Two near-optimal layouts for trusslike bridge structures bearing uniform weight between supports

Although the primary objective on designing a structure is to support the external loads, the achievement of an optimal layout that reduces all costs associated with the structure is an aspect of increasing interest. The problem of finding the optimal layout for bridgelike structures subjected to a uniform load is considered. The problem is formulated following a theory on economy of frame structures, using the stress volume as the objective function and including the selection of appropriate values for statically indeterminate reactions. It is solved in a function space of finite dimension instead of using a general variational approach, obtaining near-optimal solutions. The results obtained with this profitable strategy are very close to the best layouts known to date, with differences of less than 2% for the stress volume, but with a simpler layout that can be recognized in some real bridges. This strategy could be a guide to preliminary design of bridges subject to a wide class of costs.

Demonstration of Near-Optimal Discrimination of Optical Coherent States

The optimal discrimination of nonorthogonal quantum states with minimum error probability is a fundamental task in quantum measurement theory as well as an important primitive in optical communication. In this work, we propose and experimentally realize a new and simple quantum measurement strategy capable of discriminating two coherent states with smaller error probabilities than can be obtained using the standard measurement devices: the Kennedy receiver and the homodyne receiver.

Near-optimal mean value estimates for multidimensional Weyl sums

We obtain sharp estimates for multidimensional generalisations of Vinogradov’s mean value theorem for arbitrary translation-dilation invariant systems, achieving constraints on the number of variables approaching those conjectured to be the best possible. Several applications of our bounds are discussed.

On the practical uselessness of structural designs derived from some theoretical optimal solutions

A recent study by Pichugin et al. recall the Hemp’s solution for uniform load of 1974, showing that if allowable tensile and compressive stresses are unequal then the Hemp’s arch is optimal provided the ratio of stresses falls within a certain interval. This work is undoubtedly an important pass forward to find an optimal solution for the mathematical problem stated by Hemp. Furthermore, the Authors suggest that their optimal solutions are potentially reasonable from a practical perspective for materials with more allowable compressive stress than tensile one, as this kind of materials used to be not too much expensive. In this paper we profoundly analyse the solutions of the Authors from this practical perspective finding that the original Hemp’s solution —albeit sub-optimal for the mathematical problem— leads to real designs that are more efficient than the theoretic optimal solutions of the Authors.We show that the reasons for this shocking fact has to do with the class of problems considered by Hemp and the Authors.

Heuristic algorithms for constructing near-optimal decision trees /

Thesis (M.S.)--University of Illinois.

Genetic algorithms for design of liquid retaining structure

In this paper, genetic algorithm (GA) is applied to the optimum design of reinforced concrete liquid retaining structures, which comprise three discrete design variables, including slab thickness, reinforcement diameter and reinforcement spacing. GA, being a search technique based on the mechanics of natural genetics, couples a Darwinian survival-of-the-fittest principle with a random yet structured information exchange amongst a population of artificial chromosomes. As a first step, a penalty-based strategy is entailed to transform the constrained design problem into an unconstrained problem, which is appropriate for GA application. A numerical example is then used to demonstrate strength and capability of the GA in this domain problem. It is shown that, only after the exploration of a minute portion of the search space, near-optimal solutions are obtained at an extremely converging speed. The method can be extended to application of even more complex optimization problems in other domains.

Knowledge-based system on optimum design of liquid retaining structures with genetic algorithms

This paper delineates the development of a prototype hybrid knowledge-based system for the optimum design of liquid retaining structures by coupling the blackboard architecture, an expert system shell VISUAL RULE STUDIO and genetic algorithm (GA). Through custom-built interactive graphical user interfaces under a user-friendly environment, the user is directed throughout the design process, which includes preliminary design, load specification, model generation, finite element analysis, code compliance checking, and member sizing optimization. For structural optimization, GA is applied to the minimum cost design of structural systems with discrete reinforced concrete sections. The design of a typical example of the liquid retaining structure is illustrated. The results demonstrate extraordinarily converging speed as near-optimal solutions are acquired after merely exploration of a small portion of the search space. This system can act as a consultant to assist novice designers in the design of liquid retaining structures.

Project scheduling under multiple resources constraints using a genetic algorithm

The resource constrained project scheduling problem (RCPSP) is a difficult problem in combinatorial optimization for which extensive investigation has been devoted to the development of efficient algorithms. During the last couple of years many heuristic procedures have been developed for this problem, but still these procedures often fail in finding near-optimal solutions. This paper proposes a genetic algorithm for the resource constrained project scheduling problem. The chromosome representation of the problem is based on random keys. The schedule is constructed using a heuristic priority rule in which the priorities and delay times of the activities are defined by the genetic algorithm. The approach was tested on a set of standard problems taken from the literature and compared with other approaches. The computational results validate the effectiveness of the proposed algorithm.

Project scheduling using a competitive genetic algorithm

- The resource constrained project scheduling problem (RCPSP) is a difficult problem in combinatorial optimization for which extensive investigation has been devoted to the development of efficient algorithms. During the last couple of years many heuristic procedures have been developed for this problem, but still these procedures often fail in finding near-optimal solutions. This paper proposes a genetic algorithm for the resource constrained project scheduling problem. The chromosome representation of the problem is based on random keys. The schedule is constructed using a heuristic priority rule in which the priorities and delay times of the activities are defined by the genetic algorithm. The approach was tested on a set of standard problems taken from the literature and compared with other approaches. The computational results validate the effectiveness of the proposed algorithm

Scalable and Efficient Configuration of TimeDivision Multiplexed Resources

Consumer-electronics systems are becoming increasingly complex as the number of integrated applications is growing. Some of these applications have real-time requirements, while other non-real-time applications only require good average performance. For cost-efficient design, contemporary platforms feature an increasing number of cores that share resources, such as memories and interconnects. However, resource sharing causes contention that must be resolved by a resource arbiter, such as Time-Division Multiplexing. A key challenge is to configure this arbiter to satisfy the bandwidth and latency requirements of the real-time applications, while maximizing the slack capacity to improve performance of their non-real-time counterparts. As this configuration problem is NP-hard, a sophisticated automated configuration method is required to avoid negatively impacting design time. The main contributions of this article are: 1) An optimal approach that takes an existing integer linear programming (ILP) model addressing the problem and wraps it in a branch-and-price framework to improve scalability. 2) A faster heuristic algorithm that typically provides near-optimal solutions. 3) An experimental evaluation that quantitatively compares the branch-and-price approach to the previously formulated ILP model and the proposed heuristic. 4) A case study of an HD video and graphics processing system that demonstrates the practical applicability of the approach.

Optimization of p-cycle protection schemes in optical networks

La survie des réseaux est un domaine d'étude technique très intéressant ainsi qu'une préoccupation critique dans la conception des réseaux. Compte tenu du fait que de plus en plus de données sont transportées à travers des réseaux de communication, une simple panne peut interrompre des millions d'utilisateurs et engendrer des millions de dollars de pertes de revenu. Les techniques de protection des réseaux consistent à fournir une capacité supplémentaire dans un réseau et à réacheminer les flux automatiquement autour de la panne en utilisant cette disponibilité de capacité. Cette thèse porte sur la conception de réseaux optiques intégrant des techniques de survie qui utilisent des schémas de protection basés sur les p-cycles. Plus précisément, les p-cycles de protection par chemin sont exploités dans le contexte de pannes sur les liens. Notre étude se concentre sur la mise en place de structures de protection par p-cycles, et ce, en supposant que les chemins d'opération pour l'ensemble des requêtes sont définis a priori. La majorité des travaux existants utilisent des heuristiques ou des méthodes de résolution ayant de la difficulté à résoudre des instances de grande taille. L'objectif de cette thèse est double. D'une part, nous proposons des modèles et des méthodes de résolution capables d'aborder des problèmes de plus grande taille que ceux déjà présentés dans la littérature. D'autre part, grâce aux nouveaux algorithmes, nous sommes en mesure de produire des solutions optimales ou quasi-optimales. Pour ce faire, nous nous appuyons sur la technique de génération de colonnes, celle-ci étant adéquate pour résoudre des problèmes de programmation linéaire de grande taille. Dans ce projet, la génération de colonnes est utilisée comme une façon intelligente d'énumérer implicitement des cycles prometteurs. Nous proposons d'abord des formulations pour le problème maître et le problème auxiliaire ainsi qu'un premier algorithme de génération de colonnes pour la conception de réseaux protegées par des p-cycles de la protection par chemin. L'algorithme obtient de meilleures solutions, dans un temps raisonnable, que celles obtenues par les méthodes existantes. Par la suite, une formulation plus compacte est proposée pour le problème auxiliaire. De plus, nous présentons une nouvelle méthode de décomposition hiérarchique qui apporte une grande amélioration de l'efficacité globale de l'algorithme. En ce qui concerne les solutions en nombres entiers, nous proposons deux méthodes heurisiques qui arrivent à trouver des bonnes solutions. Nous nous attardons aussi à une comparaison systématique entre les p-cycles et les schémas classiques de protection partagée. Nous effectuons donc une comparaison précise en utilisant des formulations unifiées et basées sur la génération de colonnes pour obtenir des résultats de bonne qualité. Par la suite, nous évaluons empiriquement les versions orientée et non-orientée des p-cycles pour la protection par lien ainsi que pour la protection par chemin, dans des scénarios de trafic asymétrique. Nous montrons quel est le coût de protection additionnel engendré lorsque des systèmes bidirectionnels sont employés dans de tels scénarios. Finalement, nous étudions une formulation de génération de colonnes pour la conception de réseaux avec des p-cycles en présence d'exigences de disponibilité et nous obtenons des premières bornes inférieures pour ce problème.

Gestion adaptative des ressources dans les réseaux maillés sans fil à multiples-radios multiples-canaux

Depuis quelques années, la recherche dans le domaine des réseaux maillés sans fil ("Wireless Mesh Network (WMN)" en anglais) suscite un grand intérêt auprès de la communauté des chercheurs en télécommunications. Ceci est dû aux nombreux avantages que la technologie WMN offre, telles que l'installation facile et peu coûteuse, la connectivité fiable et l'interopérabilité flexible avec d'autres réseaux existants (réseaux Wi-Fi, réseaux WiMax, réseaux cellulaires, réseaux de capteurs, etc.). Cependant, plusieurs problèmes restent encore à résoudre comme le passage à l'échelle, la sécurité, la qualité de service (QdS), la gestion des ressources, etc. Ces problèmes persistent pour les WMNs, d'autant plus que le nombre des utilisateurs va en se multipliant. Il faut donc penser à améliorer les protocoles existants ou à en concevoir de nouveaux. L'objectif de notre recherche est de résoudre certaines des limitations rencontrées à l'heure actuelle dans les WMNs et d'améliorer la QdS des applications multimédia temps-réel (par exemple, la voix). Le travail de recherche de cette thèse sera divisé essentiellement en trois principaux volets: le contrôle d‟admission du trafic, la différentiation du trafic et la réaffectation adaptative des canaux lors de la présence du trafic en relève ("handoff" en anglais). Dans le premier volet, nous proposons un mécanisme distribué de contrôle d'admission se basant sur le concept des cliques (une clique correspond à un sous-ensemble de liens logiques qui interfèrent les uns avec les autres) dans un réseau à multiples-sauts, multiples-radios et multiples-canaux, appelé RCAC. Nous proposons en particulier un modèle analytique qui calcule le ratio approprié d'admission du trafic et qui garantit une probabilité de perte de paquets dans le réseau n'excédant pas un seuil prédéfini. Le mécanisme RCAC permet d‟assurer la QdS requise pour les flux entrants, sans dégrader la QdS des flux existants. Il permet aussi d‟assurer la QdS en termes de longueur du délai de bout en bout pour les divers flux. Le deuxième volet traite de la différentiation de services dans le protocole IEEE 802.11s afin de permettre une meilleure QdS, notamment pour les applications avec des contraintes temporelles (par exemple, voix, visioconférence). À cet égard, nous proposons un mécanisme d'ajustement de tranches de temps ("time-slots"), selon la classe de service, ED-MDA (Enhanced Differentiated-Mesh Deterministic Access), combiné à un algorithme efficace de contrôle d'admission EAC (Efficient Admission Control), afin de permettre une utilisation élevée et efficace des ressources. Le mécanisme EAC prend en compte le trafic en relève et lui attribue une priorité supérieure par rapport au nouveau trafic pour minimiser les interruptions de communications en cours. Dans le troisième volet, nous nous intéressons à minimiser le surcoût et le délai de re-routage des utilisateurs mobiles et/ou des applications multimédia en réaffectant les canaux dans les WMNs à Multiples-Radios (MR-WMNs). En premier lieu, nous proposons un modèle d'optimisation qui maximise le débit, améliore l'équité entre utilisateurs et minimise le surcoût dû à la relève des appels. Ce modèle a été résolu par le logiciel CPLEX pour un nombre limité de noeuds. En second lieu, nous élaborons des heuristiques/méta-heuristiques centralisées pour permettre de résoudre ce modèle pour des réseaux de taille réelle. Finalement, nous proposons un algorithme pour réaffecter en temps-réel et de façon prudente les canaux aux interfaces. Cet algorithme a pour objectif de minimiser le surcoût et le délai du re-routage spécialement du trafic dynamique généré par les appels en relève. Ensuite, ce mécanisme est amélioré en prenant en compte l‟équilibrage de la charge entre cliques.

Domain/Multi-Domain Protection and Provisioning in Optical Networks

L’évolution récente des commutateurs de sélection de longueurs d’onde (WSS -Wavelength Selective Switch) favorise le développement du multiplexeur optique d’insertionextraction reconfigurable (ROADM - Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers) à plusieurs degrés sans orientation ni coloration, considéré comme un équipement fort prometteur pour les réseaux maillés du futur relativement au multiplexage en longueur d’onde (WDM -Wavelength Division Multiplexing ). Cependant, leur propriété de commutation asymétrique complique la question de l’acheminement et de l’attribution des longueur d’ondes (RWA - Routing andWavelength Assignment). Or la plupart des algorithmes de RWA existants ne tiennent pas compte de cette propriété d’asymétrie. L’interruption des services causée par des défauts d’équipements sur les chemins optiques (résultat provenant de la résolution du problème RWA) a pour conséquence la perte d’une grande quantité de données. Les recherches deviennent ainsi incontournables afin d’assurer la survie fonctionnelle des réseaux optiques, à savoir, le maintien des services, en particulier en cas de pannes d’équipement. La plupart des publications antérieures portaient particulièrement sur l’utilisation d’un système de protection permettant de garantir le reroutage du trafic en cas d’un défaut d’un lien. Cependant, la conception de la protection contre le défaut d’un lien ne s’avère pas toujours suffisante en termes de survie des réseaux WDM à partir de nombreux cas des autres types de pannes devenant courant de nos jours, tels que les bris d’équipements, les pannes de deux ou trois liens, etc. En outre, il y a des défis considérables pour protéger les grands réseaux optiques multidomaines composés de réseaux associés à un domaine simple, interconnectés par des liens interdomaines, où les détails topologiques internes d’un domaine ne sont généralement pas partagés à l’extérieur. La présente thèse a pour objectif de proposer des modèles d’optimisation de grande taille et des solutions aux problèmes mentionnés ci-dessus. Ces modèles-ci permettent de générer des solutions optimales ou quasi-optimales avec des écarts d’optimalité mathématiquement prouvée. Pour ce faire, nous avons recours à la technique de génération de colonnes afin de résoudre les problèmes inhérents à la programmation linéaire de grande envergure. Concernant la question de l’approvisionnement dans les réseaux optiques, nous proposons un nouveau modèle de programmation linéaire en nombres entiers (ILP - Integer Linear Programming) au problème RWA afin de maximiser le nombre de requêtes acceptées (GoS - Grade of Service). Le modèle résultant constitue celui de l’optimisation d’un ILP de grande taille, ce qui permet d’obtenir la solution exacte des instances RWA assez grandes, en supposant que tous les noeuds soient asymétriques et accompagnés d’une matrice de connectivité de commutation donnée. Ensuite, nous modifions le modèle et proposons une solution au problème RWA afin de trouver la meilleure matrice de commutation pour un nombre donné de ports et de connexions de commutation, tout en satisfaisant/maximisant la qualité d’écoulement du trafic GoS. Relativement à la protection des réseaux d’un domaine simple, nous proposons des solutions favorisant la protection contre les pannes multiples. En effet, nous développons la protection d’un réseau d’un domaine simple contre des pannes multiples, en utilisant les p-cycles de protection avec un chemin indépendant des pannes (FIPP - Failure Independent Path Protecting) et de la protection avec un chemin dépendant des pannes (FDPP - Failure Dependent Path-Protecting). Nous proposons ensuite une nouvelle formulation en termes de modèles de flots pour les p-cycles FDPP soumis à des pannes multiples. Le nouveau modèle soulève un problème de taille, qui a un nombre exponentiel de contraintes en raison de certaines contraintes d’élimination de sous-tour. Par conséquent, afin de résoudre efficacement ce problème, on examine : (i) une décomposition hiérarchique du problème auxiliaire dans le modèle de décomposition, (ii) des heuristiques pour gérer efficacement le grand nombre de contraintes. À propos de la protection dans les réseaux multidomaines, nous proposons des systèmes de protection contre les pannes d’un lien. Tout d’abord, un modèle d’optimisation est proposé pour un système de protection centralisée, en supposant que la gestion du réseau soit au courant de tous les détails des topologies physiques des domaines. Nous proposons ensuite un modèle distribué de l’optimisation de la protection dans les réseaux optiques multidomaines, une formulation beaucoup plus réaliste car elle est basée sur l’hypothèse d’une gestion de réseau distribué. Ensuite, nous ajoutons une bande pasiv sante partagée afin de réduire le coût de la protection. Plus précisément, la bande passante de chaque lien intra-domaine est partagée entre les p-cycles FIPP et les p-cycles dans une première étude, puis entre les chemins pour lien/chemin de protection dans une deuxième étude. Enfin, nous recommandons des stratégies parallèles aux solutions de grands réseaux optiques multidomaines. Les résultats de l’étude permettent d’élaborer une conception efficace d’un système de protection pour un très large réseau multidomaine (45 domaines), le plus large examiné dans la littérature, avec un système à la fois centralisé et distribué.

Evolutionary model trees for handling continuous classes in machine learning

Model trees are a particular case of decision trees employed to solve regression problems. They have the advantage of presenting an interpretable output, helping the end-user to get more confidence in the prediction and providing the basis for the end-user to have new insight about the data, confirming or rejecting hypotheses previously formed. Moreover, model trees present an acceptable level of predictive performance in comparison to most techniques used for solving regression problems. Since generating the optimal model tree is an NP-Complete problem, traditional model tree induction algorithms make use of a greedy top-down divide-and-conquer strategy, which may not converge to the global optimal solution. In this paper, we propose a novel algorithm based on the use of the evolutionary algorithms paradigm as an alternate heuristic to generate model trees in order to improve the convergence to globally near-optimal solutions. We call our new approach evolutionary model tree induction (E-Motion). We test its predictive performance using public UCI data sets, and we compare the results to traditional greedy regression/model trees induction algorithms, as well as to other evolutionary approaches. Results show that our method presents a good trade-off between predictive performance and model comprehensibility, which may be crucial in many machine learning applications. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.