Scalarized Preferences in Multi-objective Optimization

Multikriterielle Optimierungsprobleme verfügen über keine Lösung, die optimal in jeder Zielfunktion ist. Die Schwierigkeit solcher Probleme liegt darin eine Kompromisslösung zu finden, die den Präferenzen des Entscheiders genügen, der den Kompromiss implementiert. Skalarisierung – die Abbildung des Vektors der Zielfunktionswerte auf eine reelle Zahl – identifiziert eine einzige Lösung als globales Präferenzenoptimum um diese Probleme zu lösen. Allerdings generieren Skalarisierungsmethoden keine zusätzlichen Informationen über andere Kompromisslösungen, die die Präferenzen des Entscheiders bezüglich des globalen Optimums verändern könnten. Um dieses Problem anzugehen stellt diese Dissertation eine theoretische und algorithmische Analyse skalarisierter Präferenzen bereit. Die theoretische Analyse besteht aus der Entwicklung eines Ordnungsrahmens, der Präferenzen als Problemtransformationen charakterisiert, die präferierte Untermengen der Paretofront definieren. Skalarisierung wird als Transformation der Zielmenge in diesem Ordnungsrahmen dargestellt. Des Weiteren werden Axiome vorgeschlagen, die wünschenswerte Eigenschaften von Skalarisierungsfunktionen darstellen. Es wird gezeigt unter welchen Bedingungen existierende Skalarisierungsfunktionen diese Axiome erfüllen. Die algorithmische Analyse kennzeichnet Präferenzen anhand des Resultats, das ein Optimierungsalgorithmus generiert. Zwei neue Paradigmen werden innerhalb dieser Analyse identifiziert. Für beide Paradigmen werden Algorithmen entworfen, die skalarisierte Präferenzeninformationen verwenden: Präferenzen-verzerrte Paretofrontapproximationen verteilen Punkte über die gesamte Paretofront, fokussieren aber mehr Punkte in Regionen mit besseren Skalarisierungswerten; multimodale Präferenzenoptima sind Punkte, die lokale Skalarisierungsoptima im Zielraum darstellen. Ein Drei-Stufen-Algorith\-mus wird entwickelt, der lokale Skalarisierungsoptima approximiert und verschiedene Methoden werden für die unterschiedlichen Stufen evaluiert. Zwei Realweltprobleme werden vorgestellt, die die Nützlichkeit der beiden Algorithmen illustrieren. Das erste Problem besteht darin Fahrpläne für ein Blockheizkraftwerk zu finden, die die erzeugte Elektrizität und Wärme maximieren und den Kraftstoffverbrauch minimiert. Präferenzen-verzerrte Approximationen generieren mehr Energie-effiziente Lösungen, unter denen der Entscheider seine favorisierte Lösung auswählen kann, indem er die Konflikte zwischen den drei Zielen abwägt. Das zweite Problem beschäftigt sich mit der Erstellung von Fahrplänen für Geräte in einem Wohngebäude, so dass Energiekosten, Kohlenstoffdioxidemissionen und thermisches Unbehagen minimiert werden. Es wird gezeigt, dass lokale Skalarisierungsoptima Fahrpläne darstellen, die eine gute Balance zwischen den drei Zielen bieten. Die Analyse und die Experimente, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, ermöglichen es Entscheidern bessere Entscheidungen zu treffen indem Methoden angewendet werden, die mehr Optionen generieren, die mit den Präferenzen der Entscheider übereinstimmen

Predictive Multi-Objective Scheduling with Dynamic Prices and Marginal CO₂-Emission Intensities

Buildings’ energy consumption accounts for approximately 35% of emissions in most industrialized countries. In spite of several studies on the economy of energy management in buildings, the environmental aspect has often been overlooked. Therefore, in the context of decarbonization, we investigate the potential for smart homes to lower their CO2 footprint while saving on their energy bills. We model a smart home as a multi-energy system equipped with several technologies to satisfy both electric and thermal demands. A home energy management system (HEMS) coordinates the supply and demand of energy carriers by shifting consumption in time and by changing energy vectors based on dynamic energy prices and marginal CO2-emission intensities. The HEMS aims at reducing daily CO2 emissions and/or energy costs preserving user’s satisfaction. Due to the binary nature of on-off decisions and information uncertainty, we formulate a multi-objective mixed-integer linear programming (MILP) problem within a model predictive control (MPC) framework. Using prices and CO2-emission intensities of the German power grid, our approach is effective in reducing both energy costs and CO2 emissions, balancing between the two objectives. The results show that integrating energy carriers has a higher impact than time-flexible loads. If solar panels are available, emissions and costs strongly depend on the importance given by the users to the environmental and economic goals