Productivity measurement and resource allocation in the operation of an electric utility

The simplest and, perhaps, most traditional definition of productivity, output divided by input, is still unchallengeable. This study deals with the productivity of an electric utility at the firm level, using the economic production function theory to construct multi-factor productivity (MFP) indexes. These MFP indexes, together with the partial factor productivity (PFP) indexes, can be used as managerial tools to identify the possible inefficient utilization of input resources. They also provide a rough overview of how well these input resources are being managed;In this study, output is defined as the sales of electricity to the ultimate customers and sales for resale. The input resources are capital, labor, fuel, purchased power and miscellaneous materials, which were aggregated by means of the methodology developed using their cost shares as weights. A case study of this productivity model was carried out for the period 1974-1979;A goal programming model, a technique of operations research, was also developed to allocate the input resources in an efficient and effective manner so that a certain percentage growth in productivity can be satisfied and the other objectives (goals) of the electric power system also be fully met. The productivity measures coupled with the goal programming technique are shown to be a very useful tool to assist management in making crucial decisions with respect to input resources in any electric utility company

Global crop production forecasting data system analysis

The author has identified the following significant results. Findings led to the development of a theory of radiometric discrimination employing the mathematical framework of the theory of discrimination between scintillating radar targets. The theory indicated that the functions which drive accuracy of discrimination are the contrast ratio between targets, and the number of samples, or pixels, observed. Theoretical results led to three primary consequences, as regards the data system: (1) agricultural targets must be imaged at correctly chosen times, when the relative evolution of the crop's development is such as to maximize their contrast; (2) under these favorable conditions, the number of observed pixels can be significantly reduced with respect to wall-to-wall measurements; and (3) remotely sensed radiometric data must be suitably mixed with other auxiliary data, derived from external sources

Heuristiken im Service Operations Management

This doctoral thesis deals with the application of operation research methods in practice. With two cooperation companies from the service sector (retailing and healthcare), three practice-relevant decision problems are jointly elicited and defined. Subsequently, the planning problems are transferred into mathematical problems and solved with the help of optimal and/or heuristic methods. The status quo of the companies could be significantly improved for all the problems dealt with.Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Anwendung von Operation Research Methoden in der Praxis. Mit zwei Kooperationsunternehmen aus dem Dienstleistungssektor (Einzelhandel und Gesundheitswesen) werden drei praxisrelevante Planungsprobleme gemeinsam eruiert und definiert. In weiterer Folge werden die Entscheidungsmodelle in mathematische Probleme transferiert und mit Hilfe von optimalen und/oder heuristischen Verfahren gelöst. Bei allen behandelten Problemstellungen konnte der bei den Unternehmen angetroffene Status Quo signifikant verbessert werden

A Comparative Evaluation Of Fdsa,ga, And Sa Non-linear Programming Algorithms And Development Of System-optimal Methodology For Dynamic Pricing On I-95 Express

As urban population across the globe increases, the demand for adequate transportation grows. Several strategies have been suggested as a solution to the congestion which results from this high demand outpacing the existing supply of transportation facilities. High –Occupancy Toll (HOT) lanes have become increasingly more popular as a feature on today’s highway system. The I-95 Express HOT lane in Miami Florida, which is currently being expanded from a single Phase (Phase I) into two Phases, is one such HOT facility. With the growing abundance of such facilities comes the need for indepth study of demand patterns and development of an appropriate pricing scheme which reduces congestion. This research develops a method for dynamic pricing on the I-95 HOT facility such as to minimize total travel time and reduce congestion. We apply non-linear programming (NLP) techniques and the finite difference stochastic approximation (FDSA), genetic algorithm (GA) and simulated annealing (SA) stochastic algorithms to formulate and solve the problem within a cell transmission framework. The solution produced is the optimal flow and optimal toll required to minimize total travel time and thus is the system-optimal solution. We perform a comparative evaluation of FDSA, GA and SA non-linear programming algorithms used to solve the NLP and the ANOVA results show that there are differences in the performance of the NLP algorithms in solving this problem and reducing travel time. We then conclude by demonstrating that econometric iv forecasting methods utilizing vector autoregressive (VAR) techniques can be applied to successfully forecast demand for Phase 2 of the 95 Express which is planned for 201

The D2-triangulation for simplicial homotopy algorithms for computing solutions of nonlinear equations

Nonlinear Equations

Confronting Model Misspecification in Macroeconomics

We estimate a Markov-switching mixture of two familiar macroeconomic models: a richly parameterized DSGE model and a corresponding BVAR model. We show that the Markov-switching mixture model dominates both individual models and improves the fit considerably. Our estimation indicates that the DSGE model plays an important role only in the late 1970s and the early 1980s. We show how to use the mixture model as a data filter for estimation of the DSGE model when the BVAR model is not identified. Moreover, we show how to compute the impulse responses to the same type of shock shared by the DSGE and BVAR models when the shock is identified in the BVAR model. Our exercises demonstrate the importance of integrating model uncertainty and parameter uncertainty to address potential model misspecification in macroeconomics.

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

Neue Ansätze zur Echtzeitsteuerung städtischer Lichtsignalanlagen

Adaptive Traffic Control Systems (ATCS) control a set of traffic signals at connected intersections in a network. They continuously adapt the signalization in real-time to the current traffic demand. In this thesis a new ATCS prototype has been developed and evaluated. A comprehensive overview of the state-of-the-art of traffic signal control is given, followed by an overview of the conceptual design of the ATCS prototype. Every quarter of an hour, signal timings of all signalized intersections are optimized on a central computer and sent to the local controllers where they are executed. The first task is to estimate the traffic demand of the next optimization interval. Based on detector counts of previous time intervals, a forecasting module estimates detector counts of the next interval. These counts are used as constraints for the estimation of Origin-Destination flows, traffic volumes on different routes and on all links of the network. The next module makes use of classic formulas for the calculation of fixed time signal plans in order to adjust a network-wide common cycle length and individual phase durations. The subsequent model-based offset optimization aims at establishing a good coordination of adjacent intersections. A macroscopic traffic flow model is used to evaluate the effects of different offset combinations. Different optimization algorithms have been implemented, thereof two based on Genetic Algorithms. A third, deterministic algorithm has been developed as well. At the beginning of each time interval, the new signal timings have to be implemented at each intersection. Based on the state-of-the-art and on a simulation study a smooth transition technique has been identified and implemented. Finally, the ATCS prototype has been evaluated by means of a comprehensive microsimulation study. It has some potential to improve travel times compared to an optimized fixed time signal control. The degree of this improvement depends on the network.Netzsteuerungsverfahren steuern alle Lichtsignalanlagen (LSA) in einem Teilnetz. Sie passen die Signalisierung kontinuierlich an die aktuelle Verkehrsnachfrage an. In dieser Arbeit wurde ein neues Netzsteuerungsverfahren prototypisch entwickelt und evaluiert. Einer umfassenden Literaturanalyse zum Stand der Technik folgt ein Überblick über das Grundkonzept des Prototyps. Alle 15 Minuten werden die Signalprogramme zentral optimiert und an die einzelnen Steuergeräte gesendet, wo sie ausgeführt werden. Die erste Aufgabe umfasst die Schätzung der Verkehrsnachfrage im nächsten Optimierungsintervall. Basierend auf Detektorzählwerten der letzten vier Zeitintervalle schätzt ein Prognosemodul die Zählwerte des nächsten Zeitintervalls. Diese Zählwerte werden als Randbedingungen für die Schätzung der Verkehrsstärken verschiedener Quelle-Ziel-Beziehungen sowie auf unterschiedlichen Routen und auf allen Kanten im Netz genutzt. Das nächste Modul nutzt einen klassischen Ansatz zur Berechnung von Festzeitsignalprogrammen, um die netzweit einheitliche Umlaufzeit und die individuellen Phasendauern der LSA anzupassen. Die anschließende modellbasierte Versatzzeitoptimierung zielt auf eine gute Koordinierung der LSA ab. Anhand eines makroskopischen Verkehrsflussmodells werden die Auswirkungen unterschiedlicher Versatzzeitkombinationen abgeschätzt. Es wurden verschiedene Optimierungsalgorithmen umgesetzt, von denen zwei auf Genetischen Algorithmen basieren. Das dritte Verfahren ist deterministisch. Zu Beginn jedes Zeitintervalls müssen die neuen Signalpläne an allen LSA umgesetzt werden. Basierend auf einer Literaturanalyse und einer Simulationsstudie wurde ein störungsarmes Umschaltverfahren identifiziert und umgesetzt. Schließlich wurde der Prototyp anhand einer umfassenden Mikrosimulationsstudie bewertet. Er erreicht eine Reduzierung der Reisezeiten im Vergleich zu einer optimierten Festzeitsteuerung. Der Grad der Verbesserung hängt von den Randbedingungen des jeweiligen Netzes ab