Bulletin 100, August 97 

   
 
Combinatorial Algorithms  for Pattern Recognition
in Composite Tracking Chambers
 
Jean-François Pusztaszeri
 
School of Operations Research and Industrial Engineering
Cornell University
 
This work represents the first successful attempt at employing a combinatorial approach to solve the data association phase of multiple-target tracking in experimental high energy physics. It is shown not only to merge reasonably well with mainstream parameter estimation procedures used in practice, among which the Extended Kalman Filter (EKF), but also to provide in several instances the only alternative to exhaustive search when precision requirements are in place.
 
More generally, this effort also reveals that, in the context of multiple-target tracking with simultaneous returns, the robustness of Kalman filtering can be substantially improved by coupling it to a combinatorial steering algorithm which take its data association measure from the suboptimal prediction returned by the EKF. When indeed convergence criteria of the filter are not met, as often is the case in practice, the task of the combinatorial framework is to perform a recursive generation of integer programming subproblems which minimize local residuals.
 
The approach was fully tested within the context of ALEPH, one of the four experiments utilizing the LEP accelerator at CERN. It was implemented in parts in the official reconstruction code of the experiment, establishing its usefulness over sequential methods used until then. Models in this context were of the generalized assignment and set packing types. In the course of the implementation, care had been taken to retain nearest-neighbour search methods whenever possible, and use them for track initiation by adding simple stopping criteria. For large integer programming instances, use was made of a decomposition heuristic revealed by a study on the cluster structure of observations.
 
Work on mathematical modeling was only started once a thorough investigation of information processing requirements for this tracking application had been completed, leading to a clean formulation and to good experimental results. While specifically developed for ALEPH, the approach has been kept as general as possible, and is shown to generalize to other experiments with only modest additional modeling effort.

 
Dr. Jean-Francois Pusztaszeri
School of Operations Research and Industrial Engineering
720, Frank H. T. Rhodes Hall, Cornell University
Ithaca, NY 14853-3801, U.S.A.
Ph. +1.607.255.7885
Fax. +1.607.255.9129
pusztaszeri@cornell.edu
 



 
 
Standortprobleme mit Berücksichtigung von Kapazitätsrestriktionen :
Modellierung und Lösungsverfahren
 
Paul Wentges
 
Abteilung Betriebswirtschaft
Universität Ulm
 
Standortentscheidungen sind aufgrund ihres langfristigen Charakters für den wirtschaftlichen Erfolg einer Unternehmung von großer Wichtigkeit. Wenngleich bei der betrieblichen Standortwahl sicherlich häufig das sprichwörtliche Fingerspitzengefühl des erfahrenen Unternehmers nicht ohne Bedeutung ist, dürfte jedoch vor allem in komplexen Entscheidungssituationen eine systematische Vorgehensweise und die Anwendung geeigneter Modelle und Methoden in Abhängigkeit von der jeweiligen Problemstellung für eine gute Standortplanung unerläßlich sein.
 
Ziel der Arbeit ist die detaillierte Auseinandersetzung mit einem der wichtigsten Modelle des Operations Research aus dem Bereich der gemischt-ganzzahligen Standorttheorie: des Capacitated-Facility-Location-Problems ((CFLP)). Eine dem (CFLP) typischerweise zugrundeliegende Problemstellung wird durch das nachfolgend kurz skizzierte Anwendungsbeispiel beschrieben:
 
Verteilzentren (Auslieferungslager) sollen eingerichtet werden, um die Nachfrage von Kunden nach einem bestimmten Gut zu befriedigen, wobei Kapazitätsrestriktionen bei den einzelnen Verteilzentren zu berücksichtigen sind. Aus einer vorgegebenen Menge potentieller Standorte ist nun eine Standortkombination derart auszuwählen, daß die Summe aus den variablen Transportkosten zur Versorgung aller Kunden und den fixen Kosten zur Errichtung bzw. Erhaltung der Verteilzentren minimiert wird.
 
Da Capacitated-Facility-Location-Probleme zur Klasse der NP-harten Probleme gehören, sind sie im allgemeinen schwer zu lösen. Der Schwerpunkt der Arbeit wurde daher darauf gelegt, bereits bestehende Verfahren zur Lösung des Capacitated-Facility-Location-Problems auf ihre Tauglichkeit hin zu untersuchen und Verbesserungsmöglichkeiten für diese
Verfahren auszuloten bzw. neue Lösungsverfahren zu entwickeln. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand dabei die Auseinandersetzung mit den Dekompositionsverfahren der gemischt-ganzzahligen linearen Programmierung.
 
Als wesentliche Ergebnisse der Arbeit sind zu nennen:  
Dr. Paul Wentges
Universität Ulm
Abteilung Betriebswirtschaft
D - 89069 Ulm
Tel : 0049-731-502 3544
Fax : 0049-731-502 3584
wentges@mathematik.uni-ulm.de
 
  


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