Solution Methods for Service Network Design with Resource Management Consideration

La gestion des ressources, équipements, équipes de travail, et autres, devrait être prise en compte lors de la conception de tout plan réalisable pour le problème de conception de réseaux de services. Cependant, les travaux de recherche portant sur la gestion des ressources et la conception de réseaux de services restent limités. La présente thèse a pour objectif de combler cette lacune en faisant l’examen de problèmes de conception de réseaux de services prenant en compte la gestion des ressources. Pour ce faire, cette thèse se décline en trois études portant sur la conception de réseaux. La première étude considère le problème de capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints(DBCMND). La structure multi-produits avec capacité sur les arcs du DBCMND, de même que ses contraintes design-balance, font qu’il apparaît comme sous-problème dans de nombreux problèmes reliés à la conception de réseaux de services, d’où l’intérêt d’étudier le DBCMND dans le contexte de cette thèse. Nous proposons une nouvelle approche pour résoudre ce problème combinant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et une procédure d’intensification de la recherche dans une région particulière de l’espace de solutions. Dans un premier temps la recherche tabou identifie de bonnes solutions réalisables. Ensuite la recomposition de chemin est utilisée pour augmenter le nombre de solutions réalisables. Les solutions trouvées par ces deux méta-heuristiques permettent d’identifier un sous-ensemble d’arcs qui ont de bonnes chances d’avoir un statut ouvert ou fermé dans une solution optimale. Le statut de ces arcs est alors fixé selon la valeur qui prédomine dans les solutions trouvées préalablement. Enfin, nous utilisons la puissance d’un solveur de programmation mixte en nombres entiers pour intensifier la recherche sur le problème restreint par le statut fixé ouvert/fermé de certains arcs. Les tests montrent que cette approche est capable de trouver de bonnes solutions aux problèmes de grandes tailles dans des temps raisonnables. Cette recherche est publiée dans la revue scientifique Journal of heuristics. La deuxième étude introduit la gestion des ressources au niveau de la conception de réseaux de services en prenant en compte explicitement le nombre fini de véhicules utilisés à chaque terminal pour le transport de produits. Une approche de solution faisant appel au slope-scaling, la génération de colonnes et des heuristiques basées sur une formulation en cycles est ainsi proposée. La génération de colonnes résout une relaxation linéaire du problème de conception de réseaux, générant des colonnes qui sont ensuite utilisées par le slope-scaling. Le slope-scaling résout une approximation linéaire du problème de conception de réseaux, d’où l’utilisation d’une heuristique pour convertir les solutions obtenues par le slope-scaling en solutions réalisables pour le problème original. L’algorithme se termine avec une procédure de perturbation qui améliore les solutions réalisables. Les tests montrent que l’algorithme proposé est capable de trouver de bonnes solutions au problème de conception de réseaux de services avec un nombre fixe des ressources à chaque terminal. Les résultats de cette recherche seront publiés dans la revue scientifique Transportation Science. La troisième étude élargie nos considérations sur la gestion des ressources en prenant en compte l’achat ou la location de nouvelles ressources de même que le repositionnement de ressources existantes. Nous faisons les hypothèses suivantes: une unité de ressource est nécessaire pour faire fonctionner un service, chaque ressource doit retourner à son terminal d’origine, il existe un nombre fixe de ressources à chaque terminal, et la longueur du circuit des ressources est limitée. Nous considérons les alternatives suivantes dans la gestion des ressources: 1) repositionnement de ressources entre les terminaux pour tenir compte des changements de la demande, 2) achat et/ou location de nouvelles ressources et leur distribution à différents terminaux, 3) externalisation de certains services. Nous présentons une formulation intégrée combinant les décisions reliées à la gestion des ressources avec les décisions reliées à la conception des réseaux de services. Nous présentons également une méthode de résolution matheuristique combinant le slope-scaling et la génération de colonnes. Nous discutons des performances de cette méthode de résolution, et nous faisons une analyse de l’impact de différentes décisions de gestion des ressources dans le contexte de la conception de réseaux de services. Cette étude sera présentée au XII International Symposium On Locational Decision, en conjonction avec XXI Meeting of EURO Working Group on Locational Analysis, Naples/Capri (Italy), 2014. En résumé, trois études différentes sont considérées dans la présente thèse. La première porte sur une nouvelle méthode de solution pour le "capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints". Nous y proposons une matheuristique comprenant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et l’optimisation exacte. Dans la deuxième étude, nous présentons un nouveau modèle de conception de réseaux de services prenant en compte un nombre fini de ressources à chaque terminal. Nous y proposons une matheuristique avancée basée sur la formulation en cycles comprenant le slope-scaling, la génération de colonnes, des heuristiques et l’optimisation exacte. Enfin, nous étudions l’allocation des ressources dans la conception de réseaux de services en introduisant des formulations qui modèlent le repositionnement, l’acquisition et la location de ressources, et l’externalisation de certains services. À cet égard, un cadre de solution slope-scaling développé à partir d’une formulation en cycles est proposé. Ce dernier comporte la génération de colonnes et une heuristique. Les méthodes proposées dans ces trois études ont montré leur capacité à trouver de bonnes solutions.

Design and Development of Compact Chipless RFID Tags with High Data Encoding Capacity

The main objective of this thesis is to develop a compact chipless RFID tag with high data encoding capacity. The design and development of chipless RFID tag based on multiresonator and multiscatterer methods are presented first. An RFID tag using using SIR capable of 79bits is proposed. The thesis also deals with some of the properties of SIR like harmonic separation, independent control on resonant modes and the capability to change the electrical length. A chipless RFID reader working in a frequency band of 2.36GHz to 2.54GHz has been designed to show the feasibility of the RFID system. For a practical system, a new approach based on UWB Impulse Radar (UWB IR) technology is employed and the decoding methods from noisy backscattered signal are successfully demonstrated. The thesis also proposes a simple calibration procedure, which is able to decode the backscattered signal up to a distance of 80cm with 1mW output power.

Intelligence by Design: Principles of Modularity and Coordination for Engineerin

All intelligence relies on search --- for example, the search for an intelligent agent's next action. Search is only likely to succeed in resource-bounded agents if they have already been biased towards finding the right answer. In artificial agents, the primary source of bias is engineering. This dissertation describes an approach, Behavior-Oriented Design (BOD) for engineering complex agents. A complex agent is one that must arbitrate between potentially conflicting goals or behaviors. Behavior-oriented design builds on work in behavior-based and hybrid architectures for agents, and the object oriented approach to software engineering. The primary contributions of this dissertation are: 1.The BOD architecture: a modular architecture with each module providing specialized representations to facilitate learning. This includes one pre-specified module and representation for action selection or behavior arbitration. The specialized representation underlying BOD action selection is Parallel-rooted, Ordered, Slip-stack Hierarchical (POSH) reactive plans. 2.The BOD development process: an iterative process that alternately scales the agent's capabilities then optimizes the agent for simplicity, exploiting tradeoffs between the component representations. This ongoing process for controlling complexity not only provides bias for the behaving agent, but also facilitates its maintenance and extendibility. The secondary contributions of this dissertation include two implementations of POSH action selection, a procedure for identifying useful idioms in agent architectures and using them to distribute knowledge across agent paradigms, several examples of applying BOD idioms to established architectures, an analysis and comparison of the attributes and design trends of a large number of agent architectures, a comparison of biological (particularly mammalian) intelligence to artificial agent architectures, a novel model of primate transitive inference, and many other examples of BOD agents and BOD development.

Conceptual design of wastewater treatment plants using multiple objectives

La implementació de la Directiva Europea 91/271/CEE referent a tractament d'aigües residuals urbanes va promoure la construcció de noves instal·lacions al mateix temps que la introducció de noves tecnologies per tractar nutrients en àrees designades com a sensibles. Tant el disseny d'aquestes noves infraestructures com el redisseny de les ja existents es va portar a terme a partir d'aproximacions basades fonamentalment en objectius econòmics degut a la necessitat d'acabar les obres en un període de temps relativament curt. Aquests estudis estaven basats en coneixement heurístic o correlacions numèriques provinents de models determinístics simplificats. Així doncs, moltes de les estacions depuradores d'aigües residuals (EDARs) resultants van estar caracteritzades per una manca de robustesa i flexibilitat, poca controlabilitat, amb freqüents problemes microbiològics de separació de sòlids en el decantador secundari, elevats costos d'operació i eliminació parcial de nutrients allunyant-les de l'òptim de funcionament. Molts d'aquestes problemes van sorgir degut a un disseny inadequat, de manera que la comunitat científica es va adonar de la importància de les etapes inicials de disseny conceptual. Precisament per aquesta raó, els mètodes tradicionals de disseny han d'evolucionar cap a sistemes d'avaluació mes complexos, que tinguin en compte múltiples objectius, assegurant així un millor funcionament de la planta. Tot i la importància del disseny conceptual tenint en compte múltiples objectius, encara hi ha un buit important en la literatura científica tractant aquest camp d'investigació. L'objectiu que persegueix aquesta tesi és el de desenvolupar un mètode de disseny conceptual d'EDARs considerant múltiples objectius, de manera que serveixi d'eina de suport a la presa de decisions al seleccionar la millor alternativa entre diferents opcions de disseny. Aquest treball de recerca contribueix amb un mètode de disseny modular i evolutiu que combina diferent tècniques com: el procés de decisió jeràrquic, anàlisi multicriteri, optimació preliminar multiobjectiu basada en anàlisi de sensibilitat, tècniques d'extracció de coneixement i mineria de dades, anàlisi multivariant i anàlisi d'incertesa a partir de simulacions de Monte Carlo. Això s'ha aconseguit subdividint el mètode de disseny desenvolupat en aquesta tesis en quatre blocs principals: (1) generació jeràrquica i anàlisi multicriteri d'alternatives, (2) anàlisi de decisions crítiques, (3) anàlisi multivariant i (4) anàlisi d'incertesa. El primer dels blocs combina un procés de decisió jeràrquic amb anàlisi multicriteri. El procés de decisió jeràrquic subdivideix el disseny conceptual en una sèrie de qüestions mes fàcilment analitzables i avaluables mentre que l'anàlisi multicriteri permet la consideració de diferent objectius al mateix temps. D'aquesta manera es redueix el nombre d'alternatives a avaluar i fa que el futur disseny i operació de la planta estigui influenciat per aspectes ambientals, econòmics, tècnics i legals. Finalment aquest bloc inclou una anàlisi de sensibilitat dels pesos que proporciona informació de com varien les diferents alternatives al mateix temps que canvia la importància relativa del objectius de disseny. El segon bloc engloba tècniques d'anàlisi de sensibilitat, optimització preliminar multiobjectiu i extracció de coneixement per donar suport al disseny conceptual d'EDAR, seleccionant la millor alternativa un cop s'han identificat decisions crítiques. Les decisions crítiques són aquelles en les que s'ha de seleccionar entre alternatives que compleixen de forma similar els objectius de disseny però amb diferents implicacions pel que respecte a la futura estructura i operació de la planta. Aquest tipus d'anàlisi proporciona una visió més àmplia de l'espai de disseny i permet identificar direccions desitjables (o indesitjables) cap on el procés de disseny pot derivar. El tercer bloc de la tesi proporciona l'anàlisi multivariant de les matrius multicriteri obtingudes durant l'avaluació de les alternatives de disseny. Específicament, les tècniques utilitzades en aquest treball de recerca engloben: 1) anàlisi de conglomerats, 2) anàlisi de components principals/anàlisi factorial i 3) anàlisi discriminant. Com a resultat és possible un millor accés a les dades per realitzar la selecció de les alternatives, proporcionant més informació per a una avaluació mes efectiva, i finalment incrementant el coneixement del procés d'avaluació de les alternatives de disseny generades. En el quart i últim bloc desenvolupat en aquesta tesi, les diferents alternatives de disseny són avaluades amb incertesa. L'objectiu d'aquest bloc és el d'estudiar el canvi en la presa de decisions quan una alternativa és avaluada incloent o no incertesa en els paràmetres dels models que descriuen el seu comportament. La incertesa en el paràmetres del model s'introdueix a partir de funcions de probabilitat. Desprès es porten a terme simulacions Monte Carlo, on d'aquestes distribucions se n'extrauen números aleatoris que es subsisteixen pels paràmetres del model i permeten estudiar com la incertesa es propaga a través del model. Així és possible analitzar la variació en l'acompliment global dels objectius de disseny per a cada una de les alternatives, quines són les contribucions en aquesta variació que hi tenen els aspectes ambientals, legals, econòmics i tècnics, i finalment el canvi en la selecció d'alternatives quan hi ha una variació de la importància relativa dels objectius de disseny. En comparació amb les aproximacions tradicionals de disseny, el mètode desenvolupat en aquesta tesi adreça problemes de disseny/redisseny tenint en compte múltiples objectius i múltiples criteris. Al mateix temps, el procés de presa de decisions mostra de forma objectiva, transparent i sistemàtica el perquè una alternativa és seleccionada en front de les altres, proporcionant l'opció que més bé acompleix els objectius marcats, mostrant els punts forts i febles, les principals correlacions entre objectius i alternatives, i finalment tenint en compte la possible incertesa inherent en els paràmetres del model que es fan servir durant les anàlisis. Les possibilitats del mètode desenvolupat es demostren en aquesta tesi a partir de diferents casos d'estudi: selecció del tipus d'eliminació biològica de nitrogen (cas d'estudi # 1), optimització d'una estratègia de control (cas d'estudi # 2), redisseny d'una planta per aconseguir eliminació simultània de carboni, nitrogen i fòsfor (cas d'estudi # 3) i finalment anàlisi d'estratègies control a nivell de planta (casos d'estudi # 4 i # 5).

Opportunities for reduction in acute toxicity testing via improved design

The conventional method for assessing acute oral toxicity (OECD Test Guideline 401) was designed to identify the median lethal dose (LD50), using the death of animals as an endpoint. Introduced as an alternative method (OECD Test Guideline 420), the Fixed Dose Procedure (FDP) relies on the observation of clear signs of toxicity, uses fewer animals and causes less suffering. More recently, the Acute Toxic Class method and the Up-and-Down Procedure have also been adopted as OECD test guidelines. Both of these methods also use fewer animals than the conventional method, although they still use death as an endpoint. Each of the three new methods incorporates a sequential dosing procedure, which results in increased efficiency. In 1999, with a view to replacing OECD Test Guideline 401, the OECD requested that the three new test guidelines be updated. This was to bring them in line with the regulatory needs of all OECD Member Countries, provide further reductions in the number of animals used, and introduce refinements to reduce the pain and distress experienced by the animals. This paper describes a statistical modelling approach for the evaluation of acute oral toxicity tests, by using the revised FDP for illustration. Opportunities for further design improvements are discussed.

Sparse kernel density estimator using orthogonal regression based on D-optimality experimental design

A novel sparse kernel density estimator is derived based on a regression approach, which selects a very small subset of significant kernels by means of the D-optimality experimental design criterion using an orthogonal forward selection procedure. The weights of the resulting sparse kernel model are calculated using the multiplicative nonnegative quadratic programming algorithm. The proposed method is computationally attractive, in comparison with many existing kernel density estimation algorithms. Our numerical results also show that the proposed method compares favourably with other existing methods, in terms of both test accuracy and model sparsity, for constructing kernel density estimates.

Sparse multioutput radial basis function network construction using combined locally regularised orthogonal least square and D-optimality experimental design

A construction algorithm for multioutput radial basis function (RBF) network modelling is introduced by combining a locally regularised orthogonal least squares (LROLS) model selection with a D-optimality experimental design. The proposed algorithm aims to achieve maximised model robustness and sparsity via two effective and complementary approaches. The LROLS method alone is capable of producing a very parsimonious RBF network model with excellent generalisation performance. The D-optimality design criterion enhances the model efficiency and robustness. A further advantage of the combined approach is that the user only needs to specify a weighting for the D-optimality cost in the combined RBF model selecting criterion and the entire model construction procedure becomes automatic. The value of this weighting does not influence the model selection procedure critically and it can be chosen with ease from a wide range of values.

Sparse kernel regression modeling using combined locally regularized orthogonal least squares and D-optimality experimental design

The note proposes an efficient nonlinear identification algorithm by combining a locally regularized orthogonal least squares (LROLS) model selection with a D-optimality experimental design. The proposed algorithm aims to achieve maximized model robustness and sparsity via two effective and complementary approaches. The LROLS method alone is capable of producing a very parsimonious model with excellent generalization performance. The D-optimality design criterion further enhances the model efficiency and robustness. An added advantage is that the user only needs to specify a weighting for the D-optimality cost in the combined model selecting criterion and the entire model construction procedure becomes automatic. The value of this weighting does not influence the model selection procedure critically and it can be chosen with ease from a wide range of values.

Regression based D-optimality experimental design for sparse kernel density estimation

This paper derives an efficient algorithm for constructing sparse kernel density (SKD) estimates. The algorithm first selects a very small subset of significant kernels using an orthogonal forward regression (OFR) procedure based on the D-optimality experimental design criterion. The weights of the resulting sparse kernel model are then calculated using a modified multiplicative nonnegative quadratic programming algorithm. Unlike most of the SKD estimators, the proposed D-optimality regression approach is an unsupervised construction algorithm and it does not require an empirical desired response for the kernel selection task. The strength of the D-optimality OFR is owing to the fact that the algorithm automatically selects a small subset of the most significant kernels related to the largest eigenvalues of the kernel design matrix, which counts for the most energy of the kernel training data, and this also guarantees the most accurate kernel weight estimate. The proposed method is also computationally attractive, in comparison with many existing SKD construction algorithms. Extensive numerical investigation demonstrates the ability of this regression-based approach to efficiently construct a very sparse kernel density estimate with excellent test accuracy, and our results show that the proposed method compares favourably with other existing sparse methods, in terms of test accuracy, model sparsity and complexity, for constructing kernel density estimates.

Synthesised design of optical filters assisted by microcomputer

New algorithms and microcomputer-programs for generating original multilayer designs (and printing a spectral graph) from refractive-index input are presented. The programs are characterised TSHEBYSHEV, HERPIN, MULTILAYER-SPECTRUM and have originated new designs of narrow-stopband, non-polarizing edge, and Tshebyshev optical filter. Computation procedure is an exact synthesis (so far that is possible) numerical refinement not having been needed.

Extraction of Tschebysheff design data for the low pass dielectric multilayer

The extraction of design data for the lowpass dielectric multilayer according to Tschebysheff performance is described. The extraction proceeds initially by analogy with electric-circuit design, and can then be given numerical refinement which is also described. Agreement with the Tschebysheff desideratum is satisfactory. The multilayers extracted by this procedure are of fractional thickness, symmetric with regard to their central layers.

Composite control of non-linear singularly perturbed systems: meeting a design objective

Using the integral manifold approach, a composite control—the sum of a fast control and a slow control—is derived for a particular class of non-linear singularly perturbed systems. The fast control is designed completely at the outset, thus ensuring the stability of the fast transients of the system and, furthermore, the existence of the integral manifold. A new method is then presented which simplifies the derivation of a slow control such that the singularly perturbed system meets a preselected design objective to within some specified order of accuracy. Though this approach is, by its very nature, ad hoc, the underlying procedure is easily extended to more general classes of singularly perturbed systems by way of three examples.

A compact low-cost electronic hardware design for actuating soft robots

A low cost, compact embedded design approach for actuating soft robots is presented. The complete fabrication procedure and mode of operation was demonstrated, and the performance of the complete system was also demonstrated by building a microcontroller based hardware system which was used to actuate a soft robot for bending motion. The actuation system including the electronic circuit board and actuation components was embedded in a 3D-printed casing to ensure a compact approach for actuating soft robots. Results show the viability of the system in actuating and controlling siliconebased soft robots to achieve bending motions. Qualitative measurements of uniaxial tensile test, bending distance and pressure were obtained. This electronic design is easy to reproduce and integrate into any specified soft robotic device requiring pneumatic actuation.

Photovoltaic System Design for a Contaminated Area in Falun – Comparison of South and East- West Layout

In this thesis the solar part of a large grid-connected photovoltaic system design has been done. The main purpose was to size and optimize the system and to present figures helping to evaluate the prospective project rationality, which can potentially be constructed on a contaminated area in Falun. The methodology consisted in PV market study and component selection, site analysis and defining suitable area for solar installation; and system configuration optimization based on PVsyst simulations and Levelized Cost of Energy calculations. The procedure was mainly divided on two parts, preliminary and detailed sizing. In the first part the objective was complex, which included the investigation of the most profitable component combination and system optimization due to tilt and row distance. It was done by simulating systems with different components and orientations, which were sized for the same 100kW inverter in order to make a fair comparison. For each simulated result a simplified LCOE calculation procedure was applied. The main results of this part show that with the price of 0.43 €/Wp thin-film modules were the most cost effective solution for the case with a great advantage over crystalline type in terms of financial attractiveness. From the results of the preliminary study it was possible to select the optimal system configuration, which was used in the detailed sizing as a starting point. In this part the PVsyst simulations were run, which included full scale system design considering near shadings created by factory buildings. Additionally, more complex procedure of LCOE calculation has been used here considered insurances, maintenance, time value of money and possible cost reduction due to the system size. Two system options were proposed in final results; both cover the same area of 66000 m2. The first one represents an ordinary South faced design with 1.1 MW nominal power, which was optimized for the highest performance. According to PVsyst simulations, this system should produce 1108 MWh/year with the initial investment of 835,000 € and 0.056 €/kWh LCOE. The second option has an alternative East-West orientation, which allows to cover 80% of occupied ground and consequently have 6.6 MW PV nominal power. The system produces 5388 MWh/year costs about 4500,000 € and delivers electricity with the same price of 0.056 €/kWh. Even though the EW solution has 20% lower specific energy production, it benefits mainly from lower relative costs for inverters, mounting and annual maintenance expenses. After analyzing the performance results, among the two alternatives none of the systems showed a clear superiority so there was no optimal system proposed. Both, South and East-West solutions have own advantages and disadvantages in terms of energy production profile, configuration, installation and maintenance. Furthermore, the uncertainty due to cost figures assumptions restricted the results veracity.

Alternative procedure for the cold test for soybean seeds

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)