Strategic directions in constraint programming

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Research in constraint-based layout, visualization, CAD, and related topics : a bibliographical survey

The present work compiles numerous papers in the area of computer-aided design, graphics, layout configuration, and user interfaces in general. There is nearly no conference on graphics, multimedia, and user interfaces that does not include a section on constraint-based graphics; on the other hand most conferences on constraint processing favour applications in graphics. This work of bibliographical pointers may serve as a basis for a detailed and comprehensive survey of this important and challenging field in the intersection of constraint processing and graphics. In order to reach this ambitious aim, and also to keep this study up-to-date, the authors appreciate any comment and update information

Improved Collision Detection and Response Techniques for Cloth Animation

In the animation of deformable objects, collision detection and response are crucial for the performance. Contrary to volumetric bodies, the accuracy requirements for the collision treatment of textiles are particularly strict because any overlapping is visible. Therefore, we apply methods specifically designed for deformable surfaces that speed up the collision detection. In this paper the efficiency of bounding volume hierarchies is improved by adapted techniques for building and traversing these hierarchies. An extended set of heuristics is described that allows to prune the hierarchy. Oriented inflation of bounding volumes enables us to detect proximities with a minimum of extra cost. Eventually, the distance of the mesh faces is computed accurately, and constraints respond to the collisions

Towards Prescriptive Analytics in Cyber-Physical Systems

More and more of our physical world today is being monitored and controlled by so-called cyber-physical systems (CPSs). These are compositions of networked autonomous cyber and physical agents such as sensors, actuators, computational elements, and humans in the loop. Today, CPSs are still relatively small-scale and very limited compared to CPSs to be witnessed in the future. Future CPSs are expected to be far more complex, large-scale, wide-spread, and mission-critical, and found in a variety of domains such as transportation, medicine, manufacturing, and energy, where they will bring many advantages such as the increased efficiency, sustainability, reliability, and security. To unleash their full potential, CPSs need to be equipped with, among other features, the support for automated planning and control, where computing agents collaboratively and continuously plan and control their actions in an intelligent and well-coordinated manner to secure and optimize a physical process, e.g., electricity flow in the power grid. In today’s CPSs, the control is typically automated, but the planning is solely performed by humans. Unfortunately, it is intractable and infeasible for humans to plan every action in a future CPS due to the complexity, scale, and volatility of a physical process. Due to these properties, the control and planning has to be continuous and automated in future CPSs. Humans may only analyse and tweak the system’s operation using the set of tools supporting prescriptive analytics that allows them (1) to make predictions, (2) to get the suggestions of the most prominent set of actions (decisions) to be taken, and (3) to analyse the implications as if such actions were taken. This thesis considers the planning and control in the context of a large-scale multi-agent CPS. Based on the smart-grid use-case, it presents a so-called PrescriptiveCPS – which is (the conceptual model of) a multi-agent, multi-role, and multi-level CPS automatically and continuously taking and realizing decisions in near real-time and providing (human) users prescriptive analytics tools to analyse and manage the performance of the underlying physical system (or process). Acknowledging the complexity of CPSs, this thesis provides contributions at the following three levels of scale: (1) the level of a (full) PrescriptiveCPS, (2) the level of a single PrescriptiveCPS agent, and (3) the level of a component of a CPS agent software system. At the CPS level, the contributions include the definition of PrescriptiveCPS, according to which it is the system of interacting physical and cyber (sub-)systems. Here, the cyber system consists of hierarchically organized inter-connected agents, collectively managing instances of so-called flexibility, decision, and prescription models, which are short-lived, focus on the future, and represent a capability, an (user’s) intention, and actions to change the behaviour (state) of a physical system, respectively. At the agent level, the contributions include the three-layer architecture of an agent software system, integrating the number of components specially designed or enhanced to support the functionality of PrescriptiveCPS. At the component level, the most of the thesis contribution is provided. The contributions include the description, design, and experimental evaluation of (1) a unified multi-dimensional schema for storing flexibility and prescription models (and related data), (2) techniques to incrementally aggregate flexibility model instances and disaggregate prescription model instances, (3) a database management system (DBMS) with built-in optimization problem solving capability allowing to formulate optimization problems using SQL-like queries and to solve them “inside a database”, (4) a real-time data management architecture for processing instances of flexibility and prescription models under (soft or hard) timing constraints, and (5) a graphical user interface (GUI) to visually analyse the flexibility and prescription model instances. Additionally, the thesis discusses and exemplifies (but provides no evaluations of) (1) domain-specific and in-DBMS generic forecasting techniques allowing to forecast instances of flexibility models based on historical data, and (2) powerful ways to analyse past, current, and future based on so-called hypothetical what-if scenarios and flexibility and prescription model instances stored in a database. Most of the contributions at this level are based on the smart-grid use-case. In summary, the thesis provides (1) the model of a CPS with planning capabilities, (2) the design and experimental evaluation of prescriptive analytics techniques allowing to effectively forecast, aggregate, disaggregate, visualize, and analyse complex models of the physical world, and (3) the use-case from the energy domain, showing how the introduced concepts are applicable in the real world. We believe that all this contribution makes a significant step towards developing planning-capable CPSs in the future.Mehr und mehr wird heute unsere physische Welt überwacht und durch sogenannte Cyber-Physical-Systems (CPS) geregelt. Dies sind Kombinationen von vernetzten autonomen cyber und physischen Agenten wie Sensoren, Aktoren, Rechenelementen und Menschen. Heute sind CPS noch relativ klein und im Vergleich zu CPS der Zukunft sehr begrenzt. Zukünftige CPS werden voraussichtlich weit komplexer, größer, weit verbreiteter und unternehmenskritischer sein sowie in einer Vielzahl von Bereichen wie Transport, Medizin, Fertigung und Energie – in denen sie viele Vorteile wie erhöhte Effizienz, Nachhaltigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit bringen – anzutreffen sein. Um ihr volles Potenzial entfalten zu können, müssen CPS unter anderem mit der Unterstützung automatisierter Planungs- und Steuerungsfunktionalität ausgestattet sein, so dass Agents ihre Aktionen gemeinsam und kontinuierlich auf intelligente und gut koordinierte Weise planen und kontrollieren können, um einen physischen Prozess wie den Stromfluss im Stromnetz sicherzustellen und zu optimieren. Zwar sind in den heutigen CPS Steuerung und Kontrolle typischerweise automatisiert, aber die Planung wird weiterhin allein von Menschen durchgeführt. Leider ist diese Aufgabe nur schwer zu bewältigen, und es ist für den Menschen schlicht unmöglich, jede Aktion in einem zukünftigen CPS auf Basis der Komplexität, des Umfangs und der Volatilität eines physikalischen Prozesses zu planen. Aufgrund dieser Eigenschaften müssen Steuerung und Planung in CPS der Zukunft kontinuierlich und automatisiert ablaufen. Der Mensch soll sich dabei ganz auf die Analyse und Einflussnahme auf das System mit Hilfe einer Reihe von Werkzeugen konzentrieren können. Derartige Werkzeuge erlauben (1) Vorhersagen, (2) Vorschläge der wichtigsten auszuführenden Aktionen (Entscheidungen) und (3) die Analyse und potentiellen Auswirkungen der zu fällenden Entscheidungen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Planung und Kontrolle im Rahmen großer Multi-Agent-CPS. Basierend auf dem Smart-Grid als Anwendungsfall wird ein sogenanntes PrescriptiveCPS vorgestellt, welches einem Multi-Agent-, Multi-Role- und Multi-Level-CPS bzw. dessen konzeptionellem Modell entspricht. Diese PrescriptiveCPS treffen und realisieren automatisch und kontinuierlich Entscheidungen in naher Echtzeit und stellen Benutzern (Menschen) Prescriptive-Analytics-Werkzeuge und Verwaltung der Leistung der zugrundeliegenden physischen Systeme bzw. Prozesse zur Verfügung. In Anbetracht der Komplexität von CPS leistet diese Arbeit Beiträge auf folgenden Ebenen: (1) Gesamtsystem eines PrescriptiveCPS, (2) PrescriptiveCPS-Agenten und (3) Komponenten eines CPS-Agent-Software-Systems. Auf CPS-Ebene umfassen die Beiträge die Definition von PrescriptiveCPS als ein System von wechselwirkenden physischen und cyber (Sub-)Systemen. Das Cyber-System besteht hierbei aus hierarchisch organisierten verbundenen Agenten, die zusammen Instanzen sogenannter Flexibility-, Decision- und Prescription-Models verwalten, welche von kurzer Dauer sind, sich auf die Zukunft konzentrieren und Fähigkeiten, Absichten (des Benutzers) und Aktionen darstellen, die das Verhalten des physischen Systems verändern. Auf Agenten-Ebene umfassen die Beiträge die Drei-Ebenen-Architektur eines Agentensoftwaresystems sowie die Integration von Komponenten, die insbesondere zur besseren Unterstützung der Funktionalität von PrescriptiveCPS entwickelt wurden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit bilden die Beiträge auf der Komponenten-Ebene, diese umfassen Beschreibung, Design und experimentelle Evaluation (1) eines einheitlichen multidimensionalen Schemas für die Speicherung von Flexibility- and Prescription-Models (und verwandten Daten), (2) der Techniken zur inkrementellen Aggregation von Instanzen eines Flexibilitätsmodells und Disaggregation von Prescription-Models, (3) eines Datenbankmanagementsystem (DBMS) mit integrierter Optimierungskomponente, die es erlaubt, Optimierungsprobleme mit Hilfe von SQL-ähnlichen Anfragen zu formulieren und sie „in einer Datenbank zu lösen“, (4) einer Echtzeit-Datenmanagementarchitektur zur Verarbeitung von Instanzen der Flexibility- and Prescription-Models unter (weichen oder harten) Zeitvorgaben und (5) einer grafische Benutzeroberfläche (GUI) zur Visualisierung und Analyse von Instanzen der Flexibility- and Prescription-Models. Darüber hinaus diskutiert und veranschaulicht diese Arbeit beispielhaft ohne detaillierte Evaluation (1) anwendungsspezifische und im DBMS integrierte Vorhersageverfahren, die die Vorhersage von Instanzen der Flexibility- and Prescription-Models auf Basis historischer Daten ermöglichen, und (2) leistungsfähige Möglichkeiten zur Analyse von Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft auf Basis sogenannter hypothetischer „What-if“-Szenarien und der in der Datenbank hinterlegten Instanzen der Flexibility- and Prescription-Models. Die meisten der Beiträge auf dieser Ebene basieren auf dem Smart-Grid-Anwendungsfall. Zusammenfassend befasst sich diese Arbeit mit (1) dem Modell eines CPS mit Planungsfunktionen, (2) dem Design und der experimentellen Evaluierung von Prescriptive-Analytics-Techniken, die eine effektive Vorhersage, Aggregation, Disaggregation, Visualisierung und Analyse komplexer Modelle der physischen Welt ermöglichen und (3) dem Anwendungsfall der Energiedomäne, der zeigt, wie die vorgestellten Konzepte in der Praxis Anwendung finden. Wir glauben, dass diese Beiträge einen wesentlichen Schritt in der zukünftigen Entwicklung planender CPS darstellen.Mere og mere af vores fysiske verden bliver overvåget og kontrolleret af såkaldte cyber-fysiske systemer (CPSer). Disse er sammensætninger af netværksbaserede autonome IT (cyber) og fysiske (physical) agenter, såsom sensorer, aktuatorer, beregningsenheder, og mennesker. I dag er CPSer stadig forholdsvis små og meget begrænsede i forhold til de CPSer vi kan forvente i fremtiden. Fremtidige CPSer forventes at være langt mere komplekse, storstilede, udbredte, og missionskritiske, og vil kunne findes i en række områder såsom transport, medicin, produktion og energi, hvor de vil give mange fordele, såsom øget effektivitet, bæredygtighed, pålidelighed og sikkerhed. For at frigøre CPSernes fulde potentiale, skal de bl.a. udstyres med støtte til automatiseret planlægning og kontrol, hvor beregningsagenter i samspil og løbende planlægger og styrer deres handlinger på en intelligent og velkoordineret måde for at sikre og optimere en fysisk proces, såsom elforsyningen i elnettet. I nuværende CPSer er styringen typisk automatiseret, mens planlægningen udelukkende er foretaget af mennesker. Det er umuligt for mennesker at planlægge hver handling i et fremtidigt CPS på grund af kompleksiteten, skalaen, og omskifteligheden af en fysisk proces. På grund af disse egenskaber, skal kontrol og planlægning være kontinuerlig og automatiseret i fremtidens CPSer. Mennesker kan kun analysere og justere systemets drift ved hjælp af det sæt af værktøjer, der understøtter præskriptive analyser (prescriptive analytics), der giver dem mulighed for (1) at lave forudsigelser, (2) at få forslagene fra de mest fremtrædende sæt handlinger (beslutninger), der skal tages, og (3) at analysere konsekvenserne, hvis sådanne handlinger blev udført. Denne afhandling omhandler planlægning og kontrol i forbindelse med store multi-agent CPSer. Baseret på en smart-grid use case, præsenterer afhandlingen det såkaldte PrescriptiveCPS hvilket er (den konceptuelle model af) et multi-agent, multi-rolle, og multi-level CPS, der automatisk og kontinuerligt tager beslutninger i nær-realtid og leverer (menneskelige) brugere præskriptiveanalyseværktøjer til at analysere og håndtere det underliggende fysiske system (eller proces). I erkendelse af kompleksiteten af CPSer, giver denne afhandling bidrag til følgende tre niveauer: (1) niveauet for et (fuldt) PrescriptiveCPS, (2) niveauet for en enkelt PrescriptiveCPS agent, og (3) niveauet for en komponent af et CPS agent software system. På CPS-niveau, omfatter bidragene definitionen af PrescriptiveCPS, i henhold til hvilken det er det system med interagerende fysiske- og IT- (under-) systemer. Her består IT-systemet af hierarkisk organiserede forbundne agenter der sammen styrer instanser af såkaldte fleksibilitet (flexibility), beslutning (decision) og præskriptive (prescription) modeller, som henholdsvis er kortvarige, fokuserer på fremtiden, og repræsenterer en kapacitet, en (brugers) intention, og måder til at ændre adfærd (tilstand) af et fysisk system. På agentniveau omfatter bidragene en tre-lags arkitektur af et agent software system, der integrerer antallet af komponenter, der er specielt konstrueret eller udbygges til at understøtte funktionaliteten af PrescriptiveCPS. Komponentniveauet er hvor afhandlingen har sit hovedbidrag. Bidragene omfatter beskrivelse, design og eksperimentel evaluering af (1) et samlet multi- dimensionelt skema til at opbevare fleksibilitet og præskriptive modeller (og data), (2) teknikker til trinvis aggregering af fleksibilitet modelinstanser og disaggregering af præskriptive modelinstanser (3) et database management system (DBMS) med indbygget optimeringsproblemløsning (optimization problem solving) der gør det muligt at formulere optimeringsproblemer ved hjælp af SQL-lignende forespørgsler og at løse dem "inde i en database", (4) en realtids data management arkitektur til at behandle instanser af fleksibilitet og præskriptive modeller under (bløde eller hårde) tidsbegrænsninger, og (5) en grafisk brugergrænseflade (GUI) til visuelt at analysere fleksibilitet og præskriptive modelinstanser. Derudover diskuterer og eksemplificerer afhandlingen (men giver ingen evalueringer af) (1) domæne-specifikke og in-DBMS generiske prognosemetoder der gør det muligt at forudsige instanser af fleksibilitet modeller baseret på historiske data, og (2) kraftfulde måder at analysere tidligere-, nutids- og fremtidsbaserede såkaldte hypotetiske hvad-hvis scenarier og fleksibilitet og præskriptive modelinstanser gemt i en database. De fleste af bidragene på dette niveau er baseret på et smart-grid brugsscenarie. Sammenfattende giver afhandlingen (1) modellen for et CPS med planlægningsmulighed, (2) design og eksperimentel evaluering af præskriptive analyse teknikker der gør det muligt effektivt at forudsige, aggregere, disaggregere, visualisere og analysere komplekse modeller af den fysiske verden, og (3) brugsscenariet fra energiområdet, der viser, hvordan de indførte begreber kan anvendes i den virkelige verden. Vi mener, at dette bidrag udgør et betydeligt skridt i retning af at udvikle CPSer til planlægningsbrug i fremtiden

The effect of multiple knowledge sources on learning and teaching

Current paradigms for machine-based learning and teaching tend to perform their task in isolation from a rich context of existing knowledge. In contrast, the research project presented here takes the view that bringing multiple sources of knowledge to bear is of central importance to learning in complex domains. As a consequence teaching must both take advantage of and beware of interactions between new and existing knowledge. The central process which connects learning to its context is reasoning by analogy, a primary concern of this research. In teaching, the connection is provided by the explicit use of a learning model to reason about the choice of teaching actions. In this learning paradigm, new concepts are incrementally refined and integrated into a body of expertise, rather than being evaluated against a static notion of correctness. The domain chosen for this experimentation is that of learning to solve "algebra story problems." A model of acquiring problem solving skills in this domain is described, including: representational structures for background knowledge, a problem solving architecture, learning mechanisms, and the role of analogies in applying existing problem solving abilities to novel problems. Examples of learning are given for representative instances of algebra story problems. After relating our views to the psychological literature, we outline the design of a teaching system. Finally, we insist on the interdependence of learning and teaching and on the synergistic effects of conducting both research efforts in parallel

Optimization and inference under fuzzy numerical constraints

Εκτεταμένη έρευνα έχει γίνει στους τομείς της Ικανοποίησης Περιορισμών με διακριτά (ακέραια) ή πραγματικά πεδία τιμών. Αυτή η έρευνα έχει οδηγήσει σε πολλαπλές σημασιολογικές περιγραφές, πλατφόρμες και συστήματα για την περιγραφή σχετικών προβλημάτων με επαρκείς βελτιστοποιήσεις. Παρά ταύτα, λόγω της ασαφούς φύσης πραγματικών προβλημάτων ή ελλιπούς μας γνώσης για αυτά, η σαφής μοντελοποίηση ενός προβλήματος ικανοποίησης περιορισμών δεν είναι πάντα ένα εύκολο ζήτημα ή ακόμα και η καλύτερη προσέγγιση. Επιπλέον, το πρόβλημα της μοντελοποίησης και επίλυσης ελλιπούς γνώσης είναι ακόμη δυσκολότερο. Επιπροσθέτως, πρακτικές απαιτήσεις μοντελοποίησης και μέθοδοι βελτιστοποίησης του χρόνου αναζήτησης απαιτούν συνήθως ειδικές πληροφορίες για το πεδίο εφαρμογής, καθιστώντας τη δημιουργία ενός γενικότερου πλαισίου βελτιστοποίησης ένα ιδιαίτερα δύσκολο πρόβλημα. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας θα μελετήσουμε το πρόβλημα της μοντελοποίησης και αξιοποίησης σαφών, ελλιπών ή ασαφών περιορισμών, καθώς και πιθανές στρατηγικές βελτιστοποίησης. Καθώς τα παραδοσιακά προβλήματα ικανοποίησης περιορισμών λειτουργούν βάσει συγκεκριμένων και προκαθορισμένων κανόνων και σχέσεων, παρουσιάζει ενδιαφέρον η διερεύνηση στρατηγικών και βελτιστοποιήσεων που θα επιτρέπουν το συμπερασμό νέων ή/και αποδοτικότερων περιορισμών. Τέτοιοι επιπρόσθετοι κανόνες θα μπορούσαν να βελτιώσουν τη διαδικασία αναζήτησης μέσω της εφαρμογής αυστηρότερων περιορισμών και περιορισμού του χώρου αναζήτησης ή να προσφέρουν χρήσιμες πληροφορίες στον αναλυτή για τη φύση του προβλήματος που μοντελοποιεί.Extensive research has been done in the areas of Constraint Satisfaction with discrete/integer and real domain ranges. Multiple platforms and systems to deal with these kinds of domains have been developed and appropriately optimized. Nevertheless, due to the incomplete and possibly vague nature of real-life problems, modeling a crisp and adequately strict satisfaction problem may not always be easy or even appropriate. The problem of modeling incomplete knowledge or solving an incomplete/relaxed representation of a problem is a much harder issue to tackle. Additionally, practical modeling requirements and search optimizations require specific domain knowledge in order to be implemented, making the creation of a more generic optimization framework an even harder problem.In this thesis, we will study the problem of modeling and utilizing incomplete and fuzzy constraints, as well as possible optimization strategies. As constraint satisfaction problems usually contain hard-coded constraints based on specific problem and domain knowledge, we will investigate whether strategies and generic heuristics exist for inferring new constraint rules. Additional rules could optimize the search process by implementing stricter constraints and thus pruning the search space or even provide useful insight to the researcher concerning the nature of the investigated problem

Using hierarchical constraint satisfaction for lathe-tool selection in a CIM environment

In this paper we shall discuss how to treat the automatic selection of appropriate lathe tools in a computer-aided production planning (CAPP) application as a constraint satisfaction problem (CSP) over hierarchically structured finite domains. Conceptually it is straightforward to formulate lathe-tool selection in terms of a CSP, however the choice of constraint and domain representations and of the order in which the constraints are applied is nontrivial if a computationally tractable system design is to be achieved. Since the domains appearing in technical applications often can be modeled as a hierarchy, we investigate how constraint satisfaction algorithms can make use of this hierarchical structure. Moreover, many real-life problems are formulated in a way that no optimal solution can be found which satisfies all the given constraints. Therefore, in order to bring AI technology into real-world applications, it becomes very important to be able to cope with conflicting constraints and to relax the given CSP until a (suboptimal) solution can be found. For these reasons, the constraint system CONTAX has been developed, which incorporates an extended hierarchical arc-consistency algorithm together with discrete constraint relaxation and has been used to implement the lathe-tool selection module of the ARC-TEC planning system