Extending Concepts of Reliability - Network Creation Games, Real-time Scheduling, and Robust Optimization
Das erste Kapitel widmet sich einer Familie von Netzerzeugungsspielen. Netzerzeugungsspiele dienen der grobkörnigen Analyse von Netzwerken für die detailierte Daten nicht vorliegen, oder grundsätzlich nicht gewonnen werden können. Ein typisches Beispiel sind Soziale Netze. In den hier untersuchten Spielen wird das Netzwerk von den Knoten als den Spielern selbst gebildet. Paare von Knoten können Kanten zwischen sich einrichten oder abbrechen. Jedem Knoten entstehen feste Kosten für jede zum ihm inzidente Kante. Ein Knoten profitiert jedoch global vom Netzwerk. Jeder Knoten zieht einen Nutzen daraus, zu jedem anderen Knoten direkt oder indirekt verbunden zu sein. Dieser Nutzen ist abhängig von der Distanz der beiden Knoten im Netzwerk. Bisher konnten nur Spiele analysiert werden, in denen sich diese Distanz linear auf den Nutzen auswirkt. Wir können u.a. den Preis der Anarchie bei exponentiellen Nutzenfunktionen exakt auf 2 bestimmen. Dieses Ergebnis beruht auf einer graphentheoretischen Charakterisierung stabiler Zustände. Hiermit gelingt es auch zu zeigen, dass diese Prozesse zykeln können. Im zweiten Kapitel beschreiben wir einen approximativen Zulässigkeitstest für das sporadische Echtzeit-Ablaufplanungsproblem auf mehreren identischen Prozessoren. Eine Instanz diese Problems besteht aus einer potenziell unendlichen Folge von Aufträgen, die von einer festen Anzahl Prozessoren bearbeitet werden. Die Zuweisung der Aufträge auf die Prozessoren muss auf Grund des Echtzeitcharakters der Anwendung gemäß einer einfachen Politik erfolgen. Da die Anwendungen zudem sicherheits-kritisch sind, muss im Voraus sichergestellt werden, dass jeder Auftrag fristgerecht abgeschlossen wird. Angesichts der enormen Anzahl an Aufträgen (die häufig sogar als unendlich modelliert wird) muss ein Zulässigkeitstest dies anhand einer sehr kompakten, insbesondere endlichen, im sporadischen Fall unvollständigen Beschreibung der Instanz beurteilen. Unser Test entscheidet entweder, dass für eine Instanz kein zulässiger Ablaufplan existiert, oder dass die Instanz durch einen Ablaufplan, bei dem stets der Auftrag mit der nächstliegenden Frist als erster bearbeitet wird, auf annähernd doppelt so schnellen Prozessoren zuverlässig gelöst wird. Die Existenz eines solchen approximativen Zulässigkeitstest wurde seit den neunziger Jahren vermutet. Seither ist ebenfalls bekannt, dass die hier in Anspruch genommene Geschwindigkeitserhöhung die kleinst mögliche ist, da bereits die einfache Ablaufregel diese Erhöhung erforderlich macht. Der vorliegende Test ist damit der erste bestmögliche Test seiner Art für mehr als einen Prozessor. Im letzten Kapitel beschäftigen wir uns mit Robuster Optimierung. Robuste Optimierung ist ein spezieller Ansatz im Bereich der Optimierung unter Informationsdefizit. Anstelle verlässlicher Daten ist eine (im Allgemeinen unendliche) Menge von Szenarien gegeben. Ein leitendes Beispiel sind verspätungsresistente Fahrpläne. Die klassische robuste Optimierung sucht nach Lösungen, die in jedem dieser Szenarien zulässig sind. Dies führt zu unzumutbar konservative Lösungen. Klassische robuste Fahrpläne etwa weisen unverhältnismäßig große Pufferzeiten auf. Wir entwickeln dagegen den Begriff der Wiederherstellungfreundlichkeit (Recoverable Robustness). Eine wiederherstellungsfreundliche Lösung lässt sich mit geringem Aufwand in jedem anzunehmenden Szenario in eine zulässige Lösung verwandeln. Wir zeigen, dass dieser Begriff die Vorteile der klassischen Robustheit, insbesondere die Gütegarantie und die Lösbarkeit erhält, und dennoch weit weniger konservative Lösungen als der klassische Ansatz ermöglicht. Die Wiederherstellungsfreundlichkeit erlaubt zudem die Anwendung auf Praxisprobleme, die der klassischen robusten Optimierung vorenthalten sind. Eine wichtige Spezialisierung dieses Begriffs ist die robuste Netzpufferung. Dies ist ein verhältnismäßig einfach zu implementierendes, exaktes Verfahren, das in der Zwischenzeit bereits Anwendung in der Gleiszuweisung gefunden hat. Dort hat die Methode eine Reduzierung der Verspätung um ein Viertel bewirkt. Für ganzzahlige Varianten der robusten Netzpufferung beweisen wir u.a. Nicht-Approximierbarkeit. Neben den Anwendungs- und Modellierungsvorteilen eröffnet die Wiederherstellungsfreundlichkeit eine neue, polyedrische Sichtweise auf die lineare Optimierung unter Informationsdefizit. Diese Perspektive erlaubt es im Vorhinein den Bereich aussergewöhnlich großer Störungen zu bestimmen, in dem wiederherstellungsfreundliche Lösung immer noch beherrschbar bleiben. Wir führen an einer Reihe von Beispielen die Anwendung der Wiederherstellungsfreundlichkeit insbesondere bei der Planung von Verkehrssystemen vor. Im Zuge dessen bestimmen wir auch die Komplexität des Verspätungsmanagements, und modellieren einen durch die Anwendung motivierten alternativen Ansatz mit geringerer Komplexität.
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