MOEA/VAN: Multiobjective Evolutionary Algorithm based on Vector Angle Neighborhood

Natural selection favors the survival and reproduction of organisms that are best adapted to their environment. Selection mechanism in evolutionary algorithms mimics this process, aiming to create environmental conditions in which artificial organisms could evolve solving the problem at hand. This paper proposes a new selection scheme for evolutionary multiobjective optimization. The similarity measure that defines the concept of the neighborhood is a key feature of the proposed selection. Contrary to commonly used approaches, usually defined on the basis of distances between either individuals or weight vectors, it is suggested to consider the similarity and neighborhood based on the angle between individuals in the objective space. The smaller the angle, the more similar individuals. This notion is exploited during the mating and environmental selections. The convergence is ensured by minimizing distances from individuals to a reference point, whereas the diversity is preserved by maximizing angles between neighboring individuals. Experimental results reveal a highly competitive performance and useful characteristics of the proposed selection. Its strong diversity preserving ability allows to produce a significantly better performance on some problems when compared with stat-of-the-art algorithms.

Reconstructing historical forest cover change in the Lower Amazon floodplains using the LandTrendr algorithm

ABSTRACTThe Amazon várzeas are an important component of the Amazon biome, but anthropic and climatic impacts have been leading to forest loss and interruption of essential ecosystem functions and services. The objectives of this study were to evaluate the capability of the Landsat-based Detection of Trends in Disturbance and Recovery (LandTrendr) algorithm to characterize changes in várzeaforest cover in the Lower Amazon, and to analyze the potential of spectral and temporal attributes to classify forest loss as either natural or anthropogenic. We used a time series of 37 Landsat TM and ETM+ images acquired between 1984 and 2009. We used the LandTrendr algorithm to detect forest cover change and the attributes of "start year", "magnitude", and "duration" of the changes, as well as "NDVI at the end of series". Detection was restricted to areas identified as having forest cover at the start and/or end of the time series. We used the Support Vector Machine (SVM) algorithm to classify the extracted attributes, differentiating between anthropogenic and natural forest loss. Detection reliability was consistently high for change events along the Amazon River channel, but variable for changes within the floodplain. Spectral-temporal trajectories faithfully represented the nature of changes in floodplain forest cover, corroborating field observations. We estimated anthropogenic forest losses to be larger (1.071 ha) than natural losses (884 ha), with a global classification accuracy of 94%. We conclude that the LandTrendr algorithm is a reliable tool for studies of forest dynamics throughout the floodplain.

On the verification of architectural reconfigurations

In a reconfigurable system, the response to contextual or internal change may trigger reconfiguration events which, on their turn, activate scripts that change the system׳s architecture at runtime. To be safe, however, such reconfigurations are expected to obey the fundamental principles originally specified by its architect. This paper introduces an approach to ensure that such principles are observed along reconfigurations by verifying them against concrete specifications in a suitable logic. Architectures, reconfiguration scripts, and principles are specified in Archery, an architectural description language with formal semantics. Principles are encoded as constraints, which become formulas of a two-layer graded hybrid logic, where the upper layer restricts reconfigurations, and the lower layer constrains the resulting configurations. Constraints are verified by translating them into logic formulas, which are interpreted over models derived from Archery specifications of architectures and reconfigurations. Suitable notions of bisimulation and refinement, to which the architect may resort to compare configurations, are given, and their relationship with modal validity is discussed.

Verificación Formal de Sistemas basada Formal Software Verification based on Automated Analysisen Análisis Automático.

Identificación y caracterización del problema. Uno de los problemas más importantes asociados con la construcción de software es la corrección del mismo. En busca de proveer garantías del correcto funcionamiento del software, han surgido una variedad de técnicas de desarrollo con sólidas bases matemáticas y lógicas conocidas como métodos formales. Debido a su naturaleza, la aplicación de métodos formales requiere gran experiencia y conocimientos, sobre todo en lo concerniente a matemáticas y lógica, por lo cual su aplicación resulta costosa en la práctica. Esto ha provocado que su principal aplicación se limite a sistemas críticos, es decir, sistemas cuyo mal funcionamiento puede causar daños de magnitud, aunque los beneficios que sus técnicas proveen son relevantes a todo tipo de software. Poder trasladar los beneficios de los métodos formales a contextos de desarrollo de software más amplios que los sistemas críticos tendría un alto impacto en la productividad en tales contextos. Hipótesis. Contar con herramientas de análisis automático es un elemento de gran importancia. Ejemplos de esto son varias herramientas potentes de análisis basadas en métodos formales, cuya aplicación apunta directamente a código fuente. En la amplia mayoría de estas herramientas, la brecha entre las nociones a las cuales están acostumbrados los desarrolladores y aquellas necesarias para la aplicación de estas herramientas de análisis formal sigue siendo demasiado amplia. Muchas herramientas utilizan lenguajes de aserciones que escapan a los conocimientos y las costumbres usuales de los desarrolladores. Además, en muchos casos la salida brindada por la herramienta de análisis requiere cierto manejo del método formal subyacente. Este problema puede aliviarse mediante la producción de herramientas adecuadas. Otro problema intrínseco a las técnicas automáticas de análisis es cómo se comportan las mismas a medida que el tamaño y complejidad de los elementos a analizar crece (escalabilidad). Esta limitación es ampliamente conocida y es considerada crítica en la aplicabilidad de métodos formales de análisis en la práctica. Una forma de atacar este problema es el aprovechamiento de información y características de dominios específicos de aplicación. Planteo de objetivos. Este proyecto apunta a la construcción de herramientas de análisis formal para contribuir a la calidad, en cuanto a su corrección funcional, de especificaciones, modelos o código, en el contexto del desarrollo de software. Más precisamente, se busca, por un lado, identificar ambientes específicos en los cuales ciertas técnicas de análisis automático, como el análisis basado en SMT o SAT solving, o el model checking, puedan llevarse a niveles de escalabilidad superiores a los conocidos para estas técnicas en ámbitos generales. Se intentará implementar las adaptaciones a las técnicas elegidas en herramientas que permitan su uso a desarrolladores familiarizados con el contexto de aplicación, pero no necesariamente conocedores de los métodos o técnicas subyacentes. Materiales y métodos a utilizar. Los materiales a emplear serán bibliografía relevante al área y equipamiento informático. Métodos. Se emplearán los métodos propios de la matemática discreta, la lógica y la ingeniería de software. Resultados esperados. Uno de los resultados esperados del proyecto es la individualización de ámbitos específicos de aplicación de métodos formales de análisis. Se espera que como resultado del desarrollo del proyecto surjan herramientas de análisis cuyo nivel de usabilidad sea adecuado para su aplicación por parte de desarrolladores sin formación específica en los métodos formales utilizados. Importancia del proyecto. El principal impacto de este proyecto será la contribución a la aplicación práctica de técnicas formales de análisis en diferentes etapas del desarrollo de software, con la finalidad de incrementar su calidad y confiabilidad. A crucial factor for software quality is correcteness. Traditionally, formal approaches to software development concentrate on functional correctness, and tackle this problem basically by being based on well defined notations founded on solid mathematical grounds. This makes formal methods better suited for analysis, due to their precise semantics, but they are usually more complex, and require familiarity and experience with the manipulation of mathematical definitions. So, their acceptance by software engineers is rather restricted, and formal methods applications have been confined to critical systems. Nevertheless, it is obvious that the advantages that formal methods provide apply to any kind of software system. It is accepted that appropriate software tool support for formal analysis is essential, if one seeks providing support for software development based on formal methods. Indeed, some of the relatively recent sucesses of formal methods are accompanied by good quality tools that automate powerful analysis mechanisms, and are even integrated in widely used development environments. Still, most of these tools either concentrate on code analysis, and in many cases are still far from being simple enough to be employed by software engineers without experience in formal methods. Another important problem for the adoption of tool support for formal methods is scalability. Automated software analysis is intrinsically complex, and thus techniques do not scale well in the general case. In this project, we will attempt to identify particular modelling, design, specification or coding activities in software development processes where to apply automated formal analysis techniques. By focusing in very specific application domains, we expect to find characteristics that might be exploited to increase the scalability of the corresponding analyses, compared to the general case.

Sistemas de Tipos para Verificación de Programas Concurrentes. Type Systems for Concurrent Programs Verification.

La programación concurrente es una tarea difícil aún para los más experimentados programadores. Las investigaciones en concurrencia han dado como resultado una gran cantidad de mecanismos y herramientas para resolver problemas de condiciones de carrera de datos y deadlocks, problemas que surgen por el mal uso de los mecanismos de sincronización. La verificación de propiedades interesantes de programas concurrentes presenta dificultades extras a los programas secuenciales debido al no-determinismo de su ejecución, lo cual resulta en una explosión en el número de posibles estados de programa, haciendo casi imposible un tratamiento manual o aún con la ayuda de computadoras. Algunos enfoques se basan en la creación de lenguajes de programación con construcciones con un alto nivel de abstración para expresar concurrencia y sincronización. Otros enfoques tratan de desarrollar técnicas y métodos de razonamiento para demostrar propiedades, algunos usan demostradores de teoremas generales, model-checking o algortimos específicos sobre un determinado sistema de tipos. Los enfoques basados en análisis estático liviano utilizan técnicas como interpretación abstracta para detectar ciertos tipos de errores, de una manera conservativa. Estas técnicas generalmente escalan lo suficiente para aplicarse en grandes proyectos de software pero los tipos de errores que pueden detectar es limitada. Algunas propiedades interesantes están relacionadas a condiciones de carrera y deadlocks, mientras que otros están interesados en problemas relacionados con la seguridad de los sistemas, como confidencialidad e integridad de datos. Los principales objetivos de esta propuesta es identificar algunas propiedades de interés a verificar en sistemas concurrentes y desarrollar técnicas y herramientas para realizar la verificación en forma automática. Para lograr estos objetivos, se pondrá énfasis en el estudio y desarrollo de sistemas de tipos como tipos dependientes, sistema de tipos y efectos, y tipos de efectos sensibles al flujo de datos y control. Estos sistemas de tipos se aplicarán a algunos modelos de programación concurrente como por ejemplo, en Simple Concurrent Object-Oriented Programming (SCOOP) y Java. Además se abordarán propiedades de seguridad usando sistemas de tipos específicos. Concurrent programming has remained a dificult task even for very experienced programmers. Concurrency research has provided a rich set of tools and mechanisms for dealing with data races and deadlocks that arise of incorrect use of synchronization. Verification of most interesting properties of concurrent programs is a very dificult task due to intrinsic non-deterministic nature of concurrency, resulting in a state explosion which make it almost imposible to be manually treat and it is a serious challenge to do that even with help of computers. Some approaches attempts create programming languages with higher levels of abstraction for expressing concurrency and synchronization. Other approaches try to develop reasoning methods to prove properties, either using general theorem provers, model-checking or specific algorithms on some type systems. The light-weight static analysis approach apply techniques like abstract interpretation to find certain kind of bugs in a conservative way. This techniques scale well to be applied in large software projects but the kind of bugs they may find are limited. Some interesting properties are related to data races and deadlocks, while others are interested in some security problems like confidentiality and integrity of data. The main goals of this proposal is to identify some interesting properties to verify in concurrent systems and develop techniques and tools to do full automatic verification. The main approach will be the application of type systems, as dependent types, type and effect systems, and flow-efect types. Those type systems will be applied to some models for concurrent programming as Simple Concurrent Object-Oriented Programming (SCOOP) and Java. Other goals include the analysis of security properties also using specific type systems.

Aceleración de Algoritmos en Procesadores Multicore, GPGPU y FPGA. Algorithm Acceleration with Multicore, GPGPU and FPGA Processors.

El avance en la potencia de cómputo en nuestros días viene dado por la paralelización del procesamiento, dadas las características que disponen las nuevas arquitecturas de hardware. Utilizar convenientemente este hardware impacta en la aceleración de los algoritmos en ejecución (programas). Sin embargo, convertir de forma adecuada el algoritmo en su forma paralela es complejo, y a su vez, esta forma, es específica para cada tipo de hardware paralelo. En la actualidad los procesadores de uso general más comunes son los multicore, procesadores paralelos, también denominados Symmetric Multi-Processors (SMP). Hoy en día es difícil hallar un procesador para computadoras de escritorio que no tengan algún tipo de paralelismo del caracterizado por los SMP, siendo la tendencia de desarrollo, que cada día nos encontremos con procesadores con mayor numero de cores disponibles. Por otro lado, los dispositivos de procesamiento de video (Graphics Processor Units - GPU), a su vez, han ido desarrollando su potencia de cómputo por medio de disponer de múltiples unidades de procesamiento dentro de su composición electrónica, a tal punto que en la actualidad no es difícil encontrar placas de GPU con capacidad de 200 a 400 hilos de procesamiento paralelo. Estos procesadores son muy veloces y específicos para la tarea que fueron desarrollados, principalmente el procesamiento de video. Sin embargo, como este tipo de procesadores tiene muchos puntos en común con el procesamiento científico, estos dispositivos han ido reorientándose con el nombre de General Processing Graphics Processor Unit (GPGPU). A diferencia de los procesadores SMP señalados anteriormente, las GPGPU no son de propósito general y tienen sus complicaciones para uso general debido al límite en la cantidad de memoria que cada placa puede disponer y al tipo de procesamiento paralelo que debe realizar para poder ser productiva su utilización. Los dispositivos de lógica programable, FPGA, son dispositivos capaces de realizar grandes cantidades de operaciones en paralelo, por lo que pueden ser usados para la implementación de algoritmos específicos, aprovechando el paralelismo que estas ofrecen. Su inconveniente viene derivado de la complejidad para la programación y el testing del algoritmo instanciado en el dispositivo. Ante esta diversidad de procesadores paralelos, el objetivo de nuestro trabajo está enfocado en analizar las características especificas que cada uno de estos tienen, y su impacto en la estructura de los algoritmos para que su utilización pueda obtener rendimientos de procesamiento acordes al número de recursos utilizados y combinarlos de forma tal que su complementación sea benéfica. Específicamente, partiendo desde las características del hardware, determinar las propiedades que el algoritmo paralelo debe tener para poder ser acelerado. Las características de los algoritmos paralelos determinará a su vez cuál de estos nuevos tipos de hardware son los mas adecuados para su instanciación. En particular serán tenidos en cuenta el nivel de dependencia de datos, la necesidad de realizar sincronizaciones durante el procesamiento paralelo, el tamaño de datos a procesar y la complejidad de la programación paralela en cada tipo de hardware. Today´s advances in high-performance computing are driven by parallel processing capabilities of available hardware architectures. These architectures enable the acceleration of algorithms when thes ealgorithms are properly parallelized and exploit the specific processing power of the underneath architecture. Most current processors are targeted for general pruposes and integrate several processor cores on a single chip, resulting in what is known as a Symmetric Multiprocessing (SMP) unit. Nowadays even desktop computers make use of multicore processors. Meanwhile, the industry trend is to increase the number of integrated rocessor cores as technology matures. On the other hand, Graphics Processor Units (GPU), originally designed to handle only video processing, have emerged as interesting alternatives to implement algorithm acceleration. Current available GPUs are able to implement from 200 to 400 threads for parallel processing. Scientific computing can be implemented in these hardware thanks to the programability of new GPUs that have been denoted as General Processing Graphics Processor Units (GPGPU).However, GPGPU offer little memory with respect to that available for general-prupose processors; thus, the implementation of algorithms need to be addressed carefully. Finally, Field Programmable Gate Arrays (FPGA) are programmable devices which can implement hardware logic with low latency, high parallelism and deep pipelines. Thes devices can be used to implement specific algorithms that need to run at very high speeds. However, their programmability is harder that software approaches and debugging is typically time-consuming. In this context where several alternatives for speeding up algorithms are available, our work aims at determining the main features of thes architectures and developing the required know-how to accelerate algorithm execution on them. We look at identifying those algorithms that may fit better on a given architecture as well as compleme

Verificación de Sistemas Basada en Teoría de Tipos. System verification in type theory

Este proyecto se enmarca en la utlización de métodos formales (más precisamente, en la utilización de teoría de tipos) para garantizar la ausencia de errores en programas. Por un lado se plantea el diseño de nuevos algoritmos de chequeo de tipos. Para ello, se proponen nuevos algoritmos basados en la idea de normalización por evaluación que sean extensibles a otros sistemas de tipos. En el futuro próximo extenderemos resultados que hemos conseguido recientemente [16,17] para obtener: una simplificación de los trabajos realizados para sistemas sin regla eta (acá se estudiarán dos sistemas: a la Martin Löf y a la PTS), la formulación de estos chequeadores para sistemas con variables, generalizar la noción de categoría con familia utilizada para dar semántica a teoría de tipos, obtener una formulación categórica de la noción de normalización por evaluación y finalmente, aplicar estos algoritmos a sistemas con reescrituras. Para los primeros resultados esperados mencionados, nos proponemos como método adaptar las pruebas de [16,17] a los nuevos sistemas. La importancia radica en que permitirán tornar más automatizables (y por ello, más fácilmente utilizables) los asistentes de demostración basados en teoría de tipos. Por otro lado, se utilizará la teoría de tipos para certificar compiladores, intentando llevar adelante la propuesta nunca explorada de [22] de utilizar un enfoque abstracto basado en categorías funtoriales. El método consistirá en certificar el lenguaje "Peal" [29] y luego agregar sucesivamente funcionalidad hasta obtener Forsythe [23]. En este período esperamos poder agregar varias extensiones. La importancia de este proyecto radica en que sólo un compilador certificado garantiza que un programa fuente correcto se compile a un programa objeto correcto. Es por ello, crucial para todo proceso de verificación que se base en verificar código fuente. Finalmente, se abordará la formalización de sistemas con session types. Los mismos han demostrado tener fallas en sus formulaciones [30], por lo que parece conveniente su formalización. Durante la marcha de este proyecto, esperamos tener alguna formalización que dé lugar a un algoritmo de chequeo de tipos y a demostrar las propiedades usuales de los sistemas. La contribución es arrojar un poco de luz sobre estas formulaciones cuyos errores revelan que el tema no ha adquirido aún suficiente madurez o comprensión por parte de la comunidad. This project is about using type theory to garantee program correctness. It follows three different directions: 1) Finding new type-checking algorithms based on normalization by evaluation. First, we would show that recent results like [16,17] extend to other type systems like: Martin-Löf´s type theory without eta rule, PTSs, type systems with variables (in addition to systems in [16,17] which are a la de Bruijn), systems with rewrite rules. This will be done by adjusting the proofs in [16,17] so that they apply to such systems as well. We will also try to obtain a more general definition of categories with families and normalization by evaluation, formulated in categorical terms. We expect this may turn proof-assistants more automatic and useful. 2) Exploring the proposal in [22] to compiler construction for Algol-like languages using functorial categories. According to [22] such approach is suitable for verifying compiler correctness, claim which was never explored. First, the language Peal [29] will be certified in type theory and we will gradually add funtionality to it until a correct compiler for the language Forsythe [23] is obtained. 3) Formilizing systems for session types. Several proposals have shown to be faulty [30]. This means that a formalization of it may contribute to the general understanding of session types.

A Novel Algorithm to Quantify Coronary Remodeling Using Inferred Normal Dimensions

Background:Vascular remodeling, the dynamic dimensional change in face of stress, can assume different directions as well as magnitudes in atherosclerotic disease. Classical measurements rely on reference to segments at a distance, risking inappropriate comparison between dislike vessel portions.Objective:to explore a new method for quantifying vessel remodeling, based on the comparison between a given target segment and its inferred normal dimensions.Methods:Geometric parameters and plaque composition were determined in 67 patients using three-vessel intravascular ultrasound with virtual histology (IVUS-VH). Coronary vessel remodeling at cross-section (n = 27.639) and lesion (n = 618) levels was assessed using classical metrics and a novel analytic algorithm based on the fractional vessel remodeling index (FVRI), which quantifies the total change in arterial wall dimensions related to the estimated normal dimension of the vessel. A prediction model was built to estimate the normal dimension of the vessel for calculation of FVRI.Results:According to the new algorithm, “Ectatic” remodeling pattern was least common, “Complete compensatory” remodeling was present in approximately half of the instances, and “Negative” and “Incomplete compensatory” remodeling types were detected in the remaining. Compared to a traditional diagnostic scheme, FVRI-based classification seemed to better discriminate plaque composition by IVUS-VH.Conclusion:Quantitative assessment of coronary remodeling using target segment dimensions offers a promising approach to evaluate the vessel response to plaque growth/regression.

Product-line specification and verification with feature-oriented contracts

Magdeburg, Univ., Fak. für Informatik, Diss., 2015

Algorithm engineering for expression dag based number types

Magdeburg, Univ., Fak. für Informatik, Diss., 2015

Verification of system properties of polynomial systems using discrete-time approximations and set-based analysis

Magdeburg, Univ., Fak. für Elektrotechnik und Informationstechnik, Diss., 2015

A note on parallelizing the parameterized expectations algorithm

The parameterized expectations algorithm (PEA) involves a long simulation and a nonlinear least squares (NLS) fit, both embedded in a loop. Both steps are natural candidates for parallelization. This note shows that parallelization can lead to important speedups for the PEA. I provide example code for a simple model that can serve as a template for parallelization of more interesting models, as well as a download link for an image of a bootable CD that allows creation of a cluster and execution of the example code in minutes, with no need to install any software.

An objective anisotropic elastic plastic model and Algorithm applicable to bone mechanics

The implicit projection algorithm of isotropic plasticity is extended to an objective anisotropic elastic perfectly plastic model. The recursion formula developed to project the trial stress on the yield surface, is applicable to any non linear elastic law and any plastic yield function.A curvilinear transverse isotropic model based on a quadratic elastic potential and on Hill's quadratic yield criterion is then developed and implemented in a computer program for bone mechanics perspectives. The paper concludes with a numerical study of a schematic bone-prosthesis system to illustrate the potential of the model.

A numerical algorithm for finding solutions of a generalized Nash equilibrium problem

A family of nonempty closed convex sets is built by using the data of the Generalized Nash equilibrium problem (GNEP). The sets are selected iteratively such that the intersection of the selected sets contains solutions of the GNEP. The algorithm introduced by Iusem-Sosa (2003) is adapted to obtain solutions of the GNEP. Finally some numerical experiments are given to illustrate the numerical behavior of the algorithm.