Kommunikationsnetzwerkplanung unter Kosten- und Zuverlässigkeitsgesichtspunkten mit Hilfe von evolutionären Algorithmen

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1 Kommunikationsnetzwerkplanung unter Kosten- und Zuverlässigkeitsgesichtspunkten mit Hilfe von evolutionären Algorithmen Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum politicarum (Dr. rer. pol.) eingereicht an der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften, an der Technischen Universität Ilmenau vorgelegt von Dipl.-Wirtsch.-Inf. Dirk Reichelt 1. Gutachter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Gmilkowsky, TU Ilmenau 2. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. rer. pol. habil. Armin Heinzl, Universität Mannheim Tag der Einreichung: Tag der wissenschaftlichen Aussprache: urn:nbn:de:gbv:ilml

2 Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Algorithmenverzeichnis Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis vii xi xv xvii xxv 1 Einleitung Gegenstand der Arbeit Motivation und Zielsetzung Aufbau der Arbeit 3 2 Kommunikationsnetzwerkplanung als Planungsproblem der Wirtschaftsinformatik Entscheidungstheorie im Kontext der Betriebswirtschaftslehre Gegenstand der Entscheidungstheorie Entscheidungstheorie als wesentliche Grundlage der Betriebswirtschaftslehre Das Grundmodell der betriebswirtschaftlichen Entscheidungstheorie Einordnung der Kommunikationsnetzwerkplanung als betriebswirtschaftliches Entscheidungsproblem Grundlagen der integrierten Informationsverarbeitung Das Grundmodell der integrierten Informationsverarbeitung Operative Systeme Planungs- und Kontrollsysteme zur Unterstützung von mittel- und langfristigen betriebswirtschaftlichen Entscheidungen Einordnung der Kommunikationsnetzwerkplanung in die integrierte Informationsverarbeitung Ganzheitliches Informationsmanagement zur Unterstützung der integrierten Informationsverarbeitung Die Aufgabenbereiche eines ganzheitlichen Informationsmanagements Kommunikationsmanagement als strategische Aufgabe eines ganzheitlichen Informationsmanagements IT-Sicherheitsmanagement im Rahmen eines ganzheitlichen Informationsmanagements 18 %

3 2.3.4 Kommunikationsnetzwerkplanung als Untersuchungsgegenstand des ganzheitlichen Informationsmanagements Zusammenfassung 22 Ansätze zur Planung von Kommunikationsnetzwerken Grundlagen kombinatorischer Optimierungsprobleme Kommunikationsnetzwerkplanung als kombinatorisches Optimierungsproblem Lösungsverfahren für kombinatorische Optimierungsprobleme Metaheuristiken als Lösungsansätze für kombinatorische Optimierungsprobleme Nachbarschaftssuchverfahren Populationsbasierte Verfahren Grundlagen für Entscheidungsprobleme mit mehreren Zielgrößen Ansätze zur Optimierung mit mehreren Zielgrößen Metaheuristiken für multikriterielle Optimierungsprobleme No-Free Lunch Theorem Evolutionäre Verfahren Grundlagen evolutionärer Algorithmen Evolutionäre Verfahren zur Optimierung mit einer Zielgröße Evolutionsstrategien Evolutionäres Programmieren Genetische Algorithmen Genetisches Programmieren Genetische Algorithmen als Metaheuristik für die Kommunikationsnetzwerkplanung Ansätze zur Berücksichtigung von Restriktionen im Design genetischer Algorithmen Evolutionäre Verfahren für multikriterielle Optimierungsprobleme Fitnesszuweisung für multikriterielle Optimierung Sicherstellung der Diversifikation während der Suche Elitismus zur Propagierung guter Lösungen Grundform eines multikriteriellen evolutionären Algorithmus NSGA-II - Eine populationsbasierte Metaheuristik für MKOP Bisherige Ansätze zur Planung von Kommunikationsnetzwerken Bisherige Ansätze zur Planung von Kommunikationsnetzwerken mit einer Zielgröße Bisherige Ansätze zur Planung von Kommunikationsnetzwerken mit mehreren Zielgrößen Zusammenfassung 64 Einfluss von Ausfällen und Störungen auf die Kommunikationsnetzwerkzuverlässigkeit Grundlagen zur Analyse der Zuverlässigkeit von Kommunikationsnetzwerkkomponenten 65

4 in Qualitätsmaße für Kommunikationsnetzwerke Unzuverlässige Netzwerkkomponenten Graphentheoretische Grundlagen für die Zuverlässigkeitsuntersuchung von Kommunikationsnetzwerken Zuverlässigkeitsmaße für Kommunikationsnetzwerke Komponentenzusammenhang in Kommunikationsnetzwerken Source-Terminal- und k-terminal-zuverlässigkeit Das All-Terminal-Zuverlässigkeitsmaß Verfahren zur Berechnung der All-Terminal-Zuverlässigkeit Exakte Berechnungsverfahren Zuverlässigkeitsberechnung mittels vollständiger Zustandsenumeration Ein Dekompositionsansatz zur Zuverlässigkeitsberechnung von Kommunikationsnetzwerken Stochastische und approximative Berechnungsmethoden Approximationsverfahren zur Bestimmung von Zuverlässigkeitsschranken Einsatz der Monte-Carlo-Simulation für die Netzwerkzuverlässigkeitsberechnung Eine empirische Untersuchung verschiedener Verfahren zur Bestimmung der All-Terminal-Zuverlässigkeit Probleminstanzen und Testumgebung Experimentelle Ergebnisse Auswertung Zusammenfassung 85 5 Kommunikationsnetzwerkplanung unter Zuverlässigkeitsrestriktionen Kommunikationsnetzwerkplanung unter Zuverlässigkeitsrestriktionen bei identischen Verbindungszuverlässigkeiten ohne Technologieoptionen Analyse eines Planungsansatzes STC - Eine Spannbaum-Reparaturheuristik für die Kommunikationsnetzwerkplanung STC-GA - Ein evolutionäres Planungsverfahren für die Kommunikationsnetzwerkplanung unter Verwendung der STC-Reparaturheuristik Experimentelles Design Experimentelle Ergebnisse und Auswertung Kommunikationsnetzwerkplanung mit Zuverlässigkeitsrestriktionen unter Verwendung von Technologieoptionen CURE - Eine Min-Cut Reparaturheuristik für die Kommunikationsnetzwerkplanung Zwei evolutionäre Planungsverfahren für die Kommunikationsnetzwerkplanung unter Verwendung der CURE-Reparaturheuristik LaBORNet - Ein evolutionärer Planungsansatz unter Verwendung unterschiedlicher Technologieoptionen 107

5 iv Inhaltsverzeichnis BaBORNet - Ein hybrider evolutionärer Planungsansatz unter Verwendung unterschiedlicher Technologieoptionen Eine empirische Untersuchung der Planungsansätze LaBORNet und BaBORNet Experimentelles Design Experimentelle Ergebnisse und Auswertung Zusammenfassung Kommunikationsnetzwerkplanung unter Kostenrestriktionen Kommunikationsnetzwerkplanung mit Budgetvorgaben bei identischen Verbindungszuverlässigkeiten ohne Technologieoptionen STC2 - Eine Spannbaum-Reparaturheuristik für die Kommunikationsnetzwerkplanung bei identischen Verbindungszuverlässigkeiten ohne Technologieoptionen CostliestGreedy - Eine Greedy-Heuristik für die Kommunikationsnetzwerkplanung Ein evolutionäres Planungsverfahren für die Kommunikationsnetzwerkplanung unter Budgetvorgaben unter Verwendung der STC2- Reparaturheuristik Experimentelles Design Experimentelle Ergebnisse und Auswertung Kommunikationsnetzwerkplanung mit Budgetvorgaben unter Verwendung unterschiedlicher Technologieoptionen STC3 - Eine Reparaturheuristik für die Kommunikationsnetzwerkplanung mit Budgetvorgaben unter Verwendung unterschiedlicher Technologieoptionen SAGA - Ein evolutionärer Planungsansatz mit einer adaptiven Budgetschranke Experimentelles Design Experimentelle Ergebnisse und Auswertung Zusammenfassung Kommunikationsnetzwerkplanung als multikriterielles Planungsproblem mit den Zielen Kosten und Zuverlässigkeit Ein Zielsystem für die Kommunikationsnetzwerkplanung als multikriterielles Planungsproblem mit den Zielen Kosten und Zuverlässigkeit Methodische Ansätze zur Bewertung und zum Vergleich von Lösungen multikriterieller kombinatorischer Optimierungsprobleme Quantitative Kennzahlen zur Bewertung einer Pareto-Front Qualitative Kennzahlen zur Bewertung einer Pareto-Front Multikriterielle Kommunikationsnetzwerkplanung mit Hilfe des NSGA-II Experimentelles Design für die Untersuchung des NSGA-II Experimentelle Ergebnisse und Auswertung Zwei multikriterielle, evolutionäre Planungsansätze mit einer integrierten lokalen Suche für die multikriterielle Kommunikationsnetzwerkplanung. 157

6 v COMNETEA - Ein evolutionärer Planungsansatz mit einer nachgelagerten lokalen Suche Experimentelles Design für die Untersuchung von COMNETEA Experimentelle Ergebnisse und Auswertung TPNDA - Ein multikriterieller Dekompositionsansatz für die Planung von Kommunikationsnetz-werken mit den Zielen Zuverlässigkeit und Kosten Experimentelles Design für die Untersuchung von TPNDA Experimentelle Ergebnisse und Auswertung Vergleichende Betrachtung der multikriteriellen Planungsansätze COMNETEA, TPNDA und NSGA-II Zusammenfassung Zusammenfassung Ausblick 201 A Testprobleme 203 A.l Testproblem türkeil9 203 A.2 Testproblem deeterlo 204 A.3 Testprobleme Deutschland 205 B Vergleich auf statistisch signifikanten Unterschied zweier mittels einfacher Monte-Carlo-Simulation ermittelter All-Terminal-Zuverlässigkeiten 209 Literaturverzeichnis 211