A System of Interaction and Structure III: The Complexity of BV and Pomset Logic

Pomset logic and BV are both logics that extend multiplicative linear logic (with Mix) with a third connective that is self-dual and non-commutative. Whereas pomset logic originates from the study of coherence spaces and proof nets, BV originates from the study of series-parallel orders, cographs, and proof systems. Both logics enjoy a cut-admissibility result, but for neither logic can this be done in the sequent calculus. Provability in pomset logic can be checked via a proof net correctness criterion and in BV via a deep inference proof system. It has long been conjectured that these two logics are the same. In this paper we show that this conjecture is false. We also investigate the complexity of the two logics, exhibiting a huge gap between the two. Whereas provability in BV is NP-complete, provability in pomset logic is $\Sigma_2^p$-complete. We also make some observations with respect to possible sequent systems for the two logics

Pitfalls and Shortcomings for Decompositions and Alignment (Full Version)

In this paper we, for the first time, study the question under which circumstances decomposing a round function of a Substitution-Permutation Network is possible uniquely. More precisely, we provide necessary and sufficient criteria for the non-linear layer on when a decomposition is unique. Our results in particular imply that, when cryptographically strong S-boxes are used, the decomposition is indeed unique. We then apply our findings to the notion of alignment, pointing out that the previous definition allows for primitives that are both aligned and unaligned simultaneously. As a second result, we present experimental data that shows that alignment might only have limited impact. For this, we compare aligned and unaligned versions of the cipher PRESENT

On the decomposition threshold of a given graph

We study the $F$-decomposition threshold $\delta_F$ for a given graph $F$. Here an $F$-decomposition of a graph $G$ is a collection of edge-disjoint copies of $F$ in $G$ which together cover every edge of $G$. (Such an $F$-decomposition can only exist if $G$ is $F$-divisible, i.e. if $e(F)\mid e(G)$ and each vertex degree of $G$ can be expressed as a linear combination of the vertex degrees of $F$.) The $F$-decomposition threshold $\delta_F$ is the smallest value ensuring that an $F$-divisible graph $G$ on $n$ vertices with $\delta(G)\ge(\delta_F+o(1))n$ has an $F$-decomposition. Our main results imply the following for a given graph $F$, where $\delta_F^\ast$ is the fractional version of $\delta_F$ and $\chi:=\chi(F)$: (i) $\delta_F\le \max\{\delta_F^\ast,1-1/(\chi+1)\}$; (ii) if $\chi\ge 5$, then $\delta_F\in\{\delta_F^{\ast},1-1/\chi,1-1/(\chi+1)\}$; (iii) we determine $\delta_F$ if $F$ is bipartite. In particular, (i) implies that $\delta_{K_r}=\delta^\ast_{K_r}$. Our proof involves further developments of the recent `iterative' absorbing approach.Comment: Final version, to appear in the Journal of Combinatorial Theory, Series

Consensus Algorithms for Estimation and Discrete Averaging in Networked Control Systems

In this thesis several topics on consensus and gossip algorithms for multi-agent systems are addressed. An agent is a dynamical system that can be fully described by a state-space representation of its dynamics. A multi-agent system is a network of agents whose pattern of interactions or couplings is described by a graph. Consensus problems in multi-agent systems consist in the study of local interaction rules between the agents such that as global emergent behavior the network converges to the so called "consensus" or "agreement" state where the value of each agent's state is the same and it is possibly a function of the initial network state, for instance the average. A consensus algorithm is thus a set of local interaction rules that solve the consensus problem under some assumptions on the network topology. A gossip algorithm is a set of local state update rules between the agents that, disregarding their objective, are supposed to be implemented in a totally asynchronous way between pairs of neighboring agents, thus resembling the act of "gossiping" in a crowd of people. In this thesis several algorithms based on gossip that solve the consensus and other related problems are presented. In the �first part, several solutions to the consensus problem based on gossip under different sets of assumptions are proposed. In the fi�rst case, it is assumed that the state of the agents is discretized and represents a collection of tasks of different size. In the second case, under the same discretization assumptions of the �rst case, it is assumed that the network is represented by a Hamiltonian graph and it is shown how under this assumption the convergence speed can be improved. In the third case, a solution for the consensus problem for networks represented by arbitrary strongly connected directed graphs is proposed, assuming that the state of the agents is a real number. In the fourth case, a coordinate-free consensus algorithm based on gossip is designed and applied to a network of vehicles able to sense the relative distance between each other but with no access to absolute position information or to a common coordinate system. The proposed algorithm is then used to build in a decentralized way a common reference frame for the network of vehicles. In the second part, a novel local interaction rule based on the consensus equation is proposed together with an algorithm to estimate in a decentralized way the spectrum of the Laplacian matrix that encodes the network topology. As emergent behavior, each agent's state oscillates only at frequencies corresponding to the eigenvalues of the Laplacian matrix thus mapping the spectrum estimation problem into a signal processing problem solvable using the Fourier Transform. It is further shown that the constant component of the emergent behavior in the frequency domain solves the consensus on the average problem. The spectrum estimation algorithm is then applied to leader-follower networks of mobile vehicles to infer in a decentralized way properties such as controllability, osservability and other topological features of the network such as its topology. Finally, a fault detection and recovery technique for sensor networks based on the so called motion-probes is presented to address the inherent lack of robustness against outlier agents in networks implementing consensus algorithms to solve the distributed averaging problem

Combinatorial Problems in Energy Networks - Graph-theoretic Models and Algorithms

Energienetze bilden das Rückgrat unserer Gesellschaft, die unter anderem unsere Nahrungskette und andere wichtige Infrastrukturen, wie die Wasser- und Wärmeversorgung, bestimmen. Um die grundlegenden menschlichen Bedürfnisse zu befriedigen, müssen wir ein nachhaltigeres und umweltfreundlicheres Verhalten im Allgemeinen und in Energienetzen im Speziellen an den Tag legen. In dieser Arbeit geht es um Energienetze, wobei wir uns auf Stromnetze spezialisieren und uns darauf fokussieren, wie wir die vorhandene Infrastruktur besser ausnutzen können. Wir merken an, dass die Ergebnisse aus dieser Arbeit auch auf andere Energienetze übertragen werden können [Gro+19] und bestimmte auftretende Phänomene legen es nahe, dass sich einige Ergebnisse eventuell auch auf Verkehrsnetze übertragen lassen. Diese Arbeit besteht aus vier inhaltlichen Teilen. Der erste Teil beschäftigt sich mit der Funktionsweise und Struktur von elektrischen Flüssen. Der zweite und dritte inhaltliche Teil der Arbeit beschäftigt sich jeweils mit der effizienten Ausnutzung der vorhandenen Energienetzinfrastruktur. Dabei verstehen wir hier unter effizienter Ausnutzung entweder die Maximierung der Gesamterzeugung und die damit verbundene Erweiterung des Betriebspunktes oder die Minimierung der Erzeugungskosten verstehen. Das elektrische Netz besteht aus drei Spannungsebenen, die wir als Hoch-, Mittel-, und Niederspannungsebene bezeichnen. Das traditionelle elektrische Netz ist auf eine zentrale Energieversorgung ausgelegt, bei der die Erzeuger sich in der Hochspannungsebene befinden. Der elektrische Fluss im klassischen Sinne fließt von der Hoch- in die Mittel- und Niederspannungsebene. Die industriellen Verbraucher befinden sich zumeist auf der Mittelspannungsebene, während sich die Haushalte und kleineren Industrien in der Niederspannungsebene befinden. Durch nachhaltige Erzeuger, die ihre Energie aus erneuerbaren Energien wie beispielsweise Wind gewinnen, findet nun ein Paradigmenwechsel im elektrischen Netz statt. Diese nachhaltigen Erzeuger befinden sich zumeist im Nieder- und Mittelspannungsnetz und der elektrische Fluss könnte nun bidirektional fließen. Dieser Paradigmenwechsel kann zu Engpässen und anderen Problemen führen, da das elektrische Netz für ein solches Szenario nicht konzipiert ist. Eine Hauptaufgabe dieser Arbeit war die Identifizierung von Problemstellungen in elektrischen Netzen. Die extrahierten Problemstellungen haben wir dann in graphentheoretische Modelle übersetzt und Algorithmen entwickelt, die oftmals Gütegarantien besitzen. Wir haben uns dabei zunächst auf die Modellierung von elektrischen Netzen und das Verhalten von Flüssen in diesen Netzen mit Hilfe von Graphentheorie konzentriert. Zur Modellierung des elektrischen Flusses nutzen wir eine linearisierte Modellierung, die mehrere vereinfachende Annahmen trifft. Diese linearisierte Modellierung ist für Hochspannungsnetze im Allgemeinen eine gute Annäherung und macht das Entscheidungsproblem für elektrische Flüsse, das heißt, ob ein gültiger elektrischer Fluss für eine bestimmte Konfiguration des Netzes und für einen bestimmten Verbrauch und eine bestimmte Erzeugung existiert, in Polynomialzeit lösbar. Leistungsfluss. Fokusiert man sich auf das vereinfachte Zulässigkeitsproblem von elektrischen Flüssen und den Maximalen Leistungsflüssen, so existieren verschiedene mathematische Formulierungen, die den Leistungsfluss beschreiben. Auf allgemeinen Graphen ist es oftmals der Fall, dass graphentheoretischen Flüsse keine zulässigen Leistungsflüsse darstellen. Im Gegensatz zu graphentheoretischen Flüssen balancieren sich Leistungsflüsse. Wir diskutieren diese Eigenschaft aus graphentheoretischer Sicht. Die verschiedenen mathematischen Formulierungen geben uns strukturelle Einblicke in das Leistungsflussproblem. Sie zeigen uns die Dualität der zwei Kirchhoffschen Regeln. Diese nutzen wir um einen algorithmischen Ansatz zur Berechnung von Leistungsflüssen zu formulieren, der zu einem Algorithmus für Leistungsflüsse auf planaren Graphen führen könnte. Die Einschränkung auf planare zweifachzusammenhängende Graphen ist vertretbar, da elektrische Netze im Allgemeinen planar sind [COC12,S.13]. Zudem hilft uns diese Sichtweise, um Analogien zu anderen geometrischen Problemen herzustellen. Kontinuierliche Änderungen. Da graphentheoretische Flüsse sich in vielen Fällen anders als elektrische Flüsse verhalten, haben wir versucht, das Stromnetz mittels Kontrolleinheiten so auszustatten, dass der elektrische Fluss den gleichen Wert hat wie der graphentheoretische Fluss. Um dieses Ziel zu erreichen, platzieren wir die Kontrolleinheiten entweder an den Knoten oder an den Kanten. Durch eine Suszeptanz-Skalierung, die durch die Kontrolleinheiten ermöglicht wird, ist es nun prinzipiell möglich jeden graphentheoretischen Fluss elektrisch zulässig zu machen. Dabei konnten wir zeigen, dass das gezielte Platzieren von Kontrolleinheiten die Kosten der Erzeugung von elektrischer Leistung durch Generatoren im elektrischen Netz senken kann und den Betriebspunkt des Netzes in vielen Fällen auch erweitert. Platziert man Kontrolleinheiten so, dass der verbleibende Teil (d.h. das Netz ohne die Kontrolleinheiten) ein Baum oder Kaktus unter geeigneter Begrenzung der Kapazitäten ist, so ist es möglich, jeden graphentheoretischen Fluss als elektrisch zulässigen Fluss mit gleichwertigen Kosten zu realisieren. Die Kostensenkung und die Erweiterung des Betriebspunktes konnten wir experimentell auf IEEE-Benchmark-Daten bestätigen. Diskrete Änderungen. Die oben beschriebenen Kontrolleinheiten sind eine idealisierte, aktuell nicht realisierbare Steuereinheit, da sie den elektrischen Fluss im gesamten Leistungsspektrum einstellen können. Damit ist vor allem gemeint, dass sie den elektrischen Fluss auf einer Leitung von „Die Leitung ist abgeschaltet.“ bis zur maximalen Kapazität stufenlos einstellen können. Diese Idealisierung ist auch ein großer Kritikpunkt an der Modellierung. Aus diesem Grund haben wir versucht, unser Modell realistischer zu gestalten. Wir haben zwei mögliche Modellierungen identifiziert. In der ersten Modellierung können Leitungen ein- und ausgeschaltet werden. Dieser Prozess wird als Switching bezeichnet und kann in realen Netzen mittels Circuit Breakers (dt. Leistungsschaltern) realisiert werden. Die zweite Modellierung kommt der Kontrolleinheiten-Modellierung sehr nahe und beschäftigt sich mit der Platzierung von Kontrolleinheiten, die die Suszeptanz innerhalb eines gewissen Intervalls einstellen können. Diese wirkt im ersten Moment wie eine Verallgemeinerung der Schaltungsflussmodellierung. Nutzt man jedoch eine realistischere Modellierung der Kontrolleinheiten, so ist das Einstellen der Suszeptanz durch ein Intervall begrenzt, das das Ausschalten einer Leitung nicht mit beinhaltet. Sowohl ein optimales (im Sinne der Minimierung der Gesamterzeugungskosten oder der Maximierung des Durchsatzes) Platzieren von Switches als auch ein optimales Platzieren von Kontrolleinheiten ist im Allgemeinen NP-schwer [LGH14]. Diese beiden Probleme ergänzen sich dahingehend, dass man den maximalen graphentheoretischen Fluss, mit den zuvor genannten Platzierungen annähern kann. Für Switching konnten wir zeigen, dass das Problem bereits schwer ist, wenn der Graph serien-parallel ist und das Netzwerk nur einen Erzeuger und einen Verbraucher besitzt [Gra+18]. Wir haben sowohl für den Maximalen Übertragungsschaltungsfluss (engl. Maximum Transmission Switching Flow; kurz MTSF) als auch für den optimalen Übertragungsschaltungsfluss (engl. Optimal Switching Flow; kurz OSF) erste algorithmische Ansätze vorgeschlagen und gezeigt, dass sie auf bestimmten graphentheoretischen Strukturen exakt sind, und dass auf anderen graphentheoretischen Strukturen Gütegarantien möglich sind [Gra+18]. Die Algorithmen haben wir dann auf allgemeinen Netzen evaluiert. Simulationen führen zu guten Ergebnissen auf den NESTA-Benchmark-Daten. Erweiterungsplanung auf der Grünen Wiese. Eine vom Rest der Arbeit eher losgelöste Fragestellung war die Verkabelung von Windturbinen. Unter Verwendung einer Metaheuristik haben wir gute Ergebnisse im Vergleich zu einem „Mixed Integer Linear Program“ (MILP; dt. gemischt-ganzzahliges lineares Programm) erzielt, das wir nach einer Stunde abgebrochen haben. Die Modellierung der Problemstellung und die Evaluation des Algorithmus haben wir auf der ACM e-Energy 2017 veröffentlicht [Leh+17]. Schlusswort. Abschließend kann man sagen, dass mit dieser Arbeit allgemeine, tiefliegende Aussagen über elektrische Netze getroffen wurden, unter der Berücksichtigung struktureller Eigenschaften unterschiedlicher Netzklassen. Diese Arbeit zeigt wie das Netz ausgestaltet sein muss, um bestimmte Eigenschaften garantieren zu können und zeigt verschiedene Lösungsansätze mit oft beweisbaren Gütegarantien auf

Switchings, extensions, and reductions in central digraphs

AbstractA directed graph is called central if its adjacency matrix A satisfies the equation A2=J, where J is the matrix with a 1 in each entry. It has been conjectured that every central directed graph can be obtained from a standard example by a sequence of simple operations called switchings, and also that it can be obtained from a smaller one by an extension. We disprove these conjectures and present a general extension result which, in particular, shows that each counterexample extends to an infinite family