Failure Probability Estimation and Detection of Failure Surfaces via Adaptive Sequential Decomposition of the Design Domain

We propose an algorithm for an optimal adaptive selection of points from the design domain of input random variables that are needed for an accurate estimation of failure probability and the determination of the boundary between safe and failure domains. The method is particularly useful when each evaluation of the performance function g(x) is very expensive and the function can be characterized as either highly nonlinear, noisy, or even discrete-state (e.g., binary). In such cases, only a limited number of calls is feasible, and gradients of g(x) cannot be used. The input design domain is progressively segmented by expanding and adaptively refining mesh-like lock-free geometrical structure. The proposed triangulation-based approach effectively combines the features of simulation and approximation methods. The algorithm performs two independent tasks: (i) the estimation of probabilities through an ingenious combination of deterministic cubature rules and the application of the divergence theorem and (ii) the sequential extension of the experimental design with new points. The sequential selection of points from the design domain for future evaluation of g(x) is carried out through a new learning function, which maximizes instantaneous information gain in terms of the probability classification that corresponds to the local region. The extension may be halted at any time, e.g., when sufficiently accurate estimations are obtained. Due to the use of the exact geometric representation in the input domain, the algorithm is most effective for problems of a low dimension, not exceeding eight. The method can handle random vectors with correlated non-Gaussian marginals. The estimation accuracy can be improved by employing a smooth surrogate model. Finally, we define new factors of global sensitivity to failure based on the entire failure surface weighted by the density of the input random vector.Comment: 42 pages, 24 figure

Stochastic Control for Cooperative Cyber-Physical Networking

Die stetig fortschreitende Digitalisierung erlaubt einen immer autonomeren und intelligenteren Betrieb von Produktions- und Fertigungslinien, was zu einer stärker werdenden Verzahnung der physikalischen Prozesse und der Software-Komponenten zum Überwachen, Steuern und Messen führt. Cyber-physische Systeme (CPS) spielen hierbei eine Schlüsselrolle, indem sie sowohl die physikalischen als auch die Software-Komponenten zu einem verteilten System zusammenfassen, innerhalb dessen Umgebungszustände, Messwerte und Steuerbefehle über ein Kommunikationsnetzwerk ausgetauscht werden. Die Verfügbarkeit von kostengünstigen Geräten und die Möglichkeit bereits existierende Infrastruktur zu nutzen sorgen dafür, dass auch innerhalb von CPS zunehmend auf den Einsatz von Standard-Netzen auf Basis von IEEE 802.3 (Ethernet) und IEEE 802.11 (WLAN) gesetzt wird. Nachteilig bei der Nutzung von Standard-Netzen sind jedoch auftretende Dienstgüte-Schwankungen, welche aus der gemeinsamen Nutzung der vorhandenen Infrastruktur resultieren und für die Endsysteme in Form von sich ändernden Latenzen und Daten- und Paketverlustraten sichtbar werden. Regelkreise sind besonders anfällig für Dienstgüte-Schwankungen, da sie typischerweise isochrone Datenübertragungen mit festen Latenzen benötigen, um die gewünschte Regelgüte zu garantieren. Für die Vernetzung der einzelnen Komponenten, das heißt von Sensorik, Aktorik und Regler, setzt man daher klassischerweise auf Lösungen, die diese Anforderungen erfüllen. Diese Lösungen sind jedoch relativ teuer und unflexibel, da sie den Einsatz von spezialisierten Netzwerken wie z.B. Feldbussen benötigen oder über komplexe, speziell entwickelte Kommunikationsprotokolle realisiert werden wie sie beispielsweise die Time-Sensitive Networking (TSN) Standards definieren. Die vorliegende Arbeit präsentiert Ergebnisse des interdisziplinären Forschungsprojekts CoCPN:Cooperative Cyber-Physical Networking, das ein anderes Konzept verfolgt und explizit auf CPS abzielt, die Standard-Netze einsetzen. CoCPN benutzt einen neuartigen, kooperativen Ansatz um i) die Elastizität von Regelkreisen innerhalb solcher CPS zu erhöhen, das heißt sie in die Lage zu versetzen, mit den auftretenden Dienstgüte-Schwankungen umzugehen, und ii) das Netzwerk über die Anforderungen der einzelnen Regler in Kenntnis zu setzen. Kern von CoCPN ist eine verteilte Architektur für CPS, welche es den einzelnen Regelkreisen ermöglicht, die verfügbare Kommunikations-Infrastruktur gemeinsam zu nutzen. Im Gegensatz zu den oben genannten Lösungen benötigt CoCPN dafür keine zentrale Instanz mit globaler Sicht auf das Kommunikationssystem, sodass eine enge Kopplung an die Anwendungen vermieden wird. Stattdessen setzt CoCPN auf eine lose Kopplung zwischen Netzwerk und Regelkreisen, realisiert in Form eines Austauschs von Meta-Daten über den sog. CoCPN-Translator. CoCPN implementiert ein Staukontrollverfahren, welches den typischen Zusammenhang zwischen erreichbarer Regelgüte und Senderate ausnutzt: die erreichbare Regelgüte steigt mit der Senderate und umgekehrt. Durch Variieren der zu erreichenden Regelgüte kann das Sendeverhalten der Regler so eingestellt werden, dass die vorhandenen Kommunikations-Ressourcen optimal ausgenutzt und gleichzeitig Stausituationen vermieden werden. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den regelungstechnischen Fragestellungen innerhalb von CoCPN. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Entwurf und der Analyse von Algorithmen, die auf Basis der über den CoCPN-Translator ausgetauschten Meta-Daten die notwendige Elastizität liefern und es dadurch den Reglern ermöglichen, schnell auf Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte zu reagieren. Dazu ist es notwendig, dass den Reglern ein Modell zur Verfügung gestellt wird, dass die Auswirkungen von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte erfasst. Im ersten Teil der Arbeit wird eine Erweiterung eines existierenden Modellierungs-Ansatzes vorgestellt, dessen Grundidee es ist, sowohl die Dynamik der Regelstrecke als auch den Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten durch ein hybrides System darzustellen. Hybride Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl kontinuierlich- als auch diskretwertige Zustandsvariablen besitzen. Unsere vorgestellte Erweiterung ist in der Lage, Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte abzubilden und ist nicht auf eine bestimmte probabilistische Darstellung der auftretenden Verzögerungen und Paketverluste beschränkt. Zusätzlich verzichtet unsere Erweiterung auf die in der Literatur übliche Annahme, dass Quittungen für empfangene Datenpakete stets fehlerfrei und mit vernachlässigbarer Latenz übertragen werden. Verglichen mit einem Großteil der verwandten Arbeiten, ermöglichen uns die genannten Eigenschaften daher eine realistischere Berücksichtigung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte. Mit dem entwickelten Modell kann der Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte prädiziert werden. Auf Basis dieser Prädiktion können Stellgrößen dann mit Methoden der stochastischen modellprädiktiven Regelung (stochastic model predictive control) berechnet werden. Unsere realistischere Betrachtung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte führt hierbei zu einer gegenseitigen Abhängigkeit von Regelung und Schätzung. Zur Berechnung der Stellgrößen muss der Regler den Zustand der Strecke aus den empfangenen Messungen schätzen. Die Qualität dieser Schätzungen hängt von den berechneten Stellgrößen und deren Auswirkung auf die Regelstrecke ab. Umgekehrt beeinflusst die Qualität der Schätzungen aber maßgeblich die Qualität der Stellgrößen: Ist der Schätzfehler gering, kann der Regler bessere Entscheidungen treffen. Diese gegenseitige Abhängigkeit macht die Berechnung von optimalen Stellgrößen unmöglich und bedingt daher die Fokussierung auf das Erforschen von approximativen Ansätzen. Im zweiten Teil dieser Arbeit stellen wir zwei neuartige Verfahren für die stochastische modellprädiktive Regelung über Netzwerke vor. Im ersten Verfahren nutzen wir aus, dass bei hybriden System oft sogenannte multiple model-Algorithmen zur Zustandsschätzung verwendet werden, welche den geschätzten Zustand in Form einer Gaußmischdichte repräsentieren. Auf Basis dieses Zusammenhangs und einer globalen Approximation der Kostenfunktion leiten wir einen Algorithmus mit geringer Komplexität zur Berechnung eines (suboptimalen) Regelgesetzes her. Dieses Regelgesetz ist nichtlinear und ergibt sich aus der gewichteten Kombination mehrerer unterlagerter Regelgesetze. Jedes dieser unterlagerten Regelgesetze lässt sich dabei als lineare Funktion genau einer der Komponenten der Gaußmischdichte darstellen. Unser zweites vorgestelltes Verfahren besitzt gegensätzliche Eigenschaften. Das resultierende Regelgesetz ist linear und basiert auf einer Approximation der Kostenfunktion, welche wir nur lokal, das heißt nur in der Umgebung einer erwarteten Trajektorie des geregelten Systems, berechnen. Diese Trajektorie wird hierbei durch die Prädiktion einer initialen Zustandsschätzung über den Optimierungshorizont gewonnen. Zur Berechnung des Regelgesetzes schlagen wir dann einen iterativen Algorithmus vor, welcher diese Approximation durch wiederholtes Optimieren der System-Trajektorie verbessert. Simulationsergebnisse zeigen, dass unsere neuartigen Verfahren eine signifikant höhere Regelgüte erzielen können als verwandte Ansätze aus der Literatur. Der dritte Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich erneut mit dem hybriden System aus dem ersten Teil. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Netzwerk-Modelle, das heißt die verwendeten probabilistischen Beschreibungen der Verzögerungen und Paketverluste, werden vom CoCPN-Translator auf Grundlage von im Netzwerk gesammelten Status-Informationen erzeugt. Diese Status-Informationen bilden jedoch stets nur Ausschnitte ab und können nie exakt den "Zustand” des Netzwerks repräsentieren. Dementsprechend können die resultierenden Netzwerk-Modelle nicht als fehlerfrei erachtet werden. In diesem Teil der Arbeit untersuchen wir daher den Einfluss möglicher Fehler in den Netzwerk-Modellen auf die zu erwartende Regelgüte. Weiterhin gehen wir der Frage nach der Existenz von Reglern, die robust gegenüber solchen Fehlern und Unsicherheiten sind, nach. Dazu zeigen wir zunächst, dass sich Fehler in den Netzwerk-Modellen immer als eine polytopische Parameter-Unsicherheit im hybriden System aus dem ersten Teil manifestieren. Für solche polytopischen hybride System leiten wir dann eine sowohl notwendige als auch hinreichende Stabilitätsbedingung her, was einen signifikanten Beitrag zur Theorie der hybriden Systeme darstellt. Die Auswertung dieser Bedingung erfordert es zu bestimmen, ob der gemeinsame Spektralradius (joint spectral radius) einer Menge von Matrizen kleiner als eins ist. Dieses Entscheidungsproblem ist bekanntermaßen NP-schwer, was die Anwendbarkeit der Stabilitätsbedingung stark limitiert. Daher präsentieren wir eine hinreichende Stabilitätsbedingung, die in polynomieller Zeit überprüft werden kann, da sie auf der Erfüllbarkeit von linearen Matrixungleichungen basiert. Schließlich zeigen wir, dass die Existenz eines Reglers, der die Stabilität des betrachteten polytopischen hybriden Systems garantiert, von der Erfüllbarkeit einer ähnlichen Menge von Matrixungleichungen bestimmt wird. Diese Ungleichungen sind weniger restriktiv als die bisher in der Literatur bekannten, was die Synthese von weniger konservativen Reglern erlaubt. Schließlich zeigen wir im letzten Teil dieser Arbeit die Anwendbarkeit des kooperativen Konzepts von CoCPN in Simulations-Szenarien, in denen stark ausgelastete Netzwerk-Ressourcen mit anderen Anwendungen geteilt werden müssen. Wir demonstrieren, dass insbesondere das Zusammenspiel unserer modellprädiktiven Verfahren mit dem Staukontrollverfahren von CoCPN einen zuverlässigen Betrieb der Regelkreise ohne unerwünschte Einbußen der Regelgüte auch dann ermöglicht, wenn sich die Kommunikationsbedingungen plötzlich und unvorhergesehen ändern. Insgesamt stellt unsere Arbeit somit einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einem flächendeckenden Einsatz von Standard-Netzen als flexible und adaptive Basis für industrielle CPS dar

Optimal randomized and non-randomized procedures for multinomial selection problems

Multinomial selection problem procedures are ranking and selection techniques that aim to select the best (most probable) alternative based upon a sequence of multinomial observations. The classical formulation of the procedure design problem is to find a decision rule for terminating sampling. The decision rule should minimize the expected number of observations taken while achieving a specified indifference zone requirement on the prior probability of making a correct selection when the alternative configurations are in a particular subset of the probability space called the preference zone. We study the constrained version of the design problem in which there is a given maximum number of allowed observations. Numerous procedures have been proposed over the past 50 years, all of them suboptimal. In this thesis, we find via linear programming the optimal selection procedure for any given probability configuration. The optimal procedure turns out to be necessarily randomized in many cases. We also find via mixed integer programming the optimal non-randomized procedure. We demonstrate the performance of the methodology on a number of examples. We then reformulate the mathematical programs to make them more efficient to implement, thereby significantly expanding the range of computationally feasible problems. We prove that there exists an optimal policy which has at most one randomized decision point and we develop a procedure for finding such a policy. We also extend our formulation to replicate existing procedures. Next, we show that there is very little difference between the relative performances of the optimal randomized and non-randomized procedures. Additionally, we compare existing procedures using the optimal procedure as a benchmark, and produce updated tables for a number of those procedures. Then, we develop a methodology that guarantees the optimal randomized and non-randomized procedures for a broad class of variable observation cost functions -- the first of its kind. We examine procedure performance under a variety of cost functions, demonstrating that incorrect assumptions regarding marginal observation costs may lead to increased total costs. Finally, we investigate and challenge key assumptions concerning the indifference zone parameter and the conditional probability of correct selection, revealing some interesting implications.PhDCommittee Co-Chair: Goldsman, David; Committee Co-Chair: Tovey, Craig; Committee Member: Alexopoulos, Christos; Committee Member: Kleywegt, Anton; Committee Member: Sanchez, Susa

IST Austria Thesis

We present solutions to several problems originating from geometry and discrete mathematics: existence of equipartitions, maps without Tverberg multiple points, and inscribing quadrilaterals. Equivariant obstruction theory is the natural topological approach to these type of questions. However, for the specific problems we consider it had yielded only partial or no results. We get our results by complementing equivariant obstruction theory with other techniques from topology and geometry

LIPIcs, Volume 274, ESA 2023, Complete Volume

LIPIcs, Volume 274, ESA 2023, Complete Volum

Linear Algebra

In order not to intimidate students by a too abstract approach, this textbook on linear algebra is written to be easy to digest by non-mathematicians. It is also designed such that no other material is required for an understanding of the topics covered. As the basis for courses on space and atmospheric science, remote sensing, and satellite communications, applications of the formal theory in physics and engineering are discussed as well

New Directions for Contact Integrators

Contact integrators are a family of geometric numerical schemes which guarantee the conservation of the contact structure. In this work we review the construction of both the variational and Hamiltonian versions of these methods. We illustrate some of the advantages of geometric integration in the dissipative setting by focusing on models inspired by recent studies in celestial mechanics and cosmology.Comment: To appear as Chapter 24 in GSI 2021, Springer LNCS 1282

Information Geometry

This Special Issue of the journal Entropy, titled “Information Geometry I”, contains a collection of 17 papers concerning the foundations and applications of information geometry. Based on a geometrical interpretation of probability, information geometry has become a rich mathematical field employing the methods of differential geometry. It has numerous applications to data science, physics, and neuroscience. Presenting original research, yet written in an accessible, tutorial style, this collection of papers will be useful for scientists who are new to the field, while providing an excellent reference for the more experienced researcher. Several papers are written by authorities in the field, and topics cover the foundations of information geometry, as well as applications to statistics, Bayesian inference, machine learning, complex systems, physics, and neuroscience

The art and architecture of mathematics education: a study in metaphors

This chapter presents the summary of a talk given at the Eighth European Summer University, held in Oslo in 2018. It attempts to show how art, literature, and history, can paint images of mathematics that are not only useful but relevant to learners as they can support their personal development as well as their appreciation of mathematics as a discipline. To achieve this goal, several metaphors about and of mathematics are explored