In the building automation domain, there are gaps among various tasks related to design engineering. As a result created system designs must be adapted to the given requirements on system functionality, which is related to increased costs and engineering effort than planned. For this reason standards are prepared to enable a coordination among these tasks by providing guidelines and unified artifacts for the design. Moreover, a huge variety of prefabricated devices offered from different manufacturers on the market for building automation that realize building automation functions by preprogrammed software components. Current methods for design creation do not consider this variety and design solution is limited to product lines of a few manufacturers and expertise of system integrators. Correspondingly, this results in design solutions of a limited quality. Thus, a great optimization potential of the quality of design solutions and coordination of tasks related to design engineering arises. For given design requirements, the existence of a high number of devices that realize required functions leads to a combinatorial explosion of design alternatives at different price and quality levels. Finding optimal design alternatives is a hard problem to which a new solution method is proposed based on heuristical approaches. By integrating problem specific knowledge into algorithms based on heuristics, a promisingly high optimization performance is achieved. Further, optimization algorithms are conceived to consider a set of flexibly defined quality criteria specified by users and achieve system design solutions of high quality. In order to realize this idea, optimization algorithms are proposed in this thesis based on goal-oriented operations that achieve a balanced convergence and exploration behavior for a search in the design space applied in different strategies. Further, a component model is proposed that enables a seamless integration of design engineering tasks according to the related standards and application of optimization algorithms.

In the building automation domain, there are gaps among various tasks related to design engineering. As a result created system designs must be adapted to the given requirements on system functionality, which is related to increased costs and engineering effort than planned. For this reason standards are prepared to enable a coordination among these tasks by providing guidelines and unified artifacts for the design. Moreover, a huge variety of prefabricated devices offered from different manufacturers on the market for building automation that realize building automation functions by preprogrammed software components. Current methods for design creation do not consider this variety and design solution is limited to product lines of a few manufacturers and expertise of system integrators. Correspondingly, this results in design solutions of a limited quality. Thus, a great optimization potential of the quality of design solutions and coordination of tasks related to design engineering arises. For given design requirements, the existence of a high number of devices that realize required functions leads to a combinatorial explosion of design alternatives at different price and quality levels. Finding optimal design alternatives is a hard problem to which a new solution method is proposed based on heuristical approaches. By integrating problem specific knowledge into algorithms based on heuristics, a promisingly high optimization performance is achieved. Further, optimization algorithms are conceived to consider a set of flexibly defined quality criteria specified by users and achieve system design solutions of high quality. In order to realize this idea, optimization algorithms are proposed in this thesis based on goal-oriented operations that achieve a balanced convergence and exploration behavior for a search in the design space applied in different strategies. Further, a component model is proposed that enables a seamless integration of design engineering tasks according to the related standards and application of optimization algorithms.:1 Introduction 17 1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3 Goals and Use of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.4 Solution Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.5 Organization of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2 Design Creation for Building Automation Systems 25 2.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2 Engineering of Building Automation Systems . . . . . . . . . . . 29 2.3 Network Protocols of Building Automation Systems . . . . . . . 33 2.4 Existing Solutions for Design Creation . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.5 The Device Interoperability Problem . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.6 Guidelines for Planning of Room Automation Systems . . . . . . 38 2.7 Quality Requirements on BAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.8 Quality Requirements on Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.8.1 Quality Requirements Related to Project Planning . . . . 42 2.8.2 Quality Requirements Related to Project Implementation 43 2.9 Quality Requirements on Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3 The Design Creation Task 47 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2 System Design Composition Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2.1 Abstract and Detailed Design Model . . . . . . . . . . . . 49 3.2.2 Mapping Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3 Formulation of the Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3.1 Problem properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.3.2 Requirements on Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4 Solution Methods for Design Generation and Optimization 59 4.1 Combinatorial Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2 Metaheuristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.3 Examples for Metaheuristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.1 Simulated Annealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.2 Tabu Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.3.3 Ant Colony Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.4 Evolutionary Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.4 Choice of the Solver Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.5 Specialized Methods for Diversity Preservation . . . . . . . . . . 70 4.6 Approaches for Real World Problems . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.6.1 Component-Based Mapping Problems . . . . . . . . . . . 71 4.6.2 Network Design Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.6.3 Comparison of Solution Methods . . . . . . . . . . . . . . 74 4.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5 Automated Creation of Optimized Designs 79 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.2 Design Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3 Component Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.3.1 Presumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.3.2 Integration of Component Model . . . . . . . . . . . . . . 87 5.4 Design Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.4.1 Component Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.4.2 Generation Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.5 Design Improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.5.1 Problems and Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.5.2 Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.5.3 Application Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.6 Realization of the Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.6.1 Objective Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.6.2 Individual Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.7 Automated Design Creation For A Building . . . . . . . . . . . . 124 5.7.1 Room Spanning Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.7.2 Flexible Rooms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.7.3 Technology Spanning Designs . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.7.4 Preferences for Mapping of Function Blocks to Devices . . 132 5.8 Further Uses and Applicability of the Approach . . . . . . . . . . 133 5.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 6 Validation and Performance Analysis 137 6.1 Validation Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 6.2 Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 6.3 Example Abstract Designs and Performance Tests . . . . . . . . 139 6.3.1 Criteria for Choosing Example Abstract Designs . . . . . 139 6.3.2 Example Abstract Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 6.3.3 Performance Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.3.4 Population Size P - Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . 151 6.3.5 Cross-Over Probability pC - Analysis . . . . . . . . . . . 157 6.3.6 Mutation Probability pM - Analysis . . . . . . . . . . . . 162 6.3.7 Discussion for Optimization Results and Example Designs 168 6.3.8 Resource Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 6.3.9 Parallelism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.4 Optimization Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.5 Framework Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.5.1 Components and Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.5.2 Workflow Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6.5.3 Optimization Control By Graphical User Interface . . . . 180 6.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 7 Conclusions 185 A Appendix of Designs 189 Bibliography 201 Index 211

In dieser Arbeit werden P2P-Algorithmen in ressourcen-limitierten und irregulären Wireless-ad-hoc-Netzwerken (WAHN) betrachtet, die effizient, skalierbar und fehlertolerant in Situationen arbeiten sollen, in denen eine räumlich benachbarte Gruppe von Netzwerkknoten simultan ausfällt. Es wird ein fehlertolerantes Replikationsschema zur datenzentrischen Speicherung betrachtet, und eine selbstorganisierende, skalierbare Berechnung von Datenaggregaten zur Lösung des Konsensproblems. Existierende P2P-Algorithmen die Skalierbarkeit, Fehlertoleranz und Selbstorganisation in drahtgebundenen Netzen betrachten sind für die Klasse des WAHNs nicht geeignet weil sie Engpässe in WAHNs verursachen können und in Katastrophenmanagement-szenarien die Zuverlässigkeit der Daten nicht sicherstellen können. Die Verwendung von Informationen der geographischen Position von Knoten ist ein möglicher Weg, um die Effizienz und Skalierbarkeit von P2P-Anwendungen in drahtlosen Netzwerken zu verbessern. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz vorgestellt, wie auf effiziente Weise 1) Gebiet des Netzwerks, das die geographische Ausbreitung seiner Knoten umfasst, und 2) Gruppenzugehörigkeit, wobei jeder Knoten zu genau einer Gruppe innerhalb eines einstellbaren Gebietes gehört, erzeugt werden kann. Dadurch können: existierenden, skalierbare P2P Datenspeicheralgorithmen für WAHNs genutzt werden, effiziente, fehlertolerante Replikation erstellt werden, die Effizienz von geographischen Routing und der Suche nach Replikaten verbessert werden sowie, Anwendungen auf einen bestimmten geographischen Bereich innerhalb des WAHN beschränkt werden (z.B. im Aggregationsprotokoll). Die entwickelten Protokolle sind tolerant gegenüber Nachrichtenverlust und verwenden ausschließlich lokale Broadcast-Nachrichten. Das Protokoll wurde mit Simulationen untersucht, die auf realistischen Netzwerktopologien mit Anteilen an sehr spärlichen und sehr dichten Knotenansammlungen basieren. / This dissertation addresses the challenge of reaching efficiency, scalability and fault-tolerance by P2P algorithms for resource-limited and irregular wireless ad-hoc networks (WAHNs) in disaster management (DM) scenarios where a spatially correlated group of nodes may crash simultaneously. In particular, we consider a fault-tolerant replication scheme for data-centric storage and a self-organized, scalable calculation of localized data aggregates for solving the consensus problem. Existing Peer-to-Peer algorithms that address issues of scalability, fault tolerance and self-organization in wired networks are inadequate for the addressed systems, they may cause bottlenecks in WAHNs and use replication that abstracts from geographical location of replicas and cannot therefore supply data survivability in DM scenarios in WAHNs. Incorporating information on geographical location of nodes is a recognized way to increase the efficiency and scalability of P2P applications in wireless networks. This dissertation proposes to efficiently construct new position information in a location-aware WAHN, where each node knows its own location and location of its direct neighbors. The new information are: network area, which expresses the geographical area covered by the network, and group membership, where each node belongs to exactly one group that is placed over the area of a maximum defined size. Together, they enable the use of the existing, scalable P2P data store in WAHNs (Geographical Hash Table), allow design of efficient fault-tolerant replication for the assumed fault model, increase efficiency of geographic routing and replica search, and allow to limit the geographical extent of activity of any distributed application, as we show using an example of data aggregation protocol. Proposed protocols tolerate message loss and use local broadcast only. They are evaluated by simulation over irregular topologies following the node placement of the existing, large WAHNs.

Die folgende Arbeit befasst sich mit den Untersuchungen von Problemen der Optimierung von Ressourcen in Umgebungen mit unvorhersehbarem Verhalten, wo: (i) nicht alle Informationen verfügbar sind, und (ii) die Umgebung unbekannte zeitliche Veränderungen aufweist. Diese Dissertation ist folgendermaßen gegliedert: Teil I stellt das Investitionsmodell vor. Es wird sowohl eine analytische als auch eine numerische Analyse der Dynamik dieses Modells für feste Investitionsstrategien in verschiedenen zufälligen Umgebungen vorgestellt. In diesem Investitionsmodell hängt die Dynamik des Budgets des Agenten x(t) von der Zufälligkeit der exogenen Rendite r(t) ab, wofür verschiedene Annahmen diskutiert wurden. Die Heavy-tailed Verteilung des Budgets wurde numerisch untersucht und mit theoretischen Vorhersagen verglichen. In Teil II wurde ein Investitionsszenario mit stilisierten exogenen Renditen untersucht, das durch eine periodische Funktion mit verschiedenen Arten und Stärken von Rauschen charakterisiert ist. In diesem Szenario wurden unterschiedliche Strategien, Agenten-Verhalten und Agenten Fähigkeiten zur Vorhersage der zukünftigen r(t) untersucht. Hier wurden Null-intelligenz-Agenten, die über technischen Analysen verfügen, mit Agenten, die über genetischen Algorithmen verfügen, verglichen. Umfangreiche Ergebnisse von Computersimulationen wurden präsentiert, in denen nachgewiesen wurde, dass für exogene Renditen mit Periodizität: (i) das wagemutige das vorsichtige Verhalten überbietet, und (ii) die genetischen Algorithmen in der Lage sind, die optimalen Investitionsstrategien zu finden und deshalb die anderen Strategien überbieten. Obwohl der Schwerpunkt dieser Dissertation im Zusammenhang mit dem Gebiet der Informatik präsentiert wurde, können die hier vorgestellten Ergebnisse auch in Szenarien angewendet werden, in denen der Agent anderere Arten von Ressourcen steuern muss, wie z.B. Energie, Zeitverbrauch, erwartete Lebensdauer, etc. / The main goal of this PhD thesis is to investigate some of the problems related to optimization of resources in environments with unpredictable behavior where: (i) not all information is available and (ii) the environment presents unknown temporal changes. The investigations in this PhD thesis are divided in two parts: Part I presents the investment model and some analytical as well as numerical analysis of the dynamics of this model for fixed investment strategies in different random environments. In this investment model, the dynamics of the investor''s budget x(t) depend on the stochasticity of the exogenous return on investment r(t) for which different model assumptions are discussed. The fat-tail distribution of the budget is investigated numerically and compared with theoretical predictions. Part II investigates an investment scenario with stylized exogenous returns characterized by a periodic function with different types and levels of noise. In this scenario, different strategies, agent''s behaviors and agent''s capacities to predict the future r(t) are investigated. Here, ''zero-intelligent'' agents using technical analysis (such as moving least squares) are compared with agents using genetic algorithms to predict r(t). Results are presented for extensive computer simulations, which shows that for exogenous returns with periodicity: (i) the daring behavior outperforms the cautious behavior and (ii) the genetic algorithm is able to find the optimal investment strategy by itself, thus outperforming the other strategies considered. Finally, the investment model is extended to include the formation of common investment projects between agents. Although the main focus of this PhD thesis is more related to the area of computer science, the results presented here can be also applied to scenarios where the agent has to control other kinds of resources, such as energy, time consumption, expected life time, etc.

Die Erforschung der Zusammenstellung kleiner Lerngruppen beschäftigt sich mit dem Problem, eine passende Gruppenzusammensetzung in einer Population von Lernern zu finden, die jeder Gruppe optimalen Nutzen bringen könnte. In letzter Zeit sind viele Studien zu diesem Problem der Kleingruppenzusammenstellung durchgeführt worden. Allerdings waren diese Forschungen nur selten auf den Kontext großer Lerner-Populationen ausgerichtet. Angesichts des zunehmenden Aufkommens von MOOCs muss jedoch das Problem der Gruppenzusammenstellung entsprechend erweitert betrachtet werden, und zwar mit neuen Forschungen, die den Kontext derartig großer Lerner-Populationen berücksichtigen. Anders als in Klassenzimmer-Settings könnte die beobachtete hohe Abbruchquote in MOOCs in einer Unterbesetzung der Gruppengröße resultieren und könnte somit viele Lerner dazu bringen, neue Gruppen zu bilden. Zusätzlich zur Gruppenzusammenstellung muss daher die Gruppenneuzusammenstellung als neues Thema in aktuellen Kontexten großer Lerner-Populationen ebenfalls erforscht werden. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit gliedern sich in zwei Teile. Der erste Teil beschäftigt sich mit Gruppenzusammenstellung. In diesem Teil stelle ich einen diskreten-PSO Algorithmus zur Zusammenstellung kleiner Lerngruppen vor und vergleiche bislang bestehende Gruppenzusammenstellungs-Algorithmen unter den Gesichtspunkten Zeitaufwand und Gruppierungsqualität. Um Gruppenzusammenstellung in MOOCs anzuwenden wurde ein Gruppenzusammenstellungsexperiment in einem MOOC durchgeführt. Die Hauptergebnisse deuten darauf hin, dass die Gruppenzusammenstellung die Abbruchsquote reduzieren kann, jedoch lediglich einen sehr schwachen Bezug zur Lernperformanz der Lerner aufweist. Der zweite Teil beschäftigt sich mit Gruppenneuzusammenstellung. Die vorliegende Arbeit stellt eine datengesteuerte Herangehensweise vor, die umfassenden Gebrauch von Gruppeninteraktionsdaten macht sowie Gruppendynamik mit einbezieht. Mittels einer in einem Simulationsexperiment durchgeführten Evaluation zeigen sich die Vorteile dieses Verfahrens: Der Lerngruppenzusammenhalt wird verbessert und die Abbruchsquote im Vergleich zu einer Zufallsverteilung reduziert. Darüberhinaus wurde hier ein Gruppen-Lern-Werkzeug entwickelt und für die Praxis vorbereitet, das die Anforderungen des geforderten Ansatzes der Gruppenneuzusammenstellung erfüllt. / Small learning group composition addresses the problem of seeking such matching among a population of students that it could bring each group optimal benefits. Recently, many studies have been conducted to address this small group composition problem. Nevertheless, the focus of such a body of research has rarely been cast to large-scale contexts. Due to the recent come of MOOCs, the topic of group composition needs to be accordingly extended with new investigations in such large learning contexts. Different from classroom settings, the reported high drop-out rate of MOOCs could result in group’s incompletion in size and thus might compel many students to compose new groups. Thus, in addition to group composition, group re-composition as a new topic needs to be studied in current large-scale learning contexts as well. In this thesis, the research is structured in two stages. The first stage is group composition. In this part, I proposed a discrete-PSO algorithm to compose small learning groups and compared the existing group composition algorithms from the perspectives of time cost and grouping quality. To implement group composition in MOOCs, a group composition experiment was conducted in a MOOC. The main results indicate that group composition can reduce drop-out rate, yet has a very weak association with students’ learning performance. The second stage is to cope with group re-composition. This thesis suggests a data-driven approach that makes full use of group interaction data and accounts for group dynamics. Through evaluation in a simulation experiment, it shows its advantages of bringing us more cohesive learning groups and reducing the drop-out rate compared to a random condition. Apart from these, a group learning tool that fulfills the goals of the proposed group re-composition approach has been developed and is made ready for practice.

Description Logics (DLs) belong to a successful family of knowledge representation formalisms with two key assets: formally well-defined semantics which allows to represent knowledge in an unambiguous way and automated reasoning which allows to infer implicit knowledge from the one given explicitly. This thesis investigates various reasoning techniques for tractable DLs in the EL family which have been implemented in the CEL system. It suggests that the use of the lightweight DLs, in which reasoning is tractable, is beneficial for ontology design and maintenance both in terms of expressivity and scalability. The claim is supported by a case study on the renown medical ontology SNOMED CT and extensive empirical evaluation on several large-scale biomedical ontologies.

Elektronische und elektrische Systeme stellen seit einigen Jahren einen zunehmenden Anteil an den Gesamtproduktionskosten von Personenkraftfahrzeugen. Laut Prognosen wird sich diese Entwicklung zwar abschwächen, jedoch wird der Wertschöpfungsanteil der Elektronik am Fahrzeug weiter zunehmen. Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit leistungselektronischen Subsystemen in PKW, die aufgrund der benötigten Chipfläche der Halbleiter kostenintensiv sind. Ziel der Arbeit ist es, Strukturen zu entwickeln und zu untersuchen, die es ermöglichen, mehrere Verbraucher in einer solchen Struktur zu betreiben und dadurch Leistungshalbleiter einzusparen. In einer Analyse werden die derzeitige Struktur der Verbraucher im Fahrzeug, die dazugehö-rige Elektronik und die zeitlichen Abhängigkeiten der Verbraucher untereinander dargestellt. Die Analyse kommt zu dem Schluss, dass die Verbraucher im Fahrzeug auf den jeweiligen Einsatzzweck hin optimiert sind. Dadurch sind sie kostengünstig und einfach aufgebaut. Ge-meinsamkeiten, die für eine Vereinheitlichung der Leistungselektronik genutzt werden kön-nen, können unter Beachtung der betrachteten Systeme gefunden werden. Daraus werden Anforderungen an alternative leistungselektronische Strukturen formuliert. In der Arbeit werden zwei leistungselektronische Schaltungen untersucht, die den Forderun-gen nach einer Einsparung von Leistungshalbleitern gerecht werden. Bei der matrixförmigen Vernetzungsschaltung sind die Versorgungsleitungen in Zeilen und Spalten angeordnet, zwi-schen denen die Verbraucher angeschlossen sind. Bei der linearen Vernetzungsschaltung be-nutzen alle an einer Struktur angeschlossenen Verbraucher teilweise eine gemeinsame und eine individuelle Leistungselektronik. Dabei wird ein geringerer Vernetzungsgrad erreicht. Bei der matrixförmigen Vernetzungsschaltung wird ein hoher Vernetzungsgrad erzielt. Hier-bei kann eine Vielzahl von Verbrauchern mit vergleichsweise wenig Leistungselektronik be-trieben werden. Der hohe Vernetzungsgrad hat Bedingungen an die Anordnung der in der Struktur befindlichen Verbraucher zur Folge, die es nur bei kleinen Strukturen ermöglichen ohne Hilfsmittel eine optimale Struktur zu entwerfen. Für größere Strukturen werden Me-thoden benötigt, um die Anordnung der Verbraucher so zu gestalten, dass die Bedingungen an den gleichzeitigen Betrieb in der Applikation erfüllt werden können. Diese Aufgabe entspricht dem mathematischen Problemkreis der kombinatorischen Optimierung. Als Lösungsmethoden werden die Ganzzahlige Lineare Programmierung, die in jedem Fall ein exaktes Ergebnis er-reicht, und Genetische Algorithmen verwendet, die auch bei sehr großen Strukturen ein opti-miertes Ergebnis erzielen können. Die Genetischen Algorithmen werden in dieser Arbeit auf das Problem und dessen Darstellung angepasst, und die Ergebnisse der Optimierung mit de-nen der exakten Verfahren verglichen. Ergebnisse zeigen, dass die auf die Problemstellung angepassten Genetischen Algorithmen mit hoher Sicherheit das globale Optimum finden. Es werden matrixförmige und lineare Strukturen für eine Sitzsteuerung und eine Klappen-verstellung einer Klimaanlage entworfen, mit den beschriebenen Methoden optimiert und nachfolgend bewertet. In der Bewertung wird gezeigt, dass die entworfenen alternativen Strukturen den konventionellen teilweise überlegen sind und je nach elektronischem System zu einer deutlichen Kosteneinsparung führen können. In den untersuchten Systemen hat sich die lineare Struktur als besonders vorteilhaft herausgestellt.

The work deals with two problems of mass rapid transit system operation: The development of flexible timetables and the realisation of flexible timetables. In both cases, genetic algorithms are used. In the process of (flexible) timetabling in suburban railways, a transport offer perfectly adapted to demand is searched for (temporal and spatial adaptation of demand as well as adaptation of capacity of the trains). After determination of the number of train runs per line and hour and their capacity, optimal departure times have to be found (with a precision of a minute down to 10 s), which fulfil criterias of the passengers (short waiting times) as well as of the operator (small number of vehicles needed). Two different codings for use with genetic algorithms have therefore been developed. They are tested on several case studies of the Dresden suburban railway network, assuming different degrees of flexibilisation. In the process of realising a flexible timetable, transitions between train headways as well as running time and dwell time reserves (margins in the order of a few seconds) are slightly modified in order to coordinate braking and accelerating trains and thereby reduce energy costs of a system of trains. Genetic algorithms can be applied for this problem as well, the proposed methods are tested on several case studies (S-Bahn Berlin, Metro Lille). / Die Arbeit behandelt zwei Probleme der Betriebsplanung von Stadtschnellbahnen: Die Erstellung flexibler Fahrpläne und die Umsetzung flexibler Fahrpläne. In beiden Fällen werden zur Lösung Genetische Algorithmen verwendet. Bei der Ermittlung flexibler Fahrpläne von S-Bahnen wird ein bestmöglich an die Verkehrsnachfrage angepasstes Verkehrsangebot gesucht (zeitlich, räumlich und bezüglich der Kapazität der einzelnen Züge angepasst). Nach stundenfeiner Festlegung der Fahrtenhäufigkeiten und Kapazitäten der einzelnen, sich überlagernden Linien werden deren Abfahrtszeiten gesucht (mit einer Genauigkeit von Minuten bis etwa 10 s), so dass sowohl die Wünsche der Fahrgäste nach gleichmäßigen Zugfolgezeiten als auch Betreiberwünsche (geringe Fahrzeuganzahl) erfüllt werden. Hierzu werden zwei verschiedene Kodierungen für die Verwendung mit Genetischen Algorithmen vorgestellt und das geschaffene Verfahren an verschiedenen Flexibilisierungsszenarien für die S-Bahn Dresden erprobt. Bei der Umsetzung flexibler Fahrpläne, die sich im Bereich weniger Sekunden abspielt, werden Übergänge zwischen Zugfolgezeiten, Fahr- und Haltezeitreserven geringfügig modifiziert, so dass durch bestmögliche Koordination von Anfahr- und Bremsvorgängen eines Systems von Zügen die Energiekosten minimal werden. Methodisch werden wiederum Genetische Algorithmen verwendet, die Erprobung des Verfahrens erfolgt anhand von Linien der S-Bahn Berlin und der Metro in Lille.

Searching is a fundamental task to support research. Current search engines are keyword-based. Semantic technologies promise a next generation of semantic search engines, which will be able to answer questions. Current approaches either apply natural language processing to unstructured text or they assume the existence of structured statements over which they can reason. This work provides a system for combining the classical keyword-based search engines with semantic annotation. Conventional search results are annotated using a customized annotation algorithm, which takes the textual properties and requirements such as speed and scalability into account. The biomedical background knowledge consists of the GeneOntology and Medical Subject Headings and other related entities, e.g. proteins/gene names and person names. Together they provide the relevant semantic context for a search engine for the life sciences. We develop the system GoWeb for semantic web search and evaluate it using three benchmarks. It is shown that GoWeb is able to aid question answering with success rates up to 79%. Furthermore, the system also includes semantic hyperlinks that enable semantic browsing of the knowledge space. The semantic hyperlinks facilitate the use of the eScience infrastructure, even complex workflows of composed web services. To complement the web search of GoWeb, other data source and more specialized information needs are tested in different prototypes. This includes patents and intranet search. Semantic search is applicable for these usage scenarios, but the developed systems also show limits of the semantic approach. That is the size, applicability and completeness of the integrated ontologies, as well as technical issues of text-extraction and meta-data information gathering. Additionally, semantic indexing as an alternative approach to implement semantic search is implemented and evaluated with a question answering benchmark. A semantic index can help to answer questions and address some limitations of GoWeb. Still the maintenance and optimization of such an index is a challenge, whereas GoWeb provides a straightforward system.

Im bisherigen Auslegungsprozess wird ein Bahnsystem in der Regel in Teilsysteme zerlegt, die nacheinander und für sich betrachtet entworfen werden. Das Verhalten des Gesamtsystems im geplanten täglichen Betrieb wird nur für wenige Varianten mittels Simulation überprüft. In dieser Arbeit wird der Ansatz vorgestellt, ein elektrisches Bahnsystem als Optimierungsaufgabe zu modellieren und diese mit einem geeigneten mathematischen Suchverfahren zu lösen, um Wechselwirkungen im Gesamtsystem bereits während der Dimensionierung berücksichtigen zu können. Zu diesem Zweck wird ein mehrkriterieller genetischer Algorithmus mit Zugfahrtsimulation und Netzberechnung gekoppelt, um ein für elektrische Bahnen entwickeltes Optimierungsmodell zu lösen. Am Beispiel einer realen Metrostrecke wird das Verfahren auf seine Eignung getestet und die erzielten Ergebnisse bewertet. / In the previous design process the electric railway system was subdivided into subsystems that are conceived one after the other and independent of each other. The performance of the complete railway system under realistic operation conditions can only be verified for some very few variants using simulation tools. The paper presents an approach to formulate an electric railway system as a self-contained optimization problem solved by means of a mathematical optimization method in order to consider interactions within the system in the early stage of the design process. Therefore a multi-objective genetic algorithm is coupled with both train simulation and electrical network calculation solving an optimization model specially designed for electrical railway systems. The proposed method is tested on an actual metro system. The results of this case study are presented and evaluated.