Composite Systems Decisions

Composite Systems Decisions

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Description

Composite decisions consist of interconnected parts or subdecisions and correspond to a composite (composable, modular, decomposable) system. The composite decision approach extends the traditional paradigm of decision making of Herbert A. Simon, i.e. choice of the best alternative(s), and realizes a two-stage solving scheme: (a) the selection of alternatives as the best subdecisions or local decisions and (b) composition of the selected local decisions into a composite global decision while taking into account the quality of the local decisions and their compatibility.


Composite Systems Decisions describes an educational approach that is based on systems engineering and considered modular design of composite decisions. Divided into four parts, this book contains descriptions of basic systems approaches and examines basic ‘technological’ problems for composite systems, including: modular hierarchical design; multistage design; multistage planning; redesign/improvement/adaptation; evaluation; and, combinatorial evolution/development.

Applied researchers, undergraduate and graduate students, and practitioners in many domains will find Composite Systems Decisions a valuable reference. The basic systems problems, solving schemes, and applied examples contained in the book will also be of interest to various scientists (e.g., mathematicians, computer scientists, economists, social engineers, etc.).

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Published 30 May 2007
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EAN13 9781846280801
License: All rights reserved
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Contents
Part I Issues of Information Technology
1
2
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 General Problemsolving Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 View from Artificial Intelligence Position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Composite Systems and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Basic System Technological Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Information Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Components of Information Technology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Properties of Information Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Information and Hierarchical Structuring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Schemes and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Approaches to Knowledge Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Some Hierarchical Information Systems . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Our Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Decisionmaking Paradigm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Decisionmaking Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Towards Architecture of Decision Support Systems . . . . 2.3.3 Fourdomain Decision Making . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 Basic Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Multicriteria Ranking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Specialist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Role of the Specialist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Professional Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solving Frameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Search Spaces and Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Heuristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.3 Metaheuristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.4 Algorithm Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
3 3 5 7 8 10 11 11
13 13 13 13 15 16 17 18 18 18 20 20 22 22 22 23 23 23 25 26 26 28
xii
Contents
Part II System Approaches
3
4
5
Systems: Models, Analysis, and Synthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . System, Frames, and Modularity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 System and Structural Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Two Basic Frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Modular, Componentbased Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . System Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Principles of System Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Measurement Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 System Properties, Requirements, and Criteria . . . . . . . . System Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Approaches to System Design/Synthesis . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Hierarchical Morphological Approach . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Towards Efficiency of Combinatorial Synthesis . . . . . . . . 3.3.4 Multistage Design/Planning: Example . . . . . . . . . . . . . . . Multicriteria Evaluation of Composite Systems . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Traditional Approaches to Multicriteria Evaluation . . . . 3.4.3 Morphological Clique Problem for Evaluation . . . . . . . . . 3.4.4 Usage of Posetlike Scales for System Components . . . . . Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
Issues of Systems Engineering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Lifecycle Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Basic Stages of the Life Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Design/Management Problems and Life Cycle . . . . 4.1.3 System Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4 System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.5 System Redesign and Bottlenecks . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Maintenance of Composite Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Multistage/Trajectory Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Morphological Scheme of Product . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Multistage Product Trajectory . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Design of Treelike Trajectory . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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System Development and Evolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Short Survey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Basic System Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Combinatorial Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1 Change Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2 Exchange Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.3 Binary Relations over Change Operations . . . . . . . . . . . .
31 31 31 32 33 34 34 34 35 36 36 38 42 42 46 46 48 50 50 50
53 53 53 53 55 55 56 57 59 59 60 61 63 64
65 65 66 67 67 67 68 69
5.4.4 Multicriteria Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technological Evolution Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Combinatorial Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.1 Onestage System Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.2 Multistage System Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.3 Auxiliary Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Extended Cycle of System Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5 5.6
95 95 96 97 97 98 98 98 99 99 100 102 103 104 105 106
6
69 69 70 70 70 71 71 71 74
Contents
xiii
5.7 5.8 5.9
7
Improvement of Buildings. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 8.1 Evaluation and Redesign of Buildings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 8.2 Scheme for Improvement/Redesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 8.3 Structure of Building, Criteria, and Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 8.4 Basic Set of Improvement Actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 8.5 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.5.1 Evaluation Example: Integration Tables . . . . . . . . . . . . . . 113
Configuration and Multiproduct Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Product Family . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Multiproduct System: Common Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 Twolevel Hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.3 Structural Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.4 Complex Design Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75 75 76 77 77 77 84 86 91
Part III Applied Systems Decisions
Synthesis of Composite Packaged Software. . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Approaches to Software Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Criteria for Evaluation of Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 Assessment of Interconnection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 Example of Modular Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.1 Model of Composite Applied Software . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.2 Hierarchy of Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.3 Comparison of Initial Alternatives for Components . . . . 7.5.4 Composing of Subsystem Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.5 Composition and Analysis of System Alternatives . . . . . 7.5.6 Redundancy of Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 Example of Multistage Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.1 Aggregation Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.2 Trajectory Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
xiv
9
10
11
12
Contents
8.6
8.5.2 Evaluation Example: Morphological Design . . . . . . . . . . . 114 8.5.3 Improvement Actions and Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 8.5.4 Improvement Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Planning in Concrete Macrotechnology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 9.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 9.2 Concrete Macrotechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 9.2.1 Basic Initial Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 9.2.2 Example for Normal Weight Concrete300. . . . . . . . . . . . 125 9.2.3 Example for System Improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 9.2.4 Example for Series–Parallel Production Process . . . . . . . 128 9.2.5 Example for Multistage Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 9.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Transformation of a Specialist’s Profile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 10.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 10.2 Example of Retraining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 10.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Planning of Medical Treatment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Medical Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.1 Structure of Medical Plan and Alternatives . . . . . . 11.2.2 Criteria and Estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.3 Compatibility of Local Decisions . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.4 Composite Decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adaptation, Improvement, and Multistage Planning . . . . 11.3.1 Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.2 Improvement of Decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.3 Multistage Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.1 Towards Medical Decision Support Systems . . . . . . 11.4.2 Issues of Knowledge Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1 11.2 11.3 11.4 11.5
Design of Immunoassay Technology. . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Immunoassay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3 Structure of Immunoassay System . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4 Numerical Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.1 Alternative Local Decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.2 Compatibility of Local Decisions . . . . . . . . . . . . . 12.4.3 Design of Composite Decisions for Stages . . . . . . 12.4.4 System Structure with Design Alternatives . . . . 12.4.5 Compatibility for Stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.6 Resultant Composite Decisions . . . . . . . . . . . . . . . 12.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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135 135 135 135 136 137 138 140 140 141 141 142 142 142 143
145 145 145 146 147 147 152 152 153 154 154 154
Common Part of Digraphs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 13.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 13.2 Common Part of Two Digraphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 13.2.1 Problem Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 13.2.2 Basic Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 13.2.3 Ordinal Weights of Arcs and Comparison Binary Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 13.3 Common Part of Several Digraphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 13.3.1 Description of Arcs and Compatibility . . . . . . . . . . . . . . . 165 13.3.2 Solving Scheme and Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 13.3.3 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 13.3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 13.4 Additional Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 13.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Design of Systems (Structural Approach). . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 17.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 17.2 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 17.3 Lectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 17.4 Laboratory Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
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xv
14
Contents
The Last Mile Problem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 14.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 14.2 Description of the Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 14.3 Alternatives, Criteria, and Compatibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 14.4 Composite Decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 14.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
Combinatorial Model of Political Administration. . . . . . . . . . 177 15.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 15.2 General Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 15.3 Schemes of Political Administration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 15.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
15
General Engineering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 16.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 16.2 Generalized Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 16.2.1 Trends in Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 16.2.2 Basic Design Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 16.2.3 Educational Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 16.2.4 Educational Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 16.3 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 16.3.1 Implementation of Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 16.3.2 Towards Organizational Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 16.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Part IV Educational Issues
xvi
18
Contents
17.5 Textbooks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 17.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Applied Combinatorial Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 18.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 18.2 Goals and Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 18.3 Multilayer Teaching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 18.4 Lectures and Projects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 18.5 Textbooks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 18.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
About the Author. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
http://www.springer.com/978-1-84628-001-6