TY  - THES
A1  - Herrmann, Christian
T1  - Robotic Motion Compensation for Applications in Radiation Oncology
T1  - Robotergestützte Bewegungskompensation für Anwendungen in der Radioonkologie
N2  - Aufgrund vieler Verbesserungen der Behandlungsmethoden im Laufe der letzten 60 Jahre, erlaubt die Strahlentherapie heutzutage präzise Behandlungen von statischen Tumoren. Jedoch birgt die Bestrahlung von sich bewegenden Tumoren noch große Herausforderungen in sich, da bewegliche Tumore oft den Behandlungsstrahl verlassen. Dabei reduziert sich die Strahlendosis im Tumor während sich diese im umliegenden gesunden Gewebe erhöht. Diese Forschungsarbeit zielt darauf ab, die Grenzen der Strahlentherapie zu erweitern, um präzise Behandlungen von beweglichen Tumoren zu ermöglichen. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Erstellung eines Echtzeitsystems zur aktiven Kompensation von Tumorbewegungen durch robotergestützte Methoden. Während Behandlungen befinden sich Patienten auf einer Patientenliege, mit der statische Lagerungsfehler vor Beginn einer Behandlung korrigiert werden. Die in dieser Arbeit verwendete Patientenliege "HexaPOD" ist ein paralleler Manipulator mit sechs Freiheitsgraden, der große Lasten innerhalb eines eingeschränkten Arbeitsbereichs präzise positionieren kann. Obwohl der HexaPOD ursprünglich nicht für dynamische Anwendungen konzipiert wurde, wird dieser für eine dauerhafte Bewegungskompensation eingesetzt, in dem Patienten so bewegt werden, dass Tumore präzise im Zentralstrahl während der Dauer einer gesamten Behandlung verbleiben. Um ein echtzeitfähiges Kompensationssystem auf Basis des HexaPODs zu realisieren, muss eine Reihe an Herausforderungen bewältigt werden. Echtzeitaspekte werden einerseits durch die Verwendung eines harten Echtzeitbetriebssystems abgedeckt, andererseits durch die Messung und Schätzung von Latenzzeiten aller physikalischen Größen im System, z.B. Messungen der Tumor- und Atemposition. Neben der konsistenten und durchgängigen Berücksichtigung von akkuraten Zeitinformation, werden alle software-induzierten Latenzen adaptiv ausgeglichen. Dies erfordert Vorhersagen der Tumorposition in die nahe Zukunft. Zahlreiche Prädiktoren zur Atem- und Tumorpositionsvorhersage werden vorgeschlagen und anhand verschiedenster Metriken evaluiert. Erweiterungen der Prädiktionsalgorithmen werden eingeführt, die sowohl Atem- als auch Tumorpositionsinformationen fusionieren, um Vorhersagen ohne explizites Korrelationsmodell zu ermöglichen. Die Vorhersagen bestimmen den zukünftigen Bewegungspfad des HexaPODs, um Tumorbewegungen zu kompensieren. Dazu werden verschiedene Regler entwickelt, die eine Trajektorienverfolgung mit dem HexaPOD ermöglichen. Auf der Basis von linearer und nicht-linearer dynamischer Modellierung des HexaPODs mit Methoden der Systemidentifikation, wird zunächst ein modellprädiktiver Regler entwickelt. Ein zweiter Regler wird auf Basis einer Annahme über das Arbeitsprinzip des internen Reglers im HexaPOD entworfen. Schließlich wird ein dritter Regler vorgeschlagen, der beide vorhergehenden Regler miteinander kombiniert. Für jeden dieser Regler werden vergleichende Ergebnisse aus Experimenten mit realer Hardware und menschlichen Versuchspersonen präsentiert und diskutiert. Darüber hinaus wird die geeignete Wahl von freien Parametern in den Reglern vorgestellt. Neben einer präzisen Verfolgung der Referenztrajektorie spielt der Patientenkomfort eine entscheidende Rolle für die Akzeptanz des Systems. Es wird gezeigt, dass die Regler glatte Trajektorien realisieren können, um zu garantieren, dass sich Patienten wohl fühlen während ihre Tumorbewegung mit Genauigkeiten im Submillimeterbereich ausgeglichen wird. Gesamtfehler werden im Kompensationssystem analysiert, in dem diese zu Trajektorienverfolgungsfehlern und Prädiktionsfehlern in Beziehung gesetzt werden. Durch Ausnutzung von Eigenschaften verschiedener Prädiktoren wird gezeigt, dass die Startzeit des Systems bis die Verfolgung der Referenztrajektorie erreicht ist, wenige Sekunden beträgt. Dies gilt insbesondere für den Fall eines initial ruhenden HexaPODs und ohne Vorwissen über Tumorbewegungen. Dies zeigt die Eignung des Systems für die sehr kurz fraktionierten Behandlungen von Lungentumoren. Das Tumorkompensationssystem wurde ausschließlich auf Basis von klinischer Standard-Hardware entwickelt, die in vielen Behandlungsräumen zu finden ist. Durch ein einfaches und flexibles Design können Behandlungsräume in kosteneffizienter Weise um Möglichkeiten der Bewegungskompensation ergänzt werden. Darüber hinaus werden aktuelle Behandlungsmethoden wie intensitätsmodulierte Strahlentherapie oder Volumetric Modulated Arc Therapy in keiner Weise eingeschränkt. Aufgrund der Unterstützung verschiedener Kompensationsmodi kann das System auf alle beweglichen Tumore angewendet werden, unabhängig davon ob die Bewegungen vorhersagbar (Lungentumore) oder nicht vorhersagbar (Prostatatumore) sind. Durch Integration von geeigneten Methoden zur Tumorpositionsbestimmung kann das System auf einfache Weise zur Kompensation von anderen Tumoren erweitert werden.
N2  - Radiation therapy today, on account of improvements in treatment procedures over the last 60 years, allows precise treatment of static tumors inside the human body. However, irradiation of moving tumors is still a challenging task as moving tumors often leave the treatment beam and the radiation dose delivered to the tumor reduces simultaneously increasing that on healthy tissue. This research work aims to push the frontiers of radiation therapy in order to enable precise treatment of moving tumors with focus on research and development of a unique real-time system enabling active motion compensation through robotic means to compensate tumor motion. During treatment, patients lie on a treatment couch which is normally used for static position corrections of patient set-up errors prior to radiation treatment. The treatment couch used, called HexaPOD, is a parallel manipulator with six degrees of freedom which can precisely position heavy loads inside a small region. Despite the HexaPOD not initially built with dynamics in mind, it is used in this work for sustained motion compensation by moving patients such that tumors stay precisely located at the center of the treatment beam during the complete course of treatment. In order to realize real-time tumor motion compensation by means of the HexaPOD, several challanges need to be addressed. Real-time aspects are covered by the adoption of a hard real-time operation system in combination with measurement and estimation of latencies of all physical quantities in the compensation system such as tumor or breathing position measurements. Accurate timing information is respected consistently in the whole system and all software-induced latencies are adaptively compensated for. This requires knowledge of future tumor positions from predictors. Several predictors for breathing and tumor motion predictions are proposed and evaluated in terms of a variety of different performance metrics. Extensions to prediction algorithms are introduced fusing both breathing and tumor position information to allow for predictions without the need of an explicit correlation model. Predictions determine the future motion path of the HexaPOD in order to compensate for tumor motion. Several control schemes are developed to enable reference tracking for the HexaPOD. Based on linear and non-linear dynamic modelling of the HexaPOD with system identification methods, a first controller is derived in the form of a model predictive controller. A second controller is proposed based on an assumption of the working principle of the HexaPOD's internal controller. Finally, a third controller is derived as combination of the first and second one. For each of these controllers, comparative results with real hardware experiments and humans in the loop as well as choices of free parameters are presented and discussed. Apart from precise tracking, emphasis is placed on patient comfort which is of crucial importance for acceptance of the system. It is demonstrated that smooth trajectories can be realized by the controllers to guarantee that patients feel comfortable while their tumor motion is compensated at sub-millimeter accuracies. Overall errors of the system are analyzed by relating them to tracking and prediction errors. By exploiting the properties of different predictors, it is shown that the startup time until tracking is reached can be reduced to only a few seconds, even in the case of an initially at-rest HexaPOD and with no initial knowledge of tumor motion. This makes the system especially suitable for the relatively short-fractionated treatment sessions for lung tumors. The tumor motion compensation system has been developed solely based on standard clinical hardware, found in most treatment rooms. With a simple and flexible design, existing treatment can be updated in a cost-efficient way to introduce motion compensation capabilities. Simultaneously, the system does not impose any constraints on state-of-the-art treatment types such as intensity modulated radiotherapy or volumetric modulated arc therapy. Supporting different compensation modes, the system can be applied to any moving tumor whether its motion is predictable (lung tumors) or unpredictable (prostate tumors). By integration of adequate tumor position determination methods, the system can be easily extended to other tumors as well.
T3  - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 7 
KW  - Robotik
KW  - Bewegungskompensation
KW  - Regelung
KW  - Strahlentherapie
KW  - Vorhersage
KW  - Tumorbewegung
KW  - Echzeit
KW  - Prediction
KW  - Tumor motion
KW  - Real-time
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-79045
SN  - 978-3-923959-88-4
ER  - 
TY  - THES
A1  - Reith, Steffen
T1  - Generalized Satisfiability Problems
T1  - Verallgemeinerte Erfüllbarkeitsprobleme
N2  - In the last 40 years, complexity theory has grown to a rich and powerful field in theoretical computer science. The main task of complexity theory is the classification of problems with respect to their consumption of resources (e.g., running time or required memory). To study the computational complexity (i.e., consumption of resources) of problems, similar problems are grouped into so called complexity classes. During the systematic study of numerous problems of practical relevance, no efficient algorithm for a great number of studied problems was found. Moreover, it was unclear whether such algorithms exist. A major breakthrough in this situation was the introduction of the complexity classes P and NP and the identification of hardest problems in NP. These hardest problems of NP are nowadays known as NP-complete problems. One prominent example of an NP-complete problem is the satisfiability problem of propositional formulas (SAT). Here we get a propositional formula as an input and it must be decided whether an assignment for the propositional variables exists, such that this assignment satisfies the given formula. The intensive study of NP led to numerous related classes, e.g., the classes of the polynomial-time hierarchy PH, P, #P, PP, NL, L and #L. During the study of these classes, problems related to propositional formulas were often identified to be complete problems for these classes. Hence some questions arise: Why is SAT so hard to solve? Are there modifications of SAT which are complete for other well-known complexity classes? In the context of these questions a result by E. Post is extremely useful. He identified and characterized all classes of Boolean functions being closed under superposition. It is possible to study problems which are connected to generalized propositional logic by using this result, which was done in this thesis. Hence, many different problems connected to propositional logic were studied and classified with respect to their computational complexity, clearing the borderline between easy and hard problems.
N2  - In den letzten 40 Jahren hat sich die Komplexitätstheorie zu einem reichen und mächtigen Gebiet innerhalb der theoretischen Informatik entwickelt. Dabei ist die hauptsächliche Aufgabenstellung der Komplexitätstheorie die Klassifikation von Problemen bezüglich des Bedarfs von Rechenzeit oder Speicherplatz zu ihrer Lösung. Um die Komplexität von Problemen (d.h. den Bedarf von Resourcen) einzuordnen, werden Probleme mit ähnlichem Ressourcenbedarf in gleiche sogenannte Komplexitätsklassen einsortiert. Bei der systematischen Untersuchung einer Vielzahl von praktisch relevanten Problemen wurden jedoch keine effizienten Algorithmen für viele der untersuchten Probleme gefunden und es ist unklar, ob solche Algorithmen überhaupt existieren. Ein Durchbruch bei der Untersuchung dieser Problematik war die Einführung der Komplexitätsklassen P und NP und die Identifizierung von schwersten Problemen in NP. Diese schwierigsten Probleme von NP sind heute als sogenannte NP-vollständige Probleme bekannt. Ein prominentes Beispiel für ein NP-vollständiges Problem ist das Erfüllbarkeitsproblem für aussagenlogische Formeln (SAT). Hier ist eine aussagenlogische Formel als Eingabe gegeben und es muss bestimmt werden, ob eine Belegung der Wahrheitswertevariablen existiert, so dass diese Belegung die gegebene Formel erfüllt. Das intensive Studium der Klasse NP führte zu einer Vielzahl von anderen Komplexitätsklassen, wie z.B. die der Polynomialzeithierarchie PH, P, #P, PP, NL, L oder #L. Beim Studium dieser Klassen wurden sehr oft Probleme im Zusammenhang mit aussagenlogischen Formeln als schwierigste (vollständige) Probleme für diese Klassen identifiziert. Deshalb stellt sich folgende Frage: Welche Eigenschaften des Erfüllbarkeitsproblems SAT bewirken, dass es eines der schwersten Probleme der Klasse NP ist? Gibt es Einschränkungen oder Verallgemeinerungen des Erfüllbarkeitsproblems, die vollständig für andere bekannte Komplexitätsklassen sind? Im Zusammenhang mit solchen Fragestellungen ist ein Ergebnis von E. Post von extremem Nutzen. Er identifizierte und charakterisierte alle Klassen von Booleschen Funktionen, die unter Superposition abgeschlossen sind. Mit Hilfe dieses Resultats ist es möglich, Probleme im Zusammenhang mit verallgemeinerten Aussagenlogiken zu studieren, was in der vorliegenden Arbeit durchgeführt wurde. Dabei wurde eine Vielzahl von verschiedenen Problemen, die in Zusammenhang mit der Aussagenlogik stehen, studiert und bezüglich ihrer Komplexität klassifiziert. Dadurch wird die Grenzlinie zwischen einfach lösbaren Problemen und schweren Problemen sichtbar.
KW  - Erfüllbarkeitsproblem
KW  - Komplexitätstheorie
KW  - Boolesche Funktionen
KW  - Isomorphie
KW  - abgeschlossene Klassen
KW  - Zählprobleme
KW  - Computational complexity
KW  - Boolean functions
KW  - Boolean isomorphism
KW  - Boolean equivalence
KW  - Dichotomy
KW  - counting problems
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-74
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TY  - THES
A1  - Kosub, Sven
T1  - Complexity and Partitions
T1  - Komplexität von Partitionen
N2  - Computational complexity theory usually investigates the complexity of sets, i.e., the complexity of partitions into two parts. But often it is more appropriate to represent natural problems by partitions into more than two parts. A particularly interesting class of such problems consists of classification problems for relations. For instance, a binary relation R typically defines a partitioning of the set of all pairs (x,y) into four parts, classifiable according to the cases where R(x,y) and R(y,x) hold, only R(x,y) or only R(y,x) holds or even neither R(x,y) nor R(y,x) is true. By means of concrete classification problems such as Graph Embedding or Entailment (for propositional logic), this thesis systematically develops tools, in shape of the boolean hierarchy of NP-partitions and its refinements, for the qualitative analysis of the complexity of partitions generated by NP-relations. The Boolean hierarchy of NP-partitions is introduced as a generalization of the well-known and well-studied Boolean hierarchy (of sets) over NP. Whereas the latter hierarchy has a very simple structure, the situation is much more complicated for the case of partitions into at least three parts. To get an idea of this hierarchy, alternative descriptions of the partition classes are given in terms of finite, labeled lattices. Based on these characterizations the Embedding Conjecture is established providing the complete information on the structure of the hierarchy. This conjecture is supported by several results. A natural extension of the Boolean hierarchy of NP-partitions emerges from the lattice-characterization of its classes by considering partition classes generated by finite, labeled posets. It turns out that all significant ideas translate from the case of lattices. The induced refined Boolean hierarchy of NP-partitions enables us more accuratly capturing the complexity of certain relations (such as Graph Embedding) and a description of projectively closed partition classes.
N2  - Die klassische Komplexitätstheorie untersucht in erster Linie die Komplexität von Mengen, d.h. von Zerlegungen (Partitionen) einer Grundmenge in zwei Teile. Häufig werden aber natürliche Fragestellungen viel angemessener durch Zerlegungen in mehr als zwei Teile abgebildet. Eine besonders interessante Klasse solcher Fragestellungen sind Klassifikationsprobleme für Relationen. Zum Beispiel definiert eine Binärrelation R typischerweise eine Zerlegung der Menge aller Paare (x,y) in vier Teile, klassifizierbar danach, ob R(x,y) und R(y,x), R(x,y) aber nicht R(y,x), nicht R(x,y) aber dafür R(y,x) oder weder R(x,y) noch R(y,x) gilt. Anhand konkreter Klassifikationsprobleme, wie zum Beispiel der Einbettbarkeit von Graphen und der Folgerbarkeit für aussagenlogische Formeln, werden in der Dissertation Instrumente für eine qualitative Analyse der Komplexität von Partitionen, die von NP-Relationen erzeugt werden, in Form der Booleschen Hierarchie der NP-Partitionen und ihrer Erweiterungen systematisch entwickelt. Die Boolesche Hierarchie der NP-Partitionen wird als Verallgemeinerung der bereits bekannten und wohluntersuchten Boolesche Hierarchie über NP eingeführt. Während die letztere Hierarchie eine sehr einfache Struktur aufweist, stellt sich die Boolesche Hierarchie der NP-Partitionen im Falle von Zerlegungen in mindestens 3 Teile als sehr viel komplizierter heraus. Um einen Überblick über diese Hierarchien zu erlangen, werden alternative Beschreibungen der Klassen der Hierarchien mittels endlicher, bewerteter Verbände angegeben. Darauf aufbauend wird die Einbettungsvermutung aufgestellt, die uns die vollständige Information über die Struktur der Hierarchie liefert. Diese Vermutung wird mit verschiedene Resultaten untermauert. Eine Erweiterung der Booleschen Hierarchie der NP-Partitionen ergibt sich auf natürliche Weise aus der Charakterisierung ihrer Klassen durch Verbände. Dazu werden Klassen betrachtet, die von endlichen, bewerteten Halbordnungen erzeugt werden. Es zeigt sich, dass die wesentlichen Konzepte vom Verbandsfall übertragen werden können. Die entstehende Verfeinerung der Booleschen Hierarchie der NP-Partitionen ermöglicht die exaktere Analyse der Komplexität bestimmter Relationen (wie zum Beispiel der Einbettbarkeit von Graphen) und die Beschreibung projektiv abgeschlossener Partitionenklassen.
KW  - Partition <Mengenlehre>
KW  - Boolesche Hierarchie
KW  - Komplexitätsklasse NP
KW  - Theoretische Informatik
KW  - Komplexitätstheorie
KW  - NP
KW  - Boolesche Hierarchie
KW  - Partitionen
KW  - Verbände
KW  - Halbordnungen
KW  - Theoretical computer science
KW  - computational complexity
KW  - NP
KW  - Boolean hierarchy
KW  - partitions
KW  - lattices
KW  - posets
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-2808
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmitz, Heinz
T1  - The Forbidden Pattern Approach to Concatenation Hierarchies
T1  - Verbotsmuster und Hierarchien regulärer sternfreier Sprachen
N2  - The thesis looks at the question asking for the computability of the dot-depth of star-free regular languages. Here one has to determine for a given star-free regular language the minimal number of alternations between concatenation on one hand, and intersection, union, complement on the other hand. This question was first raised in 1971 (Brzozowski/Cohen) and besides the extended star-heights problem usually refered to as one of the most difficult open questions on regular languages. The dot-depth problem can be captured formally by hierarchies of classes of star-free regular languages B(0), B(1/2), B(1), B(3/2),... and L(0), L(1/2), L(1), L(3/2),.... which are defined via alternating the closure under concatenation and Boolean operations, beginning with single alphabet letters. Now the question of dot-depth is the question whether these hierarchy classes have decidable membership problems. The thesis makes progress on this question using the so-called forbidden pattern approach: Classes of regular languages are characterized in terms of patterns in finite automata (subgraphs in the transition graph) that are not allowed. Such a characterization immediately implies the decidability of the respective class, since the absence of a certain pattern in a given automaton can be effectively verified. Before this work, the decidability of B(0), B(1/2), B(1) and L(0), L(1/2), L(1), L(3/2) were known. Here a detailed study of these classes with help of forbidden patterns is given which leads to new insights into their inner structure. Furthermore, the decidability of B(3/2) is proven. Based on these results a theory of pattern iteration is developed which leads to the introduction of two new hierarchies of star-free regular languages. These hierarchies are decidable on one hand, on the other hand they are in close connection to the classes B(n) and L(n). It remains an open question here whether they may in fact coincide. Some evidence is given in favour of this conjecture which opens a new way to attack the dot-depth problem. Moreover, it is shown that the class L(5/2) is decidable in the restricted case of a two-letter alphabet.
N2  - Die Arbeit beschaeftigt sich mit der Frage nach der Berechenbarkeit der Punkttiefe sternfreier regulaerer Sprachen. Dabei handelt es sich um die Aufgabe, zu einer gegebenen sternfreien regulaeren Sprache die minimal moegliche Anzahl von Wechseln zwischen den Operationen Konkatenation einerseits und Durchschnitt, Vereinigung, Komplement andererseits in einem sternfreien regulaeren Ausdruck fuer die gegebene Sprache zu bestimmen. Diese Frage wurde 1971 erstmals aufgeworfen (Brzozowski/Cohen) und gilt neben dem Problem der erweiterten Sternhoehe als eine der schwierigsten offenen Fragen der Theorie der regulaeren Sprachen. Formal fassen laesst sich das Problem der Punkttiefe durch Hierarchien von Klassen sternfreier regulaerer Sprachen B(0), B(1/2), B(1), B(3/2),...sowie L(0), L(1/2), L(1), L(3/2),.... die - ausgehend von einzelnen Buchstaben - mittels Alternierung zwischen Konkatenation und Booleschen Operationen definiert sind. Die Frage nach der Punkttiefe wird hier zur Frage nach der Entscheidbarkeit der Hierarchieklassen. In der Arbeit werden neue Fortschritte mittels sogenannter Verbotsmuster erzielt. Bei diesem Ansatz werden Klassen regulaerer Sprachen dadurch charakterisiert, dass in den zugehoerigen endlichen Automaten bestimmte Muster (Teilgraphen des Ueberfuehrungsgraphen) verboten werden. Gelingt eine solche Charakterisierung, folgt unmittelbar die Entscheidbarkeit der Klasse, da das Nichtvorhandensein eines Musters in einem gegebenen endlichen Automaten effektiv geprueft werden kann. Bisher war die Entscheidbarkeit von B(0), B(1/2), B(1) und L(0), L(1/2), L(1), L(3/2) bekannt. Mit Hilfe von Verbotsmustern erfolgt eine genaue Untersuchung dieser Klassen, die zu neuen Erkenntnissen ueber ihre innere Struktur fuehrt. Darueberhinaus gelingt der Nachweis der Entscheidbarkeit von B(3/2). Basierend auf diesen Ergebnissen wird eine Theorie der Verbotsmusteriteration entwickelt, die zur Einfuehrung von zwei neuen Hierarchien sternfreier regulaerer Sprachen fuehrt. Diese neuen Hierarchien sind zum einen entscheidbar, zum anderen stehen sie in enger Beziehung zu den Klassen B(n) und L(n). Es bleibt an dieser Stelle eine offene Frage, ob sie eventuell sogar mit ihnen uebereinstimmen. Fuer diese Vermutung werden einige Indizien gesammelt und somit ein neuer Weg fuer eine moegliche Loesung des Problems der Punkttiefe aufgezeigt. In diesem Zusammenhang erfolgt auch erstmals der Nachweis der Entscheidbarkeit der Klasse L(5/2) im eingeschraenkten Fall eines zweielementigen Alphabets.
KW  - Sternfreie Sprache
KW  - Dot-Depth-Hierarchie
KW  - Straubing-Th´erien-Hierarchie
KW  - Verbotenes Muster
KW  - Theoretische Informatik
KW  - reguläre Sprachen
KW  - endliche Automaten
KW  - Dot-Depth Problem
KW  - Entscheidbarkeit
KW  - Verbotsmuster
KW  - Theoretical Computer Science
KW  - regular languages
KW  - finite automata
KW  - dot-depth problem
KW  - decidability
KW  - forbidden patterns
Y1  - 2000
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-2832
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wirth, Hans-Christoph
T1  - Multicriteria Approximation of Network Design and Network Upgrade Problems
T1  - Mehrkriterien-Approximation von Netzwerk-Design- und Netzwerk-Ausbau-Problemen
N2  - Network planning has come to great importance during the past decades. Today's telecommunication, traffic systems, and logistics would not have been evolved to the current state without careful analysis of the underlying network problems and precise implementation of the results obtained from those examinations. Graphs with node and arc attributes are a very useful tool to model realistic applications, while on the other hand they are well understood in theory. We investigate network design problems which are motivated particularly from applications in communication networks and logistics. Those problems include the search for homogeneous subgraphs in edge labeled graphs where either the total number of labels or the reload cost are subject to optimize. Further, we investigate some variants of the dial a ride problem. On the other hand, we use node and edge upgrade models to deal with the fact that in many cases one prefers to change existing networks rather than implementing a newly computed solution from scratch. We investigate the construction of bottleneck constrained forests under a node upgrade model, as well as several flow cost problems under a edge based upgrade model. All problems are examined within a framework of multi-criteria optimization. Many of the problems can be shown to be NP-hard, with the consequence that, under the widely accepted assumption that P is not equal to NP, there cannot exist efficient algorithms for solving the problems. This motivates the development of approximation algorithms which compute near-optimal solutions with provable performance guarantee in polynomial time.
N2  - Netzplanung hat in den vergangenen Jahrzehnten an Bedeutung zugenommen. Der heutige Stand im Bereich von Telekommunikation, Verkehrsnetzen und in der Logistik wäre nicht in dem Maße erreicht worden, wenn nicht die zugrundeliegenden Netzplanungsprobleme sorgfältig analysiert und die daraus gewonnenen Erkenntnisse in die Realisierung eingeflossen wären. Für die Modellierung der durch die Praxis vorgegebenen Probleme erweisen sich Graphen mit Knoten- und Kantenbewertungen als gut geeignet, zumal diese Strukturen auch in der Theorie bereits gut untersucht sind. Wir betrachten Netzwerk-Design-Probleme aus dem Bereich der Planung von Kommunikations- und Logistiknetzwerken. Gegenstand ist zunächst die Suche nach homogenen Teilgraphen in Graphen mit Kantenlabels, wobei einerseits die Gesamtszahl der benutzten Labels minimiert wird, andererseits die Kosten unter einem Umladekosten-Modell optimiert werden. Weiter werden einige Varianten des Dial-A-Ride-Problems untersucht. Im zweiten Teil der Arbeit werden Netzwerk-Ausbau-Probleme betrachtet. Dies trägt der Tatsache Rechung, dass in vielen praktischen Fällen nur die Abänderung bestehender Netze und nicht die Neukonstruktion von Netzen in Frage kommt. Alle Probleme werden im Rahmen der Mehrkriterien-Optimierung betrachtet. Viele der betrachteten Probleme lassen sich als NP-hart nachweisen. Dies hat zur Folge, dass es - unter der gängigen Annahme, dass P ungleich NP ist - keine effizienten Lösungsalgorithmen geben kann. Daher entwickeln wir Approximationsalgorithmen, die in Polynomialzeit Näherungslösungen mit beweisbarer Gütegarantie berechnen.
KW  - Netzplantechnik
KW  - Rechnernetz
KW  - Approximation
KW  - network design
KW  - network upgrade
KW  - approximation algorithms
KW  - edge labeled graphs
KW  - reload cost
KW  - spanning tree
KW  - dial a ride
KW  - constrained forest
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-2845
ER  - 
TY  - THES
A1  - Glaßer, Christian
T1  - Forbidden-Patterns and Word Extensions for Concatenation Hierarchies
T1  - Verbotsmuster und Worterweiterungen für Konkatenationshierarchien
N2  - Starfree regular languages can be build up from alphabet letters by using only Boolean operations and concatenation. The complexity of these languages can be measured with the so-called dot-depth. This measure leads to concatenation hierarchies like the dot-depth hierarchy (DDH) and the closely related Straubing-Thérien hierarchy (STH). The question whether the single levels of these hierarchies are decidable is still open and is known as the dot-depth problem. In this thesis we prove/reprove the decidability of some lower levels of both hierarchies. More precisely, we characterize these levels in terms of patterns in finite automata (subgraphs in the transition graph) that are not allowed. Therefore, such characterizations are called forbidden-pattern characterizations. The main results of the thesis are as follows: forbidden-pattern characterization for level 3/2 of the DDH (this implies the decidability of this level) decidability of the Boolean hierarchy over level 1/2 of the DDH definition of decidable hierarchies having close relations to the DDH and STH Moreover, we prove/reprove the decidability of the levels 1/2 and 3/2 of both hierarchies in terms of forbidden-pattern characterizations. We show the decidability of the Boolean hierarchies over level 1/2 of the DDH and over level 1/2 of the STH. A technique which uses word extensions plays the central role in the proofs of these results. With this technique it is possible to treat the levels 1/2 and 3/2 of both hierarchies in a uniform way. Furthermore, it can be used to prove the decidability of the mentioned Boolean hierarchies. Among other things we provide a combinatorial tool that allows to partition words of arbitrary length into factors of bounded length such that every second factor u leads to a loop with label u in a given finite automaton.
N2  - Sternfreie reguläre Sprachen können aus Buchstaben unter Verwendung Boolescher Operationen und Konkatenation aufgebaut werden. Die Komplexität solcher Sprachen lässt sich durch die sogenannte "Dot-Depth" messen. Dieses Maß führt zu Konkatenationshierarchien wie der Dot-Depth-Hierachie (DDH) und der Straubing-Thérien-Hierarchie (STH). Die Frage nach der Entscheidbarkeit der einzelnen Stufen dieser Hierarchien ist als (immer noch offenes) Dot-Depth-Problem bekannt. In dieser Arbeit beweisen wir die Entscheidbarkeit einiger unterer Stufen beider Hierarchien. Genauer gesagt charakterisieren wir diese Stufen durch das Verbot von bestimmten Mustern in endlichen Automaten. Solche Charakterisierungen werden Verbotsmustercharakterisierungen genannt. Die Hauptresultate der Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen: Verbotsmustercharakterisierung der Stufe 3/2 der DDH (dies hat die Entscheidbarkeit dieser Stufe zur Folge) Entscheidbarkeit der Booleschen Hierarchie über der Stufe 1/2 der DDH Definition von entscheidbaren Hierarchien mit engen Verbindungen zur DDH und STH Darüber hinaus beweisen wir die Entscheidbarkeit der Stufen 1/2 und 3/2 beider Hierarchien (wieder mittels Verbotsmustercharakterisierungen) und die der Booleschen Hierarchien über den Stufen 1/2 der DDH bzw. STH. Dabei stützen sich die Beweise größtenteils auf eine Technik, die von Eigenschaften bestimmter Worterweiterungen Gebrauch macht. Diese Technik erlaubt eine einheitliche Vorgehensweise bei der Untersuchung der Stufen 1/2 und 3/2 beider Hierarchien. Außerdem wird sie in den Beweisen der Entscheidbarkeit der genannten Booleschen Hierarchien verwendet. Unter anderem wird ein kombinatorisches Hilfsmittel zur Verfügung gestellt, das es erlaubt, Wörter beliebiger Länge in Faktoren beschränkter Länge zu zerlegen, so dass jeder zweite Faktor u zu einer u-Schleife in einem gegebenen endlichen Automaten führt.
KW  - Automatentheorie
KW  - Formale Sprache
KW  - Entscheidbarkeit
KW  - Reguläre Sprache
KW  - Berechenbarkeit
KW  - Theoretische Informatik
KW  - reguläre Sprachen
KW  - endliche Automaten
KW  - Dot-Depth Problem
KW  - Entscheidbarkeit
KW  - Verbotsmuster
KW  - Worterweiterungen
KW  - Theoretical Computer Science
KW  - regular languages
KW  - finite automata
KW  - dot-depth problem
KW  - decidability
KW  - forbidden patterns
KW  - word extensions
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-1179153
ER  - 
TY  - THES
A1  - Klügl, Franziska
T1  - Aktivitätsbasierte Verhaltensmodellierung und ihre Unterstützung bei Multiagentensimulationen
T1  - "Activity"-based Modelling of Behaviour and its Support for Multi-Agent Simulation
N2  - Durch Zusammenführung traditioneller Methoden zur individuenbasierten Simulation und dem Konzept der Multiagentensysteme steht mit der Multiagentensimulation eine Methodik zur Verfügung, die es ermöglicht, sowohl technisch als auch konzeptionell eine neue Ebene an Detaillierung bei Modellbildung und Simulation zu erreichen. Ein Modell beruht dabei auf dem Konzept einer Gesellschaft: Es besteht aus einer Menge interagierender, aber in ihren Entscheidungen autonomen Einheiten, den Agenten. Diese ändern durch ihre Aktionen ihre Umwelt und reagieren ebenso auf die für sie wahrnehmbaren Änderungen in der Umwelt. Durch die Simulation jedes Agenten zusammen mit der Umwelt, in der er "lebt", wird die Dynamik im Gesamtsystem beobachtbar. In der vorliegenden Dissertation wurde ein Repräsentationsschema für Multiagentensimulationen entwickelt werden, das es Fachexperten, wie zum Beispiel Biologen, ermöglicht, selbständig ohne traditionelles Programmieren Multiagentenmodelle zu implementieren und mit diesen Experimente durchzuführen. Dieses deklarative Schema beruht auf zwei Basiskonzepten: Der Körper eines Agenten besteht aus Zustandsvariablen. Das Verhalten des Agenten kann mit Regeln beschrieben werden. Ausgehend davon werden verschiedene Strukturierungsansätze behandelt. Das wichtigste Konzept ist das der "Aktivität", einer Art "Verhaltenszustand": Während der Agent in einer Aktivität A verweilt, führt er die zugehörigen Aktionen aus und dies solange, bis eine Regel feuert, die diese Aktivität beendet und eine neue Aktivität auswählt. Durch Indizierung dieser Regeln bei den zugehörigen Aktivitäten und Einführung von abstrakten Aktivitäten entsteht ein Schema für eine vielfältig strukturierbare Verhaltensbeschreibung. Zu diesem Schema wurde ein Interpreter entwickelt, der ein derartig repräsentiertes Modell ausführt und so Simulationsexperimente mit dem Multiagentenmodell erlaubt. Auf dieser Basis wurde die Modellierungs- und Experimentierumgebung SeSAm ("Shell für Simulierte Agentensysteme") entwickelt. Sie verwendet vorhandene Konzepte aus dem visuellen Programmieren. Mit dieser Umgebung wurden Anwendungsmodelle aus verschiedenen Domänen realisiert: Neben abstrakten Spielbeispielen waren dies vor allem Fragestellungen zu sozialen Insekten, z.B. zum Verhalten von Ameisen, Bienen oder der Interaktion zwischen Bienenvölkern und Milbenpopulationen.
N2  - In this thesis a representational scheme for multi-agent simulations was developed. This framework enables domain experts - e.g. biologists - to build models and carry out experiments without having to understand and use traditional programming languages. The resulting declarative framework is based on two concepts: the body of an agent can be modelled by a set of state variables. The behaviour of the agents can be described best by using rules. With this as a starting point various approaches for structuring the description are examined. The most important concept is the concept of "activity" - a kind of "behavioural state": While the agent is in a certain activity A, it carries out the sequence of actions that is associated with A - and continues with it until a rule fires thus terminating the activity A and selecting a new one. By indexing these rules at the activity they are terminating and by introducing abstract activities, a framework for behaviour modelling emerges that can be structured in multifarious ways. An interpreter executing this representation scheme was developed in order to allow simulation experiments with such a multi-agent model. This simulator was integrated into a modelling and simulation environment, named SeSAm ("Shell for Simulated Agent-Systems"). Using this framework several models in different application domains are implemented: They are ranging from simple games to complex models, especially of social insects - e.g. the behaviour of ants or bees or the interactions between bee hives and mite populations.
KW  - Agent <Informatik>
KW  - Simulation
KW  - Computersimulation
KW  - Mehragentensystem
KW  - Simulation
KW  - Modellierung
KW  - Multiagentensystem
KW  - Regelbasiertes System
KW  - Simulation
KW  - Modelling
KW  - Multi-agent system
KW  - Rule-based Systems
Y1  - 2000
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-2874
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TY  - THES
A1  - Schäfer, Dirk
T1  - Globale Selbstlokalisation autonomer mobiler Roboter - Ein Schlüsselproblem der Service-Robotik
T1  - The global self-localisation problem - a key problem in the field of service robotics
N2  - Die Dissertation behandelt die Problemstellung der globalen Selbstlokalisation autonomer mobiler Roboter, welche folgendermaßen beschrieben werden kann: Ein mobiler Roboter, eingesetzt in einem Gebäude, kann unter Umständen das Wissen über seinen Standort verlieren. Man geht nun davon aus, dass dem Roboter eine Gebäudekarte als Modell zur Verfügung steht. Mit Hilfe eines Laser-Entfernungsmessers kann das mobile Gerät neue Informationen aufnehmen und damit bei korrekter Zuordnung zur Modellkarte geeignete hypothetische Standorte ermitteln. In der Regel werden diese Positionen aber mehrdeutig sein. Indem sich der Roboter intelligent in seiner Einsatzumgebung bewegt, kann er die ursprünglichen Sensordaten verifizieren und ermittelt im besten Fall seine tatsächliche Position.Für diese Problemstellung wird ein neuer Lösungsansatz in Theorie und Praxis präsentiert, welcher die jeweils aktuelle lokale Karte und damit alle Sensordaten mittels feature-basierter Matchingverfahren auf das Modell der Umgebung abbildet. Ein Explorationsalgorithmus bewegt den Roboter während der Bewegungsphase autonom zu Sensorpunkten, welche neue Informationen bereitstellen. Während der Bewegungsphase werden dabei die bisherigen hypothetischen Positionen bestärkt oder geschwächt, sodaß nach kurzer Zeit eine dominante Position, die tatsächliche Roboterposition,übrigbleibt.
N2  - This thesis is dealing with the global self-localisation problem, which is known to be one of the hardest problems among autonomous mobile systems. The problem can be described as follows: A mobile robot agent has a map of the environment but does not know its position. It is equipped with ultransonic sensors and a laser range finder as main sensor. The goal of the robot agent is to recognize its true position within the environment.The level of complexity of this task increases with the size and also with the level of symmetry of the indoor environment. To cope with the problem a new approach will be presented in this thesis using state of the art map building and exploration algorithms as well as feature based localisation methods. Decomposition of the global map into a number of submaps, informative feature selection and multiple submap localisation queries ensure the road of success. The capability of the approach to global self-localising the robot is pointed out by several practical studies.
KW  - Mobiler Roboter
KW  - Autonomer Roboter
KW  - Lokalisation
KW  - Globale Selbstlokalisation
KW  - Mobile Roboter
KW  - Kartierung
KW  - Feature-Matching
KW  - Gllobal self-localisation
KW  - mobile robots
KW  - slam
KW  - feature-matching
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-7601
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TY  - THES
A1  - Heck, Klaus
T1  - Wireless LAN performance studies in the context of 4G networks
N2  - Wireless communication is nothing new. The first data transmissions based on electromagnetic waves have been successfully performed at the end of the 19th century. However, it took almost another century until the technology was ripe for mass market. The first mobile communication systems based on the transmission of digital data were introduced in the late 1980s. Within just a couple of years they have caused a revolution in the way people communicate. The number of cellular phones started to outnumber the fixed telephone lines in many countries and is still rising. New technologies in 3G systems, such as UMTS, allow higher data rates and support various kinds of multimedia services. Nevertheless, the end of the road in wireless communication is far from being reached. In the near future, the Internet and cellular phone systems are expected to be integrated to a new form of wireless system. Bandwidth requirements for a rich set of wireless services, e.g.\ video telephony, video streaming, online gaming, will be easily met. The transmission of voice data will just be another IP based service. On the other hand, building such a system is by far not an easy task. The problems in the development of the UMTS system showed the high complexity of wireless systems with support for bandwidth-hungry, IP-based services. But the technological challenges are just one difficulty. Telecommunication systems are planned on a world-wide basis, such that standard bodies, governments, institutions, hardware vendors, and service providers have to find agreements and compromises on a number of different topics. In this work, we provide the reader with a discussion of many of the topics involved in the planning of a Wireless LAN system that is capable of being integrated into the 4th generation mobile networks (4G) that is being discussed nowadays. Therefore, it has to be able to cope with interactive voice and video traffic while still offering high data rates for best effort traffic. Let us assume a scenario where a huge office complex is completely covered with Wireless LAN access points. Different antenna systems are applied in order to reduce the number of access points that are needed on the one hand, while optimizing the coverage on the other. No additional infrastructure is implemented. Our goal is to evaluate whether the Wireless LAN technology is capable of dealing with the various demands of such a scenario. First, each single access point has to be capable of supporting best-effort and Quality of Service (QoS) demanding applications simultaneously. The IT infrastructure in our scenario consists solely of Wireless LAN, such that it has to allow users surfing the Web, while others are involved in voice calls or video conferences. Then, there is the problem of overlapping cells. Users attached to one access point produce interference for others. However, the QoS support has to be maintained, which is not an easy task. Finally, there are nomadic users, which roam from one Wireless LAN cell to another even during a voice call. There are mechanisms in the standard that allow for mobility, but their capabilities for QoS support are yet to be studied. This shows the large number of unresolved issues when it comes to Wireless LAN in the context of 4G networks. In this work we want to tackle some of the problems.
KW  - Drahtloses lokales Netz
KW  - Wireless LAN
KW  - Voice-over-IP (VoIP)
KW  - Quality-of-Service (QoS)
KW  - IEEE 802.11e
KW  - 4G Networks
KW  - Wireless LAN
KW  - Voice-over-IP (VoIP)
KW  - Quality-of-Service (QoS)
KW  - IEEE 802.11e
KW  - 4G Networks
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-14896
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TY  - THES
A1  - Kluge, Boris
T1  - Motion coordination for a mobile robot in dynamic environments
N2  - Generating coordinated motion for a mobile robot operating in natural, continuously changing environments among moving obstacles such as humans is a complex task which requires the solution of various sub problems. In this thesis, we will cover the topics of perception and navigation in dynamic environments, as well as reasoning about the motion of the obstacles and of the robot itself. Perception is mainly considered for a laser range finder, and an according method for obstacle detection and tracking is proposed. Network optimization algorithms are used for data association in the tracking step, resulting in considerable robustness with respect to clutter by small objects. Navigation in general is accomplished using an adaptation of the velocity obstacle approach to the given vehicle kinematics, and cooperative motion coordination between the robot and a human guide is achieved using an appropriate selection rule for collision-free velocities. Next, the robot is enabled to compare its path to the path of a human guide using one of a collection of presented distance measures, which permits the detection of exceptional conditions. Furthermore, a taxonomy for the assessment of situations concerning the robot is presented, and following a summary of existing approaches to more intelligent and comprehensive perception, we propose a method for obstruction detection. Finally, a new approach to reflective navigation behaviors is described where the robot reasons about intelligent moving obstacles in its environment, which allows to adjust the character of the robot motion from regardful and defensive to more self-confident and aggressive behaviors.
N2  - Die Realisierung einer koordinierten und effektiven Fortbewegung für einen mobilen Roboter in natürlichen, sich kontinuierlich verändernden Umgebungen unter sich ebenso bewegenden Hindernissen ist eine komplexe Aufgabe, die die Lösung einer Reihe von Unterproblemen voraussetzt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich sowohl mit den Themen der Wahrnehmung und Fortbewegung in veränderlichen Umgebungen, als auch mit Methoden zur Analyse der Hindernisbewegungen in Zusammenhang mit der Roboterbewegung selbst. Die Wahrnehmung wird in erster Linie anhand von Laserscannern betrachtet, und ein entsprechendes Verfahren zur Hindernisdetektion und -verfolung wird vorgestellt. Dabei werden Verfahren der globalen Netzwerkoptimierung eingesetzt, um Korrespondenzen zwischen Objekten aus den Einzelbildern herzustellen, was sich positiv auf die Robustheit gegenüber Störungen durch sporadische kleine Objekte auswirkt. Die Navigation basiert auf einer Adaption des sog. "Velocity Obstacle" Ansatzes auf die vorhandene Fahrzeugkinematik, und eine kooperative Bewegungskoordination (Roboter begleitet Mensch) wird durch eine geeignete Auswahlregel für kollisionsfreie Geschwindigkeiten realisiert. Anschließend werden verschiedene Distanzmaße eingeführt, anhand derer sich etwa der Pfad des Roboters mit dem Pfad seiner Begleitperson vergleichen lässt. Weiter wird eine Klassifizierung von Situationen vorgenommen, in die der Roboter potentiell involviert sein kann, und nach einer Übersicht über existierende Ansätze zur automatischen Intentionserkennung wird ein praktikabler Ansatz zur Erkennung gezielter Behinderungen eines mobilen Roboters vorgestellt. Die Arbeit schließt mit einem neuen Ansatz der Bewegungsplanung in dynamischen Umgebungen, der auf rekursiven Modellen des Roboters von seinem Gegenüber basiert, d.h. der Roboter berechnet zunächst, wie er sich in der Situation des (intelligenten, beweglichen) Hindernisses fortbewegen würde, und bezieht dies in die Entscheidung über die eigene Fortbewegung mit ein. Je nach Rekursionstiefe entstehen hierdurch Verhaltensweisen unterschiedlichen Charakters für den Roboter.
T2  - Bewegungskoordination für einen mobilen Roboter in dynamischen Umgebungen
KW  - Bewegungsablauf
KW  - Roboter
KW  - Roboter
KW  - Bewegungsplanung
KW  - dynamische Umgebungen
KW  - Robot
KW  - Motion Planning
KW  - Dynamic Environments
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15508
ER  -