Self-Evaluation Applied Mathematics 2003-2008 University of Twente

This report contains the self-study for the research assessment of the Department of Applied Mathematics (AM) of the Faculty of Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science (EEMCS) at the University of Twente (UT). The report provides the information for the Research Assessment Committee for Applied Mathematics, dealing with mathematical sciences at the three universities of technology in the Netherlands. It describes the state of affairs pertaining to the period 1 January 2003 to 31 December 2008

A planning board generator. Part I: Problem instances and types

A planning board is a planning tool that uses the Gantt chart as its main representation mechanism. A planning board generator aims at facilitating the development of planning boards; using a description of the problem type for which a planning board is to be developed and the desired representations and manipulations, the generator automatically creates a prototype of the planning board. In this paper we discuss our view of a planning board generator and introduce a method to describe problem instances and types

Planar 3-dimensional assignment problems with Monge-like cost arrays

Given an $n\times n\times p$ cost array $C$ we consider the problem $p$-P3AP which consists in finding $p$ pairwise disjoint permutations $\varphi_1,\varphi_2,\ldots,\varphi_p$ of $\{1,\ldots,n\}$ such that $\sum_{k=1}^{p}\sum_{i=1}^nc_{i\varphi_k(i)k}$ is minimized. For the case $p=n$ the planar 3-dimensional assignment problem P3AP results. Our main result concerns the $p$-P3AP on cost arrays $C$ that are layered Monge arrays. In a layered Monge array all $n\times n$ matrices that result from fixing the third index $k$ are Monge matrices. We prove that the $p$-P3AP and the P3AP remain NP-hard for layered Monge arrays. Furthermore, we show that in the layered Monge case there always exists an optimal solution of the $p$-3PAP which can be represented as matrix with bandwidth $\le 4p-3$. This structural result allows us to provide a dynamic programming algorithm that solves the $p$-P3AP in polynomial time on layered Monge arrays when $p$ is fixed.Comment: 16 pages, appendix will follow in v

Integer programming methods for large-scale practical classroom assignment problems

In this paper we present an integer programming method for solving the Classroom Assignment Problem in University Course Timetabling. We introduce a novel formulation of the problem which generalises existing models and maintains tractability even for large instances. The model is validated through computational results based on our experiences at the University of Auckland, and on instances from the 2007 International Timetabling Competition. We also expand upon existing results into the computational difficulty of room assignment problems

Cyclic Railway Timetable Optimization

Cyclic Railway Timetable Optimization describes mathematical models and solution methods for constructing high quality cyclic railway timetables. In a cyclic timetable, a train for a certain destination leaves a certain station at the same time every cycle time, say every half an hour, every hour, or every two hours. Cyclic timetables are widely used in European railways. They offer a clear and transparant product to the railway customers, who only need to memorize the minutes of the hour at which their regular trains depart. Because of the important role of timetable planning for railway operators and railway infrastructure managers, models and methods for optimizing cyclic railway timetables provide a valuable tool for these organizations. The thesis presents a mathematical model for optimizing cyclic railway timetables, and studies the theoretical aspects behind the model. The investigated aspects include cyclic sequencing, periodic tensions, cycles in graphs, cycle bases of graphs, algorithms for constructing cycle bases, and cutting planes for the model. The developed theoretical ideas are tested on some real-life cyclDoor de nog altijd toenemende mobiliteit, de privatisering van de Nederlandse Spoor- wegen in 1995, en de vertragingen en punctualiteitsproblemen op het spoor, zijn de spoorwegen en hun dienstregelingen de laatste jaren een veelbesproken onderwerp ge- weest in Nederland. De verwachting is dat het spoor mede een antwoord kan bieden op voorspelde verdere groei van de mobiliteit. Tegen deze achtergrond bestudeert dit proefschrift wiskundige modellen en oplossingsmethoden voor het ontwikkelen van cyclische dienstregelingen van hoge kwaliteit. De Nederlandse dienstregeling, waar elk uur in principe identiek is, is een voorbeeld van zo'n cyclische dienstregeling. Hoofdstuk 1 van het proefschrift betoogt dat het snel kunnen ontwerpen van dienstregelingen van hoge kwaliteit van groot belang is zowel voor infrastructuurbe- heerders, zoals Railned, als voor vervoerders, zoals NS Reizigers. Een van de taken van Railned is het adviseren van de Nederlandse overheid over investeringen in nieu- we spoorweg infrastructuur. Dergelijke grote infrastructuur investeringen moeten een extra vervoerscapaciteit over een lange tijdshorizon bieden. Railned evalueert daartoe een scala aan infrastructuur-scenario's, door voor elk scenario verschillende dienstregelingen te ontwerpen. Deze dienstregelingen worden vergeleken aan de hand van diverse criteria, zoals vervoersaanbod en robuustheid. Met de invoering van con- currentie op het Nederlandse spoor heeft Railned daarnaast de taak gekregen om uit de dienstregelingsvoorstellen van de diverse vervoerders een gezamenlijke dienstre- geling samen te stellen. Deze gezamenlijk dienstregeling moet het maatschappelijke nut maximaliseren, door bijvoorbeeld korte reistijden te bieden, of door het aantal verwachte vertragingen zoveel mogelijk te beperken. Wat betreft de vervoerder NS Reizigers speelt het snel kunnen ontwerpen van dienstregelingen van hoge kwaliteit een rol bij het uitvoeren van tactische en stra- tegische studies. Tactische studies onderzoeken de haalbaarheid van wijzigingen in de huidige dienstregeling, en strategische studies richten zich op het verkennen van nieuwe dienstregelingsconcepten voor de toekomst. Hoe sneller dergelijke dienstre- gelingsstudies uitgevoerd kunnen worden, des te sneller en beter kan een vervoerder inspelen op veranderingen in de vervoersmarkt. Daarnaast biedt het grote voorde- len als diverse dienstregelingscriteria, zoals kosten of de tevredenheid van passagiers, gekwantificeerd en tegen elkaar afgewogen kunnen worden. Wiskundige modellen en oplossingsmethoden om dienstregelingen te optimaliseren bieden daarom een waar- devolle ondersteuning bij de dienstregelingsplanning van infrastructuurbeheerders en vervoerders. Hoofdstuk 2 van het proefschrift gaat dieper in op de planning van dienstregelin- gen. Bij het ontwerpen van een dienstregeling moeten de diverse afhankelijkheden met andere planningen, zoals de lijnvoering en de personeelsplanning, in acht wor- den genomen, en vice versa. Verder beschrijft het hoofdstuk hoe de dienstregeling door Railned gebruikt wordt als een instrument om de capaciteit van toekomstige infrastructuur uitbreidingen te evalueren. Nadat de sociale en organisatorische achtergrond van het dienstregelingsontwerp uitvoerig behandeld zijn, beschrijft hoofdstuk 3 een geheeltallig programmeringsmo- del voor het optimaliseren van dienstregelingen, genaamd het Cyclic Railway Ti- metabling Problem (CRTP). Het CRTP modelleert een dienstregeling aan de hand van aankomsttijden en vertrektijden van treinen op de diverse knooppunten in het spoorwegnet. Door uitvoerige voorbeeld-restricties wordt duidelijk gemaakt hoe de diverse voorwaarden waaraan een dienstregeling moet voldoen, zoals aansluitingen en veiligheidseisen, kunnen worden gemodelleerd. Het hoofdstuk beschrijft verder li- neaire doelstellingsfuncties die gericht zijn op het minimaliseren van de reistijden, het maximaliseren van de robuustheid van de dienstregeling, en het minimaliseren van de mate waarin

Using Case Studies in Engineering Ethics Education: the case for immersive scenarios through stakeholder engagement and real life data

Our contribution is part of a broader study conducted in cooperation with the national accreditation body Engineers Ireland that examined the conceptualisation and education of ethics in engineering programmes in Ireland. The paper is a qualitative examination of the use of case studies in engineering ethics education and includes 23 engineering programmes from 6 higher education institutions in Ireland. The qualitative study aims to determine (RQ1) how cases are selected, (RQ2) the goals envisioned for engineering ethics case instruction, (RQ3) the characteristics of the scenarios employed and (RQ4) the preferred application by instructors. A first finding notes the diverse set of goals and application of ethics case studies. The focus is more on decision-making in professional contexts and less on power relations, equity and the broader societal mission of engineering. The second finding highlights the discrepancy between how instructors employ cases and their preferred application. Engineering ethics cases typically include individualistic, hypothetical and historical scenarios. Nevertheless, instructors favour immersive cases set in real or realistic contexts of practice, containing factual or real-time data, which can provoke students to reflect on broader ethical issues. Considering this aspirational discrepancy, we conclude with recommendations that can guide the development of engineering ethics case instruction