Two-dimensional probabilistic inversion of plane-wave electromagnetic data: Methodology, model constraints and joint inversion with electrical resistivity data

Probabilistic inversion methods based on Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulation are well suited to quantify parameter and model uncertainty of nonlinear inverse problems. Yet, application of such methods to CPU-intensive forward models can be a daunting task, particularly if the parameter space is high dimensional. Here, we present a 2-D pixel-based MCMC inversion of plane-wave electromagnetic (EM) data. Using synthetic data, we investigate how model parameter uncertainty depends on model structure constraints using different norms of the likelihood function and the model constraints, and study the added benefits of joint inversion of EM and electrical resistivity tomography (ERT) data. Our results demonstrate that model structure constraints are necessary to stabilize the MCMC inversion results of a highly discretized model. These constraints decrease model parameter uncertainty and facilitate model interpretation. A drawback is that these constraints may lead to posterior distributions that do not fully include the true underlying model, because some of its features exhibit a low sensitivity to the EM data, and hence are difficult to resolve. This problem can be partly mitigated if the plane-wave EM data is augmented with ERT observations. The hierarchical Bayesian inverse formulation introduced and used herein is able to successfully recover the probabilistic properties of the measurement data errors and a model regularization weight. Application of the proposed inversion methodology to field data from an aquifer demonstrates that the posterior mean model realization is very similar to that derived from a deterministic inversion with similar model constraints.

Populaation monimuotoisuuden mittaaminen liukulukukoodatuissa evoluutioalgoritmeissa

Diplomityössä esitetään menetelmä populaation monimuotoisuuden mittaamiseen liukulukukoodatuissa evoluutioalgoritmeissa, ja tarkastellaan kokeellisesti sen toimintaa. Evoluutioalgoritmit ovat populaatiopohjaisia menetelmiä, joilla pyritään ratkaisemaan optimointiongelmia. Evoluutioalgoritmeissa populaation monimuotoisuuden hallinta on välttämätöntä, jotta suoritettu haku olisi riittävän luotettavaa ja toisaalta riittävän nopeaa. Monimuotoisuuden mittaaminen on erityisen tarpeellista tutkittaessa evoluutioalgoritmien dynaamista käyttäytymistä. Työssä tarkastellaan haku- ja tavoitefunktioavaruuden monimuotoisuuden mittaamista. Toistaiseksi ei ole ollut olemassa täysin tyydyttäviä monimuotoisuuden mittareita, ja työn tavoitteena on kehittää yleiskäyttöinen menetelmä liukulukukoodattujen evoluutioalgoritmien suhteellisen ja absoluuttisen monimuotoisuuden mittaamiseen hakuavaruudessa. Kehitettyjen mittareiden toimintaa ja käyttökelpoisuutta tarkastellaan kokeellisesti ratkaisemalla optimointiongelmia differentiaalievoluutioalgoritmilla. Toteutettujen mittareiden toiminta perustuu keskihajontojen laskemiseen populaatiosta. Keskihajonnoille suoritetaan skaalaus, joko alkupopulaation tai nykyisen populaation suhteen, riippuen lasketaanko absoluuttista vai suhteellista monimuotoisuutta. Kokeellisessa tarkastelussa havaittiin kehitetyt mittarit toimiviksi ja käyttökelpoisiksi. Tavoitefunktion venyttäminen koordinaattiakseleiden suunnassa ei vaikuta mittarin toimintaan. Myöskään tavoitefunktion kiertäminen koordinaatistossa ei vaikuta mittareiden tuloksiin. Esitetyn menetelmän aikakompleksisuus riippuu lineaarisesti populaation koosta, ja mittarin toiminta on siten nopeaa suuriakin populaatioita käytettäessä. Suhteellinen monimuotoisuus antaa vertailukelpoisia tuloksia riippumatta parametrien lukumäärästä tai populaation koosta.

Modeling reaction kinetics and mass transfer in ozonation in water solutions

This dissertation is based on four articles dealing with modeling of ozonation. The literature part of this considers some models for hydrodynamics in bubble column simulation. A literature review of methods for obtaining mass transfer coefficients is presented. The methods presented to obtain mass transfer are general models and can be applied to any gas-liquid system. Ozonation reaction models and methods for obtaining stoichiometric coefficients and reaction rate coefficients for ozonation reactions are discussed in the final section of the literature part. In the first article, ozone gas-liquid mass transfer into water in a bubble column was investigated for different pH values. A more general method for estimation of mass transfer and Henry’s coefficient was developed from the Beltrán method. The ozone volumetric mass transfer coefficient and the Henry’s coefficient were determined simultaneously by parameter estimation using a nonlinear optimization method. A minor dependence of the Henry’s law constant on pH was detected at the pH range 4 - 9. In the second article, a new method using the axial dispersion model for estimation of ozone self-decomposition kinetics in a semi-batch bubble column reactor was developed. The reaction rate coefficients for literature equations of ozone decomposition and the gas phase dispersion coefficient were estimated and compared with the literature data. The reaction order in the pH range 7-10 with respect to ozone 1.12 and 0.51 the hydroxyl ion were obtained, which is in good agreement with literature. The model parameters were determined by parameter estimation using a nonlinear optimization method. Sensitivity analysis was conducted using object function method to obtain information about the reliability and identifiability of the estimated parameters. In the third article, the reaction rate coefficients and the stoichiometric coefficients in the reaction of ozone with the model component p-nitrophenol were estimated at low pH of water using nonlinear optimization. A novel method for estimation of multireaction model parameters in ozonation was developed. In this method the concentration of unknown intermediate compounds is presented as a residual COD (chemical oxygen demand) calculated from the measured COD and the theoretical COD for the known species. The decomposition rate of p-nitrophenol on the pathway producing hydroquinone was found to be about two times faster than the p-nitrophenol decomposition rate on the pathway producing 4- nitrocatechol. In the fourth article, the reaction kinetics of p-nitrophenol ozonation was studied in a bubble column at pH 2. Using the new reaction kinetic model presented in the previous article, the reaction kinetic parameters, rate coefficients, and stoichiometric coefficients as well as the mass transfer coefficient were estimated with nonlinear estimation. The decomposition rate of pnitrophenol was found to be equal both on the pathway producing hydroquinone and on the path way producing 4-nitrocathecol. Comparison of the rate coefficients with the case at initial pH 5 indicates that the p-nitrophenol degradation producing 4- nitrocathecol is more selective towards molecular ozone than the reaction producing hydroquinone. The identifiability and reliability of the estimated parameters were analyzed with the Marcov chain Monte Carlo (MCMC) method. @All rights reserved. No part of the publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or otherwise, without the prior permission of the author.

Estudo do estado fundamental de aglomerados de silício via redes neurais

We introduce a global optimization method based on the cooperation between an Artificial Neural Net (ANN) and Genetic Algorithm (GA). We have used ANN to select the initial population for the GA. We have tested the new method to predict the ground-state geometry of silicon clusters. We have described the clusters as a piling of plane structures. We have trained three ANN architectures and compared their results with those of pure GA. ANN strongly reduces the total computational time. For Si10, it gained a factor of 5 in search speed. This method can be easily extended to other optimization problems.

Uso de redes neurais recorrentes na determinação das constantes de acidez para a 7-epiclusianona em misturas etanol-água

This work propose a recursive neural network to solve inverse equilibrium problem. The acidity constants of 7-epiclusianone in ethanol-water binary mixtures were determined from multiwavelength spectrophotmetric data. A linear relationship between acidity constants and the %w/v of ethanol in the solvent mixture was observed. The proposed method efficiency is compared with the Simplex method, commonly used in nonlinear optimization techniques. The neural network method is simple, numerically stable and has a broad range of applicability.

Methane combustion kinetic rate constants determination: an ill-posed inverse problem analysis

Methane combustion was studied by the Westbrook and Dryer model. This well-established simplified mechanism is very useful in combustion science, for computational effort can be notably reduced. In the inversion procedure to be studied, rate constants are obtained from [CO] concentration data. However, when inherent experimental errors in chemical concentrations are considered, an ill-conditioned inverse problem must be solved for which appropriate mathematical algorithms are needed. A recurrent neural network was chosen due to its numerical stability and robustness. The proposed methodology was compared against Simplex and Levenberg-Marquardt, the most used methods for optimization problems.

Analysis of the relationship intensity, duration, frequency of disaggregated daily rainfall in southern Rio Grande do Sul, Brazil

The intensity, duration, and frequency relationship (IDF) of rainfall occurrence may be done through continuous records of pluviographs or daily pluviometer values . The objective of this study was to estimate the intensity-duration-frequency relationships of precipitation, using the method of daily rainfall disaggregation, at weather stations located to the southern half of the state of Rio Grande do Sul; comparing them with those obtained by rain gauge records, in places considered homogeneous from the meteorological point of view. The IDF equation parameters were estimated from daily rainfall disaggregation data, using the method of nonlinear optimization. To validate the equations confidence indices and efficiency and the "t" Student test, among maximum intensity values obtained from the disaggregated daily rainfall durations of 10; 30; 60 min and 6; 12 and 24 h and those extracted from existing IDF equations. For all studied stations and return periods, the trust index values were regarded as "optimal", i.e., greater than 0.85. The maximal intensity of rainfall obtained by daily rainfall disaggregation have similarity with those obtained by relations IDF standards. Thus, the method constitutes a feasible alternative in obtaining the IDF relationships.

Lujasta teräksestä valmistetun palkin poikkileikkauksen optimointi

Parin viime vuosikymmenen aikana on kehitetty huomattavasti entistä lujempia teräslaatuja, joiden käyttö ei kuitenkaan ole yleistynyt läheskään samaan tahtiin. Korkeamman hinnan lisäksi yksi merkittävä syy tähän on, että suunnittelijoilla ei usein ole riittäviä tietoja siitä, millaisissa tilanteissa lujemman teräslaadun käytöstä on merkittävää hyötyä. Tilannetta ei myöskään helpota se, että käytössä olevat standardit eivät tarjoa lainkaan ohjeistusta kaikkein lujimpien, myötörajaltaan yli 700MPa terästen käyttöön ja mitoitukseen. Tässä työssä pyritään tarjoamaan suunnittelijalle ohjeita ja nyrkkisääntöjä sopivan lujuusluokan ja profiilin valintaan sekä yleisesti lujempien teräslaatujen käyttöön. Lujemman teräslaadun käytöllä voidaan keventää suunniteltavaa rakennetta ja saada aikaan huomattavia painonsäästöjä. Usein ongelmaksi nousevat kuitenkin stabiiliuskriteerit, sillä teräksen lommahduskestävyys määräytyy suuresti sen lujuusluokasta siten, että mitä lujempaa teräs on, sitä helpommin se lommahtaa. Kun tämä yhdistetään siihen, että lujempaa terästä käytettäessä rakenteesta tulee optimoituna muutenkin pienempi ja kevyempi, kasvaa näiden kahden asian yhteisvaikutuksena kantokyvyn mukaan mitoitetun rakenteen taipuma korkeampiin lujuusluokkiin edetessä hyvin nopeasti sallittujen rajojen yli. Työssä etsitään siksi keinoja sopivan kompromissin löytämiseksi lujuuden ja jäykkyyden välille. Koska muotoilulla ja poikkileikkauksella on suuri merkitys sekä taipuman että stabiliteetin kannalta, tutkitaan erilaisia poikkileikkausvaihtoehtoja ja etsitään optimaalista poikkileikkausta taivutuspalkille matemaattisen optimointimallin avulla. Kun eri poikkileikkausvaihtoehdot on käsitelty ja optimoitu taivutuksen suhteen, tutkitaan poikkileikkauksia myös muissa kuormitustapauksissa. Huomattavan raskaan laskentatyön takia apuna käytetään Matlab-ohjelmistoa itse optimointiin ja Femap-ohjelmaa muiden kuormitustapausten tutkimiseen ja tulosten verifioitiin.

Susteinable steelmaking by process integration

Environmental issues, including global warming, have been serious challenges realized worldwide, and they have become particularly important for the iron and steel manufacturers during the last decades. Many sites has been shut down in developed countries due to environmental regulation and pollution prevention while a large number of production plants have been established in developing countries which has changed the economy of this business. Sustainable development is a concept, which today affects economic growth, environmental protection, and social progress in setting up the basis for future ecosystem. A sustainable headway may attempt to preserve natural resources, recycle and reuse materials, prevent pollution, enhance yield and increase profitability. To achieve these objectives numerous alternatives should be examined in the sustainable process design. Conventional engineering work cannot address all of these substitutes effectively and efficiently to find an optimal route of processing. A systematic framework is needed as a tool to guide designers to make decisions based on overall concepts of the system, identifying the key bottlenecks and opportunities, which lead to an optimal design and operation of the systems. Since the 1980s, researchers have made big efforts to develop tools for what today is referred to as Process Integration. Advanced mathematics has been used in simulation models to evaluate various available alternatives considering physical, economic and environmental constraints. Improvements on feed material and operation, competitive energy market, environmental restrictions and the role of Nordic steelworks as energy supplier (electricity and district heat) make a great motivation behind integration among industries toward more sustainable operation, which could increase the overall energy efficiency and decrease environmental impacts. In this study, through different steps a model is developed for primary steelmaking, with the Finnish steel sector as a reference, to evaluate future operation concepts of a steelmaking site regarding sustainability. The research started by potential study on increasing energy efficiency and carbon dioxide reduction due to integration of steelworks with chemical plants for possible utilization of available off-gases in the system as chemical products. These off-gases from blast furnace, basic oxygen furnace and coke oven furnace are mainly contained of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, nitrogen and partially methane (in coke oven gas) and have proportionally low heating value but are currently used as fuel within these industries. Nonlinear optimization technique is used to assess integration with methanol plant under novel blast furnace technologies and (partially) substitution of coal with other reducing agents and fuels such as heavy oil, natural gas and biomass in the system. Technical aspect of integration and its effect on blast furnace operation regardless of capital expenditure of new operational units are studied to evaluate feasibility of the idea behind the research. Later on the concept of polygeneration system added and a superstructure generated with alternative routes for off-gases pretreatment and further utilization on a polygeneration system producing electricity, district heat and methanol. (Vacuum) pressure swing adsorption, membrane technology and chemical absorption for gas separation; partial oxidation, carbon dioxide and steam methane reforming for methane gasification; gas and liquid phase methanol synthesis are the main alternative process units considered in the superstructure. Due to high degree of integration in process synthesis, and optimization techniques, equation oriented modeling is chosen as an alternative and effective strategy to previous sequential modelling for process analysis to investigate suggested superstructure. A mixed integer nonlinear programming is developed to study behavior of the integrated system under different economic and environmental scenarios. Net present value and specific carbon dioxide emission is taken to compare economic and environmental aspects of integrated system respectively for different fuel systems, alternative blast furnace reductants, implementation of new blast furnace technologies, and carbon dioxide emission penalties. Sensitivity analysis, carbon distribution and the effect of external seasonal energy demand is investigated with different optimization techniques. This tool can provide useful information concerning techno-environmental and economic aspects for decision-making and estimate optimal operational condition of current and future primary steelmaking under alternative scenarios. The results of the work have demonstrated that it is possible in the future to develop steelmaking towards more sustainable operation.

The Salmon Algorithm - A New Population Based Search Metaheuristic

This thesis introduces the Salmon Algorithm, a search meta-heuristic which can be used for a variety of combinatorial optimization problems. This algorithm is loosely based on the path finding behaviour of salmon swimming upstream to spawn. There are a number of tunable parameters in the algorithm, so experiments were conducted to find the optimum parameter settings for different search spaces. The algorithm was tested on one instance of the Traveling Salesman Problem and found to have superior performance to an Ant Colony Algorithm and a Genetic Algorithm. It was then tested on three coding theory problems - optimal edit codes, optimal Hamming distance codes, and optimal covering codes. The algorithm produced improvements on the best known values for five of six of the test cases using edit codes. It matched the best known results on four out of seven of the Hamming codes as well as three out of three of the covering codes. The results suggest the Salmon Algorithm is competitive with established guided random search techniques, and may be superior in some search spaces.

« Resolution Search » et problèmes d’optimisation discrète

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université d'Avignon.

Tarification logit dans un réseau

Le problème de tarification qui nous intéresse ici consiste à maximiser le revenu généré par les usagers d'un réseau de transport. Pour se rendre à leurs destinations, les usagers font un choix de route et utilisent des arcs sur lesquels nous imposons des tarifs. Chaque route est caractérisée (aux yeux de l'usager) par sa "désutilité", une mesure de longueur généralisée tenant compte à la fois des tarifs et des autres coûts associés à son utilisation. Ce problème a surtout été abordé sous une modélisation déterministe de la demande selon laquelle seules des routes de désutilité minimale se voient attribuer une mesure positive de flot. Le modèle déterministe se prête bien à une résolution globale, mais pèche par manque de réalisme. Nous considérons ici une extension probabiliste de ce modèle, selon laquelle les usagers d'un réseau sont alloués aux routes d'après un modèle de choix discret logit. Bien que le problème de tarification qui en résulte est non linéaire et non convexe, il conserve néanmoins une forte composante combinatoire que nous exploitons à des fins algorithmiques. Notre contribution se répartit en trois articles. Dans le premier, nous abordons le problème d'un point de vue théorique pour le cas avec une paire origine-destination. Nous développons une analyse de premier ordre qui exploite les propriétés analytiques de l'affectation logit et démontrons la validité de règles de simplification de la topologie du réseau qui permettent de réduire la dimension du problème sans en modifier la solution. Nous établissons ensuite l'unimodalité du problème pour une vaste gamme de topologies et nous généralisons certains de nos résultats au problème de la tarification d'une ligne de produits. Dans le deuxième article, nous abordons le problème d'un point de vue numérique pour le cas avec plusieurs paires origine-destination. Nous développons des algorithmes qui exploitent l'information locale et la parenté des formulations probabilistes et déterministes. Un des résultats de notre analyse est l'obtention de bornes sur l'erreur commise par les modèles combinatoires dans l'approximation du revenu logit. Nos essais numériques montrent qu'une approximation combinatoire rudimentaire permet souvent d'identifier des solutions quasi-optimales. Dans le troisième article, nous considérons l'extension du problème à une demande hétérogène. L'affectation de la demande y est donnée par un modèle de choix discret logit mixte où la sensibilité au prix d'un usager est aléatoire. Sous cette modélisation, l'expression du revenu n'est pas analytique et ne peut être évaluée de façon exacte. Cependant, nous démontrons que l'utilisation d'approximations non linéaires et combinatoires permet d'identifier des solutions quasi-optimales. Finalement, nous en profitons pour illustrer la richesse du modèle, par le biais d'une interprétation économique, et examinons plus particulièrement la contribution au revenu des différents groupes d'usagers.

Approches générales de résolution pour les problèmes multi-attributs de tournées de véhicules et confection d'horaires

Thèse réalisée en cotutelle entre l'Université de Montréal et l'Université de Technologie de Troyes

Tactical Vehicle Routing Planning with Application to Milk Collection and Distribution

De nombreux problèmes pratiques qui se posent dans dans le domaine de la logistique, peuvent être modélisés comme des problèmes de tournées de véhicules. De façon générale, cette famille de problèmes implique la conception de routes, débutant et se terminant à un dépôt, qui sont utilisées pour distribuer des biens à un nombre de clients géographiquement dispersé dans un contexte où les coûts associés aux routes sont minimisés. Selon le type de problème, un ou plusieurs dépôts peuvent-être présents. Les problèmes de tournées de véhicules sont parmi les problèmes combinatoires les plus difficiles à résoudre. Dans cette thèse, nous étudions un problème d’optimisation combinatoire, appartenant aux classes des problèmes de tournées de véhicules, qui est liée au contexte des réseaux de transport. Nous introduisons un nouveau problème qui est principalement inspiré des activités de collecte de lait des fermes de production, et de la redistribution du produit collecté aux usines de transformation, pour la province de Québec. Deux variantes de ce problème sont considérées. La première, vise la conception d’un plan tactique de routage pour le problème de la collecte-redistribution de lait sur un horizon donné, en supposant que le niveau de la production au cours de l’horizon est fixé. La deuxième variante, vise à fournir un plan plus précis en tenant compte de la variation potentielle de niveau de production pouvant survenir au cours de l’horizon considéré. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons un algorithme exact pour la première variante du problème qui se caractérise par la présence de fenêtres de temps, plusieurs dépôts, et une flotte hétérogène de véhicules, et dont l’objectif est de minimiser le coût de routage. À cette fin, le problème est modélisé comme un problème multi-attributs de tournées de véhicules. L’algorithme exact est basé sur la génération de colonnes impliquant un algorithme de plus court chemin élémentaire avec contraintes de ressources. Dans la deuxième partie, nous concevons un algorithme exact pour résoudre la deuxième variante du problème. À cette fin, le problème est modélisé comme un problème de tournées de véhicules multi-périodes prenant en compte explicitement les variations potentielles du niveau de production sur un horizon donné. De nouvelles stratégies sont proposées pour résoudre le problème de plus court chemin élémentaire avec contraintes de ressources, impliquant dans ce cas une structure particulière étant donné la caractéristique multi-périodes du problème général. Pour résoudre des instances de taille réaliste dans des temps de calcul raisonnables, une approche de résolution de nature heuristique est requise. La troisième partie propose un algorithme de recherche adaptative à grands voisinages où de nombreuses nouvelles stratégies d’exploration et d’exploitation sont proposées pour améliorer la performances de l’algorithme proposé en termes de la qualité de la solution obtenue et du temps de calcul nécessaire.

Méthode de génération de colonnes pour les problèmes de conception de réseaux avec coûts d’ajout de capacité

Les problèmes de conception de réseaux ont reçu un intérêt particulier et ont été largement étudiés de par leurs nombreuses applications dans différents domaines, tels que les transports et les télécommunications. Nous nous intéressons dans ce mémoire au problème de conception de réseaux avec coûts d’ajout de capacité. Il s’agit d’installer un ensemble d’équipements sur un réseau en vue de satisfaire la demande, tout en respectant les contraintes de capacité, chaque arc pouvant admettre plusieurs équipements. L’objectif est de minimiser les coûts variables de transport des produits et les coûts fixes d’installation ou d’augmentation de capacité des équipements. La méthode que nous envisageons pour résoudre ce problème est basée sur les techniques utilisées en programmation linéaire en nombres entiers, notamment celles de génération de colonnes et de coupes. Ces méthodes sont introduites dans un algorithme général de branch-and-bound basé sur la relaxation linéaire. Nous avons testé notre méthode sur quatre groupes d’instances de tailles différentes, et nous l’avons comparée à CPLEX, qui constitue un des meilleurs solveurs permettant de résoudre des problèmes d’optimisation, ainsi qu’à une méthode existante dans la littérature combinant des méthodes exactes et heuristiques. Notre méthode a été plus performante que ces deux méthodes, notamment pour les instances de très grandes tailles.