Ubiquitous Navigation

Ortsbezogene Dienste (Location-based Services, LBS) sind in den letzten Jahren durch die weite Verfügbarkeit von GPS zu einem Massenphänomen gewachsen. Insbesondere für die Steuerung von mobilen Endgeräten wird mehr und mehr Kontextinformation hinzugenommen, da sowohl die Bedienbarkeit als auch die Informationsdichte auf den kleinen Smartphones im Kontrast zur Informationsfülle des Internets stehen. Daher werden vielfach Dienste nicht mehr allein auf der Nutzereingabe basierend erbracht (reaktiv), sondern bieten dem Nutzer relevante Informationen vollautomatisch und kontextabhängig (proaktiv) an. Durch die proaktive Diensterbringung und ortsbezogene Personalisierung wird die Benutzbarkeit der Dienste verbessert. Leider kann man derzeit solche Dienste nur außerhalb von Gebäuden anbieten, da zum Einen kein einheitliches und günstiges Positionierungssystem verfügbar ist, und zum Anderen die notwendigen Kartendaten nicht vorliegen. Vor allem bei den Kartendaten fehlt es an einfachen Standards und Tools, die es dem Eigentümer eines Gebäudes ermöglichen, qualitativ hochwertige Kartendaten zur Verfügung zu stellen. In der vorliegenden Dissertation werden einige notwendige Schritte zur Ermöglichung ubiquitärer und skalierbarer Indoornavigation vorgestellt. Hierbei werden die Themenfelder Positionierung, Modellierung und Kartographie, sowie Navigation und Wegfindung in einen umfassenden Zusammenhang gestellt, um so eine tragfähige, einfache und skalierbare Navigation zu ermöglichen. Zunächst werden einige Verbesserungen an Terminal-basierten WLAN-Indoorpositionierungssystemen vorgeschlagen und diskutiert, die teils auf der Verwendung neuer Sensorik aktueller Smartphones basieren, und teils auf der Verwendung besonders kompakter Umgebungsmodelle auf mobilen Endgeräten. Insbesondere werden Verfahren vorgeschlagen und evaluiert, mit denen sich aus typischen CAD-Daten mit geringem Bearbeitungsaufwand die notwendigen Zusatzinformationen für eine flächendeckende Indoornavigation modellieren lassen. Darüber hinaus werden Methoden untersucht, die diese semantischen Erweiterungen teil- bzw. vollautomatisch aus Zeichnungen extrahieren können. Ausgehend von dem Ziel, flächendeckende Navigation basierend auf CAD-Daten zu ermöglichen, stößt man auf das Problem, eine Menge an interessanten Punkten so zu ordnen, dass der Reiseweg kurz ist.Dieses Problem ist mit dem NP-vollständigen Travelling-Salesman-Problem verwandt. Allerdings ist die geometrische Situation in Gebäuden derart komplex, dass sich die meisten derzeit bekannten heuristischen Lösungsalgorithmen für das Travelling-Salesman-Problem nicht ohne Weiteres auf die Situation im Inneren von Gebäuden übertragen lassen. Für dieses Problem wird ein heuristischer Algorithmus angegeben, der in linearer Laufzeit kleinere Instanzen des Problems mit akzeptablen Fehlern lösen kann. Diese Verfahren wurden im Rahmen eines Projekts mit dem Flughafen München erarbeitet und umgesetzt. In diesem Projekt sollten die ungelösten Probleme einer bereits existierenden kleinflächigen Demonstrator-Implementierung eines Fluggastinformationssystems gelöst werden. Auf diesen Algorithmen und Verfahren basiert die Navigationskomponente des Fluggastinformationssystems InfoGate, das die flächendeckende Navigation in den Terminals des Flughafen München mit verteilten Anzeigesystemen ermöglicht und seit dem 6. Juni 2011 im Produktivbetrieb ist. So konnten die Verfahren dieser Arbeit in einer real existierenden, komplexen Umgebung evaluiert werden

Flächenauswahlprozess und dynamische Optimierung zur Ermittlung von wertstromdurchgängigen Autoidentifikationstechnologien

Eine wesentliche Voraussetzung intelligenter und vernetzter Produktionssysteme sind Bauteile als Informationsträger, welche in der Lage sind mit den Produktionsressourcen zu kommunizieren. Die Kommunikation erfolgt mittels Autoidentifikationstechnologien. Die vorliegende Arbeit zeigt einen Flächenauswahlprozess auf als auch ein Vorgehen zur Ermittlung wertstromdurchgängiger Autoidentifikationstechnologien für die Umsetzung von Bauteilen als Informationsträger

Integration von Geodaten in ein Planungssystem

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konzeption einer prototypischen Softwarelösung, welche durch die Integration von Geodaten ein Planungssystem zur Routenfindung zwischen verschiedenen hintereinander stattfindenden Veranstaltungsorten ermöglicht. Der konkrete Anwendungsfall ist das „Dinner-Hopping“

Alternative leistungselektronische Schaltungskonzepte im PKW-Innenraum: Entwurf, Optimierung und Bewertung

Elektronische und elektrische Systeme stellen seit einigen Jahren einen zunehmenden Anteil an den Gesamtproduktionskosten von Personenkraftfahrzeugen. Laut Prognosen wird sich diese Entwicklung zwar abschwächen, jedoch wird der Wertschöpfungsanteil der Elektronik am Fahrzeug weiter zunehmen. Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit leistungselektronischen Subsystemen in PKW, die aufgrund der benötigten Chipfläche der Halbleiter kostenintensiv sind. Ziel der Arbeit ist es, Strukturen zu entwickeln und zu untersuchen, die es ermöglichen, mehrere Verbraucher in einer solchen Struktur zu betreiben und dadurch Leistungshalbleiter einzusparen. In einer Analyse werden die derzeitige Struktur der Verbraucher im Fahrzeug, die dazugehö-rige Elektronik und die zeitlichen Abhängigkeiten der Verbraucher untereinander dargestellt. Die Analyse kommt zu dem Schluss, dass die Verbraucher im Fahrzeug auf den jeweiligen Einsatzzweck hin optimiert sind. Dadurch sind sie kostengünstig und einfach aufgebaut. Ge-meinsamkeiten, die für eine Vereinheitlichung der Leistungselektronik genutzt werden kön-nen, können unter Beachtung der betrachteten Systeme gefunden werden. Daraus werden Anforderungen an alternative leistungselektronische Strukturen formuliert. In der Arbeit werden zwei leistungselektronische Schaltungen untersucht, die den Forderun-gen nach einer Einsparung von Leistungshalbleitern gerecht werden. Bei der matrixförmigen Vernetzungsschaltung sind die Versorgungsleitungen in Zeilen und Spalten angeordnet, zwi-schen denen die Verbraucher angeschlossen sind. Bei der linearen Vernetzungsschaltung be-nutzen alle an einer Struktur angeschlossenen Verbraucher teilweise eine gemeinsame und eine individuelle Leistungselektronik. Dabei wird ein geringerer Vernetzungsgrad erreicht. Bei der matrixförmigen Vernetzungsschaltung wird ein hoher Vernetzungsgrad erzielt. Hier-bei kann eine Vielzahl von Verbrauchern mit vergleichsweise wenig Leistungselektronik be-trieben werden. Der hohe Vernetzungsgrad hat Bedingungen an die Anordnung der in der Struktur befindlichen Verbraucher zur Folge, die es nur bei kleinen Strukturen ermöglichen ohne Hilfsmittel eine optimale Struktur zu entwerfen. Für größere Strukturen werden Me-thoden benötigt, um die Anordnung der Verbraucher so zu gestalten, dass die Bedingungen an den gleichzeitigen Betrieb in der Applikation erfüllt werden können. Diese Aufgabe entspricht dem mathematischen Problemkreis der kombinatorischen Optimierung. Als Lösungsmethoden werden die Ganzzahlige Lineare Programmierung, die in jedem Fall ein exaktes Ergebnis er-reicht, und Genetische Algorithmen verwendet, die auch bei sehr großen Strukturen ein opti-miertes Ergebnis erzielen können. Die Genetischen Algorithmen werden in dieser Arbeit auf das Problem und dessen Darstellung angepasst, und die Ergebnisse der Optimierung mit de-nen der exakten Verfahren verglichen. Ergebnisse zeigen, dass die auf die Problemstellung angepassten Genetischen Algorithmen mit hoher Sicherheit das globale Optimum finden. Es werden matrixförmige und lineare Strukturen für eine Sitzsteuerung und eine Klappen-verstellung einer Klimaanlage entworfen, mit den beschriebenen Methoden optimiert und nachfolgend bewertet. In der Bewertung wird gezeigt, dass die entworfenen alternativen Strukturen den konventionellen teilweise überlegen sind und je nach elektronischem System zu einer deutlichen Kosteneinsparung führen können. In den untersuchten Systemen hat sich die lineare Struktur als besonders vorteilhaft herausgestellt

Analyse von Lösungsräumen bei der Ressourcenbelegungsplanung

Ressourcenbelegungsplanungsprobleme haben fast immer exponentiell wachsende Lösungsräume. Ausnahmen sind einfachste Ressourcenbelegungsplanungsprobleme die sich im wesentlichen durch Sortierverfahren optimal lösen lassen. Dadurch sind Ressourcenbelegungsplanungsprobleme NP-vollständig. Nach der Literatur haben Lösungsräume von einigen NP-vollständigen Optimierungsproblemen günstige Eigenschaften, die Metaheuristiken, wie genetische Algorithmen und lokale Suche, ausnutzen, um in vertretbarer Rechenzeit gute Lösungen zu finden. Zu Ihrer Erkennung gibt es in der Literatur etablierte Analysemöglichkeiten. Sie werden in dieser Arbeit auf die Ressourcenbelegungsplanung übertragen und ihre Wirkung bzw. die auftretenden Schwierigkeiten werden anhand von einfachen Problemen aufgezeigt

Alternative leistungselektronische Schaltungskonzepte im PKW-Innenraum: Entwurf, Optimierung und Bewertung

Elektronische und elektrische Systeme stellen seit einigen Jahren einen zunehmenden Anteil an den Gesamtproduktionskosten von Personenkraftfahrzeugen. Laut Prognosen wird sich diese Entwicklung zwar abschwächen, jedoch wird der Wertschöpfungsanteil der Elektronik am Fahrzeug weiter zunehmen. Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit leistungselektronischen Subsystemen in PKW, die aufgrund der benötigten Chipfläche der Halbleiter kostenintensiv sind. Ziel der Arbeit ist es, Strukturen zu entwickeln und zu untersuchen, die es ermöglichen, mehrere Verbraucher in einer solchen Struktur zu betreiben und dadurch Leistungshalbleiter einzusparen. In einer Analyse werden die derzeitige Struktur der Verbraucher im Fahrzeug, die dazugehö-rige Elektronik und die zeitlichen Abhängigkeiten der Verbraucher untereinander dargestellt. Die Analyse kommt zu dem Schluss, dass die Verbraucher im Fahrzeug auf den jeweiligen Einsatzzweck hin optimiert sind. Dadurch sind sie kostengünstig und einfach aufgebaut. Ge-meinsamkeiten, die für eine Vereinheitlichung der Leistungselektronik genutzt werden kön-nen, können unter Beachtung der betrachteten Systeme gefunden werden. Daraus werden Anforderungen an alternative leistungselektronische Strukturen formuliert. In der Arbeit werden zwei leistungselektronische Schaltungen untersucht, die den Forderun-gen nach einer Einsparung von Leistungshalbleitern gerecht werden. Bei der matrixförmigen Vernetzungsschaltung sind die Versorgungsleitungen in Zeilen und Spalten angeordnet, zwi-schen denen die Verbraucher angeschlossen sind. Bei der linearen Vernetzungsschaltung be-nutzen alle an einer Struktur angeschlossenen Verbraucher teilweise eine gemeinsame und eine individuelle Leistungselektronik. Dabei wird ein geringerer Vernetzungsgrad erreicht. Bei der matrixförmigen Vernetzungsschaltung wird ein hoher Vernetzungsgrad erzielt. Hier-bei kann eine Vielzahl von Verbrauchern mit vergleichsweise wenig Leistungselektronik be-trieben werden. Der hohe Vernetzungsgrad hat Bedingungen an die Anordnung der in der Struktur befindlichen Verbraucher zur Folge, die es nur bei kleinen Strukturen ermöglichen ohne Hilfsmittel eine optimale Struktur zu entwerfen. Für größere Strukturen werden Me-thoden benötigt, um die Anordnung der Verbraucher so zu gestalten, dass die Bedingungen an den gleichzeitigen Betrieb in der Applikation erfüllt werden können. Diese Aufgabe entspricht dem mathematischen Problemkreis der kombinatorischen Optimierung. Als Lösungsmethoden werden die Ganzzahlige Lineare Programmierung, die in jedem Fall ein exaktes Ergebnis er-reicht, und Genetische Algorithmen verwendet, die auch bei sehr großen Strukturen ein opti-miertes Ergebnis erzielen können. Die Genetischen Algorithmen werden in dieser Arbeit auf das Problem und dessen Darstellung angepasst, und die Ergebnisse der Optimierung mit de-nen der exakten Verfahren verglichen. Ergebnisse zeigen, dass die auf die Problemstellung angepassten Genetischen Algorithmen mit hoher Sicherheit das globale Optimum finden. Es werden matrixförmige und lineare Strukturen für eine Sitzsteuerung und eine Klappen-verstellung einer Klimaanlage entworfen, mit den beschriebenen Methoden optimiert und nachfolgend bewertet. In der Bewertung wird gezeigt, dass die entworfenen alternativen Strukturen den konventionellen teilweise überlegen sind und je nach elektronischem System zu einer deutlichen Kosteneinsparung führen können. In den untersuchten Systemen hat sich die lineare Struktur als besonders vorteilhaft herausgestellt

Ring star problem for disaster relief

In Zeiten von Katastrophen ist die schnelle Hilfe für die betroffene Bevölkerung von größter Wichtigkeit. Mit Hilfe des Ring Star Problem (RSP) als Modell für Katastrophenhilfe, können hierfür unterschiedlichste Situationen in Betracht gezogen werden, um eine effiziente Hilfeleistung zu garantieren. Da die gesamte betroffene Bevölkerung nicht immer direkt mit Hilfslieferungen versorgt werden kann, wird mithilfe des RSP versucht diese Lieferungen an angrenzende Gebiete, zu welchen der Zugang möglich ist, die betroffene Bevölkerung zu erreichen. Diese Gebiete/Ortschaften werden dann mit Hilfe einer Routenplanung miteinander verbunden, um eine effiziente und schnelle Hilfslieferung in alle betroffenen Gebiete zu garantieren. Zur Untersuchung dieses Problems wurden Datensätze in den Größen von 12 bis 100 Ortschaften untersucht. Zur Lösung dieses Problems wurden unterschiedliche Ansätze untersucht. Zu einem wurde eine exakte Lösungsmethode mithilfe einer CPLEX Schnittstelle im Microsoft Visual C++ implementiert. Diese Methode wurde mit einer integrativen gewichteten Zielfunktion gelöst. Als Grundlage hierfür diente das p-Median, für die Zuweisung der nicht besuchten Gebiete zu den besuchten Ortschaften, sowie das Travelling Salesman Problem (TSP) für die effiziente Routenplanung. Die erzielten Werte dieser exakten Methode dienten in weiterer Folge als Vergleichswerte für weitere Lösungsansätze. Infolge wurde das Problem in zwei Teilprobleme zerlegt (p-Median und TSP). Diese wurden zu einem Teil sukzessiv mithilfe der CPLEX Schnittstelle gelöst. Zum Anderen wurde nur der Zuweisungsteil, das p-Median, mit CPLEX gelöst und im Anschluss das Routing der besuchten Orte mithilfe von Heuristiken. Weiters wurde das gesamte Problem mittels der Large Neighbourhood Search (LNS) Metaheuristik gelöst. Dies erfolgte durch sukzessives Zerstören und Reparieren von bestehenden Zuweisungen und Routen. Die Auswertungen der gesamten Daten ergaben ein klares Bild bezüglich der Effizienz der erstellten, heuristischen Lösungsansätze. Die Zerlegung des RSP in zwei Teilprobleme und hierbei die Kombination von exakter und heuristischer Methoden stellte eine äußerst effektive Lösungsmethode dar. So erreichte diese Methode im Durchschnitt eine Lösungsgüte von 99,77%, und benötigte hierfür lediglich 0,01% (0,82 Sekunden) der Rechenzeit im Vergleich zur optimalen Lösung. Die Metaheuristik konnte eine noch bessere Lösung erzeugen, welche im Durchschnitt nur 0,01% von der optimalen Lösung entfernt war. Die Rechenzeit lag im Durchschnitt bei lediglich 2,19% der exakten Lösung, was einer durchschnittlichen Dauer von 257,87 Sekunden entspricht.In disaster situations, quick relief for the affected population is the key. Ring Star Problem (RSP) can be used to model problems related to Disaster Relief. The idea of RSP lies in the assumption that in post-disaster not all of the affected population can be supplied directly with aid. Therefore they would need to travel to the closest location where help can been supplied. For solving the problem several approaches were implemented. An integrative exact weighted sum approach and as well two step methods. Additionally different Large Neighbourhood Search (LNS) approaches were created. The data was then evaluated by comparing the achieved results of costs and the needed computing time for achieving results. Instances up to 100 nodes could be solved to optimality with the integrative weighted sum approach. The LNS solved up to 100 nodes efficiently

Routing with Reloads

We examine routing problems with reloads, how they can be modeled, their properties and how they can be solved. We propose a simple model, the Pickup and Delivery Problem with Reloads (RPDP), that captures the process of reloading and can be extended for real world applications. We present results that show that the RPDP is solvable in polynomial time if the number of requests is bounded by a constant. Additionally, we examine a special case of the RPDP, the k-Star Hub Problem. This problem is solvable efficiently by network flow approaches if no more than two hubs are available. Otherwise, it is NP-complete. In the second part of this thesis, additional constraints are incorporated into the model and a tabu search heuristic for this problem is presented. The heuristic has been implemented and tested on several benchmarking instances, both artificial and a real-world application. In the appendix, we discuss the application of column generation for a reload problem