Planung vor Transportnetzen : Herausforderungen an die Tourenplanung

Die Planung von großen Transportnetzen auf strategischer, taktischer und operativer Ebene stützt sich maßgeblich auf quantitative Modelle und Verfahren. Dabei spielt die Integration der Planungsebenen, wie zum Beispiel beim Location Routing, eine große Rolle. Die Komplexität der Tourenplanung hängt zum einen von der Größe des Netzes und zum anderen von den betrachteten Nebenbedingungen ab. Effiziente Verfahren, die für unterschiedlichste Varianten des "Rich Vehicle Routing Problems" anwendbar sind, stehen im Zentrum der aktuellen Forschung. Weitere Herausforderung stellen Mischformen aus knoten- und kantenorientierten Rundreiseproblemen, dynamische Problemstellungen sowie Anforderungen der online-Planung dar

Heuristische Methode für die kombinierte Standort- und Tourenplanung für die Entwicklung eines Biogaskonzeptes

Für die folgenden diskutierten Bereiche, d. h. Bioabfall aus Haushalten, Speisereste, Abfall aus der Lebensmittelindustrie sowie Klärschlamm, werden die Biomasseströme in einer Übersicht aufgezeigt. Diese Bilanzierung umfasst sowohl die Produkte als auch die Nebenprodukte, Reststoffe oder Abfälle mit dem Ziel, diejenigen Biomasseabfallströme im Gesamtzusammenhang zu identifizieren, die aus Sicht des Klimaschutzes und der Schonung fossiler und mineralischer Ressourcen als besonders relevant eingestuft werden können bzw. deren bisherige Nutzung oder Entsorgung noch Optimierungsmöglichkeiten erkennen lassen. Die Relevanz ergibt sich demnach aus der Kombination von Masseanfall und Grad einer möglichen Optimierung. Ein Optimierungsansatz kann eine Beeinflussung des Biomassestoffstroms sein (Stoffstromlenkung oder zusätzlicher Nutzungsschritt) oder eine Optimierung auf Prozessebene bedeuten. Die als relevant erkannten Biomasseabfallströme werden einer vertiefenden Analyse unterzogen. Die erkannten Optimierungsansätze werden als Verwertungsoptionen quantitativ bilanziert und nach den verschiedenen Umweltwirkungskategorien bewertet. Maßstab ist jeweils der aktuelle oder zukünftig zu erwartende nicht optimierte Umgang mit Biomasseabfällen. Die mit der Verwertung bzw. Entsorgung verbundenen Umweltlasten werden beachtet und in die Bilanzierung miteinbezogen, d. h., die Substitution von Energie oder Produkten, die konventionell unter Nutzung von Primärrohstoffen erzeugt werden müssten. Eine Optimierung der Bewirtschaftung von Biomasseabfällen kann dabei sowohl eine bessere stoffliche als auch verstärkte energetische Nutzung bedeuten. Optimal sind dabei Nutzungskaskaden im Sinne einer Kombination von energetischer und vorheriger stofflicher Nutzung oder umgekehrt. Die wertgebenden Eigenschaften der einzelnen Biomassen lassen sich häufig nicht nur stofflich oder energetisch, sondern auch als eine Kombination aus beidem nutzen. So wird bspw. der Kohlenstoffgehalt einer Biomasse möglicherweise energetisch am Besten genutzt. Der ebenfalls wertgebende Gehalt an Pflanzennährstoffen sollte zusätzlich für eine optimierte Bewirtschaftung nicht ungenutzt bleiben

Neue Verfahren zur Effizienten Simulation Thermischer Systeme mit Translatorischen Strukturvariabilitäten

Aktuelle technologische Herausforderungen, z.B. in der Werkzeugmaschinenentwicklung, erfordern aufgrund der steigenden Genauigkeitsanforderungen an die thermische Simulation eines zu betrachtenden Systems, dass ebenfalls die Auswirkungen relevanter, translatorischer Relativbewegungen zwischen unterschiedlichen Teilen des Systems berücksichtigt werden. Das Vorgehen, diese Bewegung in den Simulationen durch diskrete Verschiebungen zwischen den Lastschritten einer transienten Analyse umzusetzen, führt bei der Verwendung einer infinit kleinen Zeitschrittweite auf die Abbildung einer kontinuierlichen Bewegung, bringt aber gleichzeitig eine problematische Steigerung des notwendigen Rechenaufwands mit sich. Die Anwendung einer langen Zeitschrittweite bei gleichzeitiger Konservierung der Ergebnisgenauigkeit stellt nun einen Ansatz dar, die Effizienz solcher Analysen über den eingesparten Aufwand der nicht auszuwertenden Lastschritte zu steigern. In dieser Arbeit wurden durch eine gezielte Partitionierung der aus einer Ortsdiskretisierung resultierenden Systemmatrizen zunächst vier qualitativ unterscheidbare Fehlerquellen identifiziert, welche die Verwendung einer groben Zeitdiskretisierung potentiell nach sich ziehen kann. Konkret gehören dazu die Leistungsfähigkeit des zur transienten Auswertung verwendeten Integrationsverfahrens, die diskrete Umsetzung der Bewegung sowie die seltene Aktualisierung der beiden Arten von Kontaktlasten. Für die einzelnen Fehler werden die möglichen Auswirkungen jeweils allgemein quantifiziert. Für zwei, dabei als relevant identifizierte Fehlerquellen werden mit der BD- und der RUMHI-Korrektur zugehörige Verfahren entwickelt, mit denen die Ergebnisgenauigkeit trotz grober Zeitdiskretisierung aufwandsarm bewahrt werden kann. Dass ein strukturvariables, thermisches Problem durch die kombinierte dieser Korrekturverfahren deutlich effizienter berechnet werden kann, wird in der Arbeit abschließend an zwei stellvertretenden Problemen beispielhaft gezeigt

Numerische Simulation des Transports in ungeordneten Vielelektronensystemen

Inhalt dieser Arbeit ist die Untersuchung der Physik des ungeordneten wechselwirkenden Elektronenproblems auf der isolierenden Seite des Metall-Isolator-Uebergangs. Als Modellsystem dient dabei ein verallgemeinertes Coulomb-Glas-Modell mit Transfermatrixelementen zwischen verschiedenen Plaetzen, das Quanten-Coulomb-Glas. Ziel ist, herauszufinden, wie sich die Elektron-Elektron-Wechselwirkung auf die Lokalisierungs- und Transporteigenschaften des Modells auswirkt. Im ersten Teil wird das Quanten-Coulomb-Glas in Hartree-Fock-Naeherung behandelt. Da diese Naeherung eine effektive Einteilchentheorie ist, koennen die Lokalisierungs- und Transporteigenschaften mit denselben Methoden wie beim Anderson-Modell der Lokalisierung untersucht werden. Es erweist sich, dasz die Wechselwirkung im Rahmen einer Einteilchen-Naeherung immer zu einer staerkeren Lokalisierung der Zustaende an der Fermienergie und damit zu einer Verschlechterung des Transports im Vergleich zum nichtwechselwirkenden System fuehrt. Dieses Ergebnis laeszt sich auch gut physikalisch verstehen. Im zweiten Teil steht die Frage nach der Gueltigkeit der Hartree-Fock-Naeherung fuer das Quanten-Coulomb-Glas im Mittelpunkt. Dazu werden die Hartree-Fock-Resultate mit Ergebnissen aus der exakten Diagonalisierung sehr kleiner Gitter verglichen. Es werden Lokalisierungskriterien entwickelt, die einen direkten Vergleich mit den Einteilchenlokalisierungsmaszen gestatten. Zur Beurteilung der Transporteigenschaften dient der Gleichstromleitwert nach dem Kubo-Greenwood-Formalismus. Es zeigt sich, dasz die Hartree-Fock-Naeherung den Transport unterschaetzt und dasz die Wechselwirkung im Vergleich zum nichtwechselwirkenden System bei schwacher Unordnung eine Verringerung des Transports und bei groszer Unordnung eine Erhoehung des Transports bewirkt. In dritten Teil werden Idee und Realisierung einer neuen Naeherung, der Hartree-Fock-basierten Diagonalisierung, diskutiert. Ueberlegungen und Untersuchungen zur Konvergenz von Grundzustandsenergie, Energie der angeregten Zustaende, Einteilchenzustandsdichte, Rueckkehrwahrscheinlichkeit und Leitwert werden vorgenommen. Ergebnisse fuer zweidimensionale Systeme mit 12, 16 und 25 Gitterplaetzen bei Halbfuellung werden vorgestellt. Auszerdem erfolgen Untersuchungen mit verschiedenen Wechselwirkungsstarken fuer ein-, zwei und dreidimensionale Systeme mit 25*1, 5*5 und 3*3*3 Gitterplaetzen. Die Resultate aus dem zweiten Teil bestaetigen sich: Fuer genuegend starke Unordnung induziert Wechselwirkung immer eine staerkere Delokalisierung, fuer genuegend kleine Unordnung immer eine staerkere Lokalisierung.This work investigates the physics of the disordered interacting electron problem on the isolating side of the metal-insulator-transition. A generalized Coulomb-Glass with transfermatrixelements between next neighbours - the Quantum-Coulomb-Glass - serves as model system. The goal is to find out how electron-electron interaction influences the localization and transport properties of the model. In the first part the Quantum-Coulomb-Glass is treated at Hartree-Fock level. Because this approximation is an effective one-particle theory localization and transport properties can be investigated with the same methods as in the Anderson-Model of localization. It ist found that interaction in the framework of an one-particle approximation always leads to an enhanced localization of the states near the Fermi-energy in comparison to the nonintercting system. This also can be well understood within different physically argumentations. The second part centers around the question how valid Hartree-Fock approximation is. Thus Hartree-Fock results are compared with results for exact diagonalization of small lattices. Criteria of localization are developed which allow a direct comparison to measures of single-particle localization. The transport-properties are measured by the zero frequency Kubo-conductance. It shows that Hartree-Fock approximation underestimates the transport and that interaction leads to a decrease of transport in the region of small disorder and to an increase for strong disorder. The third part discusses idea and realisation of a new approximation - the Hartree-Fock-based diagonalization. Aguments and investigations about convergence of ground-state-energy, excited-state-energy, single-particle density of states, return probability and conductance are shown. Results for systems in two dimensions with 12, 16 and 25 sites and half filling are presented. Additionally different interaction strenghts for one-, two- and three-dimensional systems with 25*1, 5*5 and 3*3*3 sites are investigated. The results from part two are hardened: Interaction always leads to enhanced delocalization if disorder is strong enough and always leads to enhanced localization if disorder is small enough

Modelle und Verfahren für die innerbetriebliche Versorgungslogistik von Bergwerken

Eine Vielzahl der Rohstoffe, die in unserer Zeit industriell verarbeitet werden, wird im Bergbau gewonnen. Die vorliegende Arbeit hat den Abbau von Kalisalz unter Tage vor Augen. Der Abbau von Salz in großen Mengen erfordert den Einsatz von Maschinen. Für deren Instandhaltung sowie die Versorgung mit Betriebsstoffen stehen unter Tage Werkstätten und Lager zur Verfügung. Zur Gewährleistung eines reibungslosen Abbaus sind zahlreiche Transporttätigkeiten erforderlich. Zu transportieren sind beispielsweise Maschinenöle, Baumaterialien, Ersatzteile, defekte Maschinenteile und Abfälle. Die möglichen Strecken zur Nutzung für Transporte sind durch das Grubengebäude vorgegeben. Das Grubengebäude wächst mit fortschreitendem Abbau der Lagerstätte, wobei im Wesentlichen die räumliche Ausdehnung der Lagerstätte die resultierende Gestalt des Grubengebäudes bestimmt. Das Streckennetz eines Grubengebäudes, das die verfügbaren Fahrwege für Fahrzeuge definiert, weist in der Regel wenig Redundanzen auf. Gründe dafür sind zum einen der Aufwand der Auffahrung von Strecken und zum anderen der Aufwand für die kontinuierliche Sicherung aller zugänglichen Bereiche des Grubengebäudes. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Bäume und die neu eingeführte Struktur des Brückengraphen, als eine verallgemeinerte Baumstruktur, zur Darstellung des Streckennetzes eines Bergwerks verwendet. Als Problemstellungen werden die kapazitierte Tourenplanung auf Bäumen und Brückengraphen, der Ein- und Mehr-Fahrzeug-Fall des Gabelstaplerproblems auf Bäumen und schließlich die Planungsaufgabe einer Transportabteilung, die Abrollcontainer zur Durchführung von Transportaufträgen nutzt, untersucht. Für die kapazitierte Tourenplanung wird auf die Besonderheit der Problemstellung mit einer Baumstruktur eingegangen. Auf den Erkenntnissen basierend werden zwei mathematische Modelle für Brückengraphen als Streckennetz der Problemstellung vorgestellt. Zusätzlich wird ein zweistufiges Verfahren zur Näherung einer guten Lösung beschrieben. Die Anforderungen an das Gabelstaplerproblem auf Bäumen im Ein- und Mehr-Fahrzeugfall (MV)-TSCP werden beschrieben und auf dieser Grundlage mathematische Modelle formuliert. Weiter werden Möglichkeiten zur Komprimierung der Instanzen beschrieben. Während manche Instanzen des TSCP mit linearem Aufwand gelöst werden können, ist bei Vorliegen von Kurzzyklen aus Aufträgen im Allgemeinen die Lösung eines Steinerbaumproblems erforderlich. Die betrachtete Planungsaufgabe einer Transportabteilung unterstellt fünf Basistypen von Aufträgen und ermöglicht durch deren Verknüpfung die Abbildung zahlreicher weiterer Transporttätigkeiten. Die Berücksichtigung heterogener Mitarbeiter und Fahrzeuge sowie von Kompatibilitäten zwischen Fahrzeugen, Mitarbeitern, Material- und Containertypen ermöglicht die Abbildung realer Situationen. Die Transporttätigkeiten werden als Aufträge verwaltet. Innerhalb der Planungsperiode können nicht alle Aufträge durchgeführt werden, sodass eine Auswahl zu treffen ist. Ein gemischt-ganzzahliges, lineares Modell wird für die Problemstellung formuliert. Im Anschluss wird eine Möglichkeit zur Integration einer Pausenregelung in das Modell erläutert und ein Vorgehen zur Einbeziehung einer Priorisierung bei der Bestimmung von Nutzenwerten vorgestellt. Ein deterministisches, heuristisches Lösungsverfahren wird beschrieben. Anschließend werden eine Verfahrensvariante und die Möglichkeiten zur Erweiterung der Verfahrensvarianten zu Multi-Start-Verfahren vorgestellt. Die vorgestellten Modelle und Verfahren werden in Testläufen gegenübergestellt. Dafür kommt für mathematische Modelle kommerzielle Optimierungssoftware zum Einsatz. Die Resultate der Testläufe werden in der Arbeit beschrieben. Bezüglich der als Planungsaufgabe einer Transportabteilung untersuchten Problemstellung liefern alle Varianten des heuristischen Verfahrens gegenüber der kommerziellen Optimierungssoftware bessere Lösungen.Many of today's industrially processed raw materials are extracted in mines. Mining raw materials in large quantities requires machinery. Underground workshops and warehouses are available for their maintenance and the supply of operating materials. To ensure that mining runs smoothly, numerous transport activities are required. For example, machine oils, construction materials, spare parts, defective machine parts and waste need to be transported. The possible routes for transport are determined by the mine system. The mine system grows as the deposit is mined, with the spatial extent of the deposit largely determining the resulting shape of the mine system. The road network of a mine system, which defines the available routes for vehicles, usually has few redundancies. The reasons for this are, on the one hand, the cost of excavating the routes and, on the other hand, the effort required to continuously secure all accessible areas of the mine system. In the context of the present work, trees and the newly introduced structure of the bridge graph as a generalised tree structure are used to represent the road network of a mine. As problems, the capacitated routing problem on trees and bridge graphs, the single and multi-vehicle case of the stacker crane problem on trees and, finally, the planning task of a transport department using roll-off containers for the execution of transport jobs are investigated. For the capacitated routing problem, the specificity of the problem with a tree structure is addressed. Based on the findings, two mathematical models for the problem with bridge graphs as the network are presented. In addition, a two-step procedure for approximating a good solution is described. The requirements for the stacker crane problem on trees in the single and multi-vehicle (MV)TSCP cases are described. On this basis, mathematical models are formulated. In addition, ways of compressing the instances of the problem are described. While some instances of the TSCP can be solved with linear effort, the presence of short cycles between jobs generally requires the solution of a steiner tree problem. The considered planning task of a transport department assumes five basic types of jobs and allows the mapping of numerous other transport activities by linking them. The consideration of heterogeneous employees and vehicles as well as compatibilities between vehicles, employees, material and container types enables the mapping of real situations. Transport activities are managed as jobs. Not all jobs can be executed within the planning period, so jobs must be selected. A mixed integer linear model is formulated for the problem. A way of incorporating a break rule into the model is then explained, and a procedure for incorporating prioritisation into the determination of utility values is presented. A deterministic heuristic solution procedure is described. A variant of the procedure is then presented, together with the possibility of extending the procedure to multi-start procedures. The models and methods presented are tested and compared. For this purpose, commercial optimisation software for mathematical models is used. The results of the test runs are described in the paper. With regard to the investigated problem as a planning task of a transport department, all variants of the heuristic procedure provide better solutions than the commercial optimisation software

Energieforschung Teil 1 und 2: Manuskripte der Vorlesungen des 2. Jülicher Ferienkurses "Energieforschung" vom 22. September bis 2. Oktober 1996 im Forschungszentrum Jülich

Mit dem 2. Ferienkurs $\textit{Energieforschung}$ wenden sich die Veranstalter erneut an Studierende und jüngere WissenschaftlerInnen auf dem Gebiet $\textit{Energieforschung}$. Der Ferienkurs vemittelt Kenntnisse im Umfeld von Technik, Wirtschaft und Wissenschaft. Im Vordergrund steht die ganzheitliche Betrachtung energietechnischer und energiewirtschaftlicher Systeme mit ihren Auswirkungen auf die Umwelt. In Anbetracht der Komplexität der zu betrachtenden Systeme kann dies nur an Hand ausgewählter Beispiele erfolgen. Ein Blick auf Themen, die in der (deutschen) Energiewirtschaft gegenwärtig diskutiert werden, zeigt, daß zum Teil beachtliche Fortschritte zu verzeichnen sind: • Die Modernisierung des Kraftwerkparks, insbesondere in den neuen Bundesländern, schreitet weiter voran. Hier sei beispielhaft das Braunkohlen-Großkraftwerk in Schkopau genannt, das 1996 in Betrieb genommen wurde. Fortschritte sind nicht nur auf dem Gebiet der konventionellen Kraftwerkstechnik zu verzeichnen, sondern auch bei zukünftigen Optionen. Das Fusionsexperiment WENDEL STEIN 7-X erhielt eine Finanzierungszusage der Kommission der EG über Investitionen von 320 Mio. DM. • Die regenerativen Energiequellen werden zunehmend stärker auch bei größeren Demonstrationsvorhaben genutzt. Das in Betrieb genommene Solarkraftwerk des Wissenschaftspark Gelsenkirchen besitzt die derzeit größte, auf einem Dach errichtete Solaranlage der Welt. Die Betreiber rechnen mit 190000 kWh Solarstrom pro Jahr. Die Rolle der regenerativen Energiequellen und ihr Beitrag zur Stromversorgung in Deutschland wird gegenwärtig am Stromeinspeisegesetz problematisiert. • Seit April 1995 gilt die Umweltaudit-Verordnung zur Verbesserung des betrieblichen Umweltschutzes in allen Mitgliedsstaaten der Europäischen Union. Die Gas-, Elektrizitätsund Wasserwerke Köln AG ist das erste Energieversorgungsunternehmen in Deutschland, das eine validierte Umwelterkiärung abgegeben hat und in das EG-Verzeichnis der eingetragenen Standorte aufgenommen wurde. • Die energiepolitische Komponente der Diskussion um den Standort Deutschland geht von einem stagnierenden Primärenergiebedarf sowie einer zunehmenden Integration in den europäischen Energiemarkt aus. Innerhalb der EU zeichnet sich ein Kompromiß über die Gestaltung der ersten Schritte zu einem Binnenmarkt ab. Die leitungsgebundene Energiewirtschaft steht in diesem Zusammenhang mit der zu erwartenden Änderung des Energiewirtschafts- und Kartellgesetzes vor großen Veränderungen, die bis in die Organisationsstruicturen der Unternehmen ausstrahlen. • Die internationale Situation läßt sich zum einen durch eine voraussichtlich auf längere Sicht weiter steigende Nachfrage nach Primärenergie und auf der anderen Seite durch Maßnahmen zum Klimaschutz charakterisieren. Die Wechselwirkungen und Implikationen dieser beiden zum Teil gegenläufigen Trends waren Gegenstand der Weltenergiekonferenz in Tokio. Joint Implementation scheint als Instrument geeignet, einen Kompromiß zwischen technischen Möglichkeiten in den hochindustrialisierten Ländern und einer wachsenden Nachfrage nach Energie in den weniger entwickelten Ländern mit hohem Wirtschaftswachstum zu bieten. Die im Sommer 1996 publizierten Ergebnisse des Intergovemmental Panel on Climate Change (IPCC) bestätigen und präzisieren die Kenntnisse über den anthropogenen Treibhauseffekt. Sie liefern die Grundlage rur eine Beratung von weitergehenden Maßnahmen zum Klimaschutz. [...