovoltaik-Erzeugung und Unsicherheiten nutzbar ist. Es werden unterschiedliche Ansätze unter der Anwendung von Simulation, deterministischer und stochastischer Optimierung entwickelt, um den Ladevorgang von drei verschiedenen Elektrofahrzeugflotten an einer gemeinsam genutzten Ladeinfrastruktur unter Unsicherheit zu planen