BRICKS-project brengt kenniseconomie op hoger plan

BRICKS-project/Gerard Verhoogt
Foto/Bart van Overbeeke

“Het leukste aan BRICKS is dat je vrij fundamenteel onderzoek kunt doen. Daarbij kun je veel toepassingen bekijken, juist omdat het project zoveel facetten bevat. Er is ook geen conflict tussen fundamenteel en toegepast onderzoek, want toepassingen roepen juist weer fundamentele vragen op. Die interactie is erg spannend en uniek.” Prof.dr. Karen Aardal van de faculteit Wiskunde en Informatica werkt sinds 2004 mee aan het BRICKS-project, dat nog tot 2009 loopt en de Nederlandse kenniseconomie een grote stap vooruit moet helpen.

BRICKS is een groot project dat wordt gefinancierd uit de aardgasgelden middels de Subsidies Investering Kennisinfrastructuur. Wiskunde en informatica worden gezien als de motor voor de Nederlandse kenniseconomie en met name voor de ict-technologie, die inmiddels in alle gebieden van de samenleving is doorgedrongen. Deelnemers aan BRICKS zijn onder andere het Centrum voor Wiskunde en Informatica, onderzoeksfinancier NWO, de wiskunde- en informaticafaculteiten van de technische universiteiten en de Universiteit Utrecht.
Het onderzoek mikt op innovaties in zowel bekende als nieuwe disciplines. Uitgangspunt daarbij is de Onderzoeksagenda van het Informaticaonderzoek Platform Nederland, die zeven onderzoeksgebieden omvat. Dit zijn Embedded Systems, Software Engineering, Multimedia, Parallel and Distributed Computing, Algorithms and Formal Methods, Intelligent Systems en Modelling, Simulation and Visualization. Daarvan bestrijkt BRICKS de laatste vier gebieden. Parallel and Distributed Computing heeft vooral betrekking op manieren om op grote schaal te rekenen, Modelling, Simulation and Visualization heeft onder meer te maken met het berekenen en maken van grote simulaties zoals het weer en het klimaat, maar ook voor virtual reality en de biomedische technologie. Algorithms and Formal Methods is een zeer gevarieerd gebied, dat zich onder andere bezighoudt met de kwantumcomputer, maar ook met de vraag: hoe bewijs je dat een bepaalde code of een bepaald programma robuust is en goed functioneert? Intelligent Systems gaat vooral over beslissingsondersteunende computersystemen.
In totaal worden zo’n dertig TU/e-onderzoekers, van aio’s tot hoogleraren, rechtstreeks gefinancierd uit BRICKS. Aardal, gespecialiseerd in optimaliseringstechnieken, leidt voor BRICKS een deelproject binnen het onderdeel Intelligent Systems. Dit deelproject, waarbij onder meer KLM, NS Reizigers en Schiphol betrokken zijn, heeft betrekking op Decision Support Systems for Logistic Networks and Supply Chain Optimization.

Efficiënt
Aardal: “Ook in supply chain management wordt veel wiskunde gebruikt, bijvoorbeeld bij de fabricage van auto’s. Daar begin je normaliter mee als de bestelling binnen is: rode kleur, open dak, leren bekleding, motor met benzine-injectie, enzovoorts. Vervolgens wordt een klantspecifiek label, een streepjescode, gemaakt zodat alles efficiënt aangeleverd kan worden. Om alle onderdelen op de juiste tijd op de juiste plaats te hebben, worden tal van wiskundige modellen gebruikt.”
Een ander probleem binnen het deelproject dat Aardal leidt, is het gebruik van optimalisatietechnieken voor het toewijzen van gates aan vliegtuigen op luchthaven Schiphol. Er zijn verschillende soorten gates en verschillende soorten vliegtuigen. Een Boeing stap je uit via een slurf, een City Hopper verlaat je via een trap; een Boeing 747 kan niet op de plaats van de City Hopper parkeren. Een andere variabele zijn de passagiersstromen. Bij een Schengen-vlucht mogen passagiers gewoon doorlopen, bij andere vluchten moeten reizigers naar de paspoortcontrole. En als een vliegtuig wat verder van de terminal staat, moeten bussen geregeld worden. Bovendien moeten er niet meteen problemen ontstaan als een vliegtuig een kwartier vertraging heeft, omdat er dan een file ontstaat van andere vliegtuigen. Maar tegelijk moeten de beschikbare tijd en de ruimte, zeker op Schiphol, effectief benut worden.
Een ander probleem is het maken van een dienstregeling voor de Nederlandse Spoorwegen. Aardal: “Bij een dienstregeling speelt meer dan alleen de aankomst- en vertrektijden. Bijvoorbeeld: hoe stel je de trein samen? Vooraan een koploper, dan wagons, dan weer een locomotief? Maar welke wagons heb je nodig? Er moeten bijvoorbeeld genoeg zitplaatsen zijn en de verdeling van eerste en tweede klas moet kloppen.” Treinen worden vaak in Utrecht gekoppeld en later, onder meer in Zwolle, weer gesplitst om apart naar bijvoorbeeld Groningen of Leeuwarden te gaan. Dat koppelen en splitsen mag niet te lang duren, het rangeren op het juiste platform is dus ook van belang.
Aardal: “Een dienstregeling is dus een complex geheel en vraagt het gebruik van geavanceerde wiskunde met veel variabelen waarmee je rekening moet houden. Bovendien moet het geheel robuust zijn; als er in Zoetermeer iets fout gaat, moet niet meteen het hele land daarvan de gevolgen ondervinden omdat het hele systeem vastloopt. Bij het ontwerpen van de dienstregeling maken we eerst een voorlopige wiskundige modellering. We bekijken met NS Reizigers of die realistisch is. Dat is de eerste keren zeker niet het geval, ook omdat de ene week de andere niet is. In overleg wordt de opzet steeds bijgesteld en worden alle uitzonderingen -zoveel mogelijk- toegevoegd. Je moet ook steeds kijken wat de NS wil, daar zit natuurlijk ook veel ervaring. Maar je kunt niet alles meenemen; je moet keuzes maken. Maar een voordeel van zo’n systeem is wel dat je veel oplossingen snel kunt genereren.”

Geheelgetallen
BRICKS is bedoeld om fundamenteel en toegepast onderzoek te stimuleren en Aardal is daar duidelijk heel blij mee: “Zelf zit ik één dag per week aan de TU/e; daarnaast werk ik bij het Centrum voor Wiskunde en Informatica, waar de praktijk op de achtergrond aanwezig is. In Nederland is fundamenteel onderzoek aan de technische universiteiten vaker gekoppeld aan de praktijk. Dat is prima, al moet je de balans goed in de gaten houden en moet er altijd ruimte zijn voor ‘gekke’ dingen. Door BRICKS kom ik veel in aanraking met collega’s van andere instellingen en dat is heel plezierig. Mede daardoor hebben we bijvoorbeeld veel vooruitgang geboekt bij het aanpakken van zogenoemde geheeltallige optimaliseringsproblemen. Dit model staat centraal bij veel toepassingen binnen ons deelproject. Een voorbeeld is het toewijzen van gates aan vliegtuigen op Schiphol. Je kiest een combinatie van een gate en een vliegtuig: deze combinatie kan simpelweg wel of niet. Dit toewijzen kun je wiskundig modelleren met behulp van variabelen, waarbij de uitkomst steeds 0 of 1 moet zijn. Je kunt immers geen halve gate aan een half vliegtuig toewijzen. Het zijn die gehele getallen die het optimaliseren zo moeilijk maken; het is dan ook een aparte discipline binnen de discrete wiskunde en theoretische informatica.”
Ook op het gebied van het snel vinden van toegelaten, maar niet-noodzakelijk optimale oplossingen is flinke vooruitgang geboekt. Aardal: “Stel: je zoekt naar een optimale oplossing voor een productieplanningsprobleem. Soms duurt het gewoon te lang om een optimale oplossing te vinden. Dan moet je je voorlopig tevreden stellen met de zogeheten `toegelaten oplossing’ die wel aan alle voorwaarden voldoet, maar misschien niet de beste is. Voor dat soort problemen lukt het ons soms om een methode te ontwikkelen die altijd een oplossing vindt binnen een van te voren bekend percentage van het optimum, bijvoorbeeld vijftig procent. Is de optimale productietijd bijvoorbeeld tien uur, dan vinden wij altijd een oplossing die maximaal vijftien uur duurt. Vijftig procent kan erg slecht klinken, maar in de praktijk vinden we vaak iets dat veel dichter bij het optimum zit. De vooruitgang voor dit soort onderzoek hebben we vooral kunnen boeken dankzij extra financiën en dus extra menskracht om dit onderzoek te doen.”/.

Zie voor meer informatie: www.bsik-bricks.nl.