LIKELIHOOD ESTIMATION OF CONJUGACY RELATIONSHIPS IN LINEAR MODELS WITH APPLICATIONS TO HIGH-THROUGHPUT GENOMICS

In the simultaneous estimation of a large number of related quantities, multilevel models provide a formal mechanism for efficiently making use of the ensemble of information for deriving individual estimates. In this article we investigate the ability of the likelihood to identify the relationship between signal and noise in multilevel linear mixed models. Specifically, we consider the ability of the likelihood to diagnose conjugacy or independence between the signals and noises. Our work was motivated by the analysis of data from high-throughput experiments in genomics. The proposed model leads to a more flexible family. However, we further demonstrate that adequately capitalizing on the benefits of a well fitting fully-specified likelihood in the terms of gene ranking is difficult.

Exact Solutions to the Symmetric and Asymmetric Vehicle Routing Problem with Simultaneous Delivery and Pick-Up

In reverse logistics networks, products (e.g., bottles or containers) have to be transported from a depot to customer locations and, after use, from customer locations back to the depot. In order to operate economically beneficial, companies prefer a simultaneous delivery and pick-up service. The resulting Vehicle Routing Problem with Simultaneous Delivery and Pick-up (VRPSDP) is an operational problem, which has to be solved daily by many companies. We present two mixed-integer linear model formulations for the VRPSDP, namely a vehicle-flow and a commodity-flow model. In order to strengthen the models, domain-reducing preprocessing techniques, and effective cutting planes are outlined. Symmetric benchmark instances known from the literature as well as new asymmetric instances derived from real-world problems are solved to optimality using CPLEX 12.1.

Optimal Scheduling of Work-Content-Constrained Projects

The execution of a project requires resources that are generally scarce. Classical approaches to resource allocation assume that the usage of these resources by an individual project activity is constant during the execution of that activity; in practice, however, the project manager may vary resource usage over time within prescribed bounds. This variation gives rise to the project scheduling problem which consists in allocating the scarce resources to the project activities over time such that the project duration is minimized, the total number of resource units allocated equals the prescribed work content of each activity, and various work-content-related constraints are met. We formulate this problem for the first time as a mixed-integer linear program. Our computational results for a standard test set from the literature indicate that this model outperforms the state-of-the-art solution methods for this problem.

A hybrid method for large-scale short-term scheduling of make-and-pack production processes

Due to the ongoing trend towards increased product variety, fast-moving consumer goods such as food and beverages, pharmaceuticals, and chemicals are typically manufactured through so-called make-and-pack processes. These processes consist of a make stage, a pack stage, and intermediate storage facilities that decouple these two stages. In operations scheduling, complex technological constraints must be considered, e.g., non-identical parallel processing units, sequence-dependent changeovers, batch splitting, no-wait restrictions, material transfer times, minimum storage times, and finite storage capacity. The short-term scheduling problem is to compute a production schedule such that a given demand for products is fulfilled, all technological constraints are met, and the production makespan is minimised. A production schedule typically comprises 500–1500 operations. Due to the problem size and complexity of the technological constraints, the performance of known mixed-integer linear programming (MILP) formulations and heuristic approaches is often insufficient. We present a hybrid method consisting of three phases. First, the set of operations is divided into several subsets. Second, these subsets are iteratively scheduled using a generic and flexible MILP formulation. Third, a novel critical path-based improvement procedure is applied to the resulting schedule. We develop several strategies for the integration of the MILP model into this heuristic framework. Using these strategies, high-quality feasible solutions to large-scale instances can be obtained within reasonable CPU times using standard optimisation software. We have applied the proposed hybrid method to a set of industrial problem instances and found that the method outperforms state-of-the-art methods.

Scheduling in service systems: an application in the event-tourism industry

This paper deals with an event-bus tour booked by Bollywood film fans. During the tour, the participants visit selected locations of famous Bollywood films at various sites in Switzerland. Moreover, the tour includes stops for lunch and shopping. Each day, up to five buses operate the tour; for organizational reasons, two or more buses cannot stay at the same location simultaneously. The planning problem is how to compute a feasible schedule for each bus such that the total waiting time (primary objective) and the total travel time (secondary objective) are minimized. We formulate this problem as a mixed-integer linear program, and we report on computational results obtained with the Gurobi solver.

Statistical issues on studies of mixed longitudinal design

Mixed longitudinal designs are important study designs for many areas of medical research. Mixed longitudinal studies have several advantages over cross-sectional or pure longitudinal studies, including shorter study completion time and ability to separate time and age effects, thus are an attractive choice. Statistical methodology used in general longitudinal studies has been rapidly developing within the last few decades. Common approaches for statistical modeling in studies with mixed longitudinal designs have been the linear mixed-effects model incorporating an age or time effect. The general linear mixed-effects model is considered an appropriate choice to analyze repeated measurements data in longitudinal studies. However, common use of linear mixed-effects model on mixed longitudinal studies often incorporates age as the only random-effect but fails to take into consideration the cohort effect in conducting statistical inferences on age-related trajectories of outcome measurements. We believe special attention should be paid to cohort effects when analyzing data in mixed longitudinal designs with multiple overlapping cohorts. Thus, this has become an important statistical issue to address. ^ This research aims to address statistical issues related to mixed longitudinal studies. The proposed study examined the existing statistical analysis methods for the mixed longitudinal designs and developed an alternative analytic method to incorporate effects from multiple overlapping cohorts as well as from different aged subjects. The proposed study used simulation to evaluate the performance of the proposed analytic method by comparing it with the commonly-used model. Finally, the study applied the proposed analytic method to the data collected by an existing study Project HeartBeat!, which had been evaluated using traditional analytic techniques. Project HeartBeat! is a longitudinal study of cardiovascular disease (CVD) risk factors in childhood and adolescence using a mixed longitudinal design. The proposed model was used to evaluate four blood lipids adjusting for age, gender, race/ethnicity, and endocrine hormones. The result of this dissertation suggest the proposed analytic model could be a more flexible and reliable choice than the traditional model in terms of fitting data to provide more accurate estimates in mixed longitudinal studies. Conceptually, the proposed model described in this study has useful features, including consideration of effects from multiple overlapping cohorts, and is an attractive approach for analyzing data in mixed longitudinal design studies.^

A management model for closed-loop supply chains of reusable articles

This PhD dissertation is framed in the emergent fields of Reverse Logistics and ClosedLoop Supply Chain (CLSC) management. This subarea of supply chain management has gained researchers and practitioners' attention over the last 15 years to become a fully recognized subdiscipline of the Operations Management field. More specifically, among all the activities that are included within the CLSC area, the focus of this dissertation is centered in direct reuse aspects. The main contribution of this dissertation to current knowledge is twofold. First, a framework for the so-called reuse CLSC is developed. This conceptual model is grounded in a set of six case studies conducted by the author in real industrial settings. The model has also been contrasted with existing literature and with academic and professional experts on the topic as well. The framework encompasses four building blocks. In the first block, a typology for reusable articles is put forward, distinguishing between Returnable Transport Items (RTI), Reusable Packaging Materials (RPM), and Reusable Products (RP). In the second block, the common characteristics that render reuse CLSC difficult to manage from a logistical standpoint are identified, namely: fleet shrinkage, significant investment and limited visibility. In the third block, the main problems arising in the management of reuse CLSC are analyzed, such as: (1) define fleet size dimension, (2) control cycle time and promote articles rotation, (3) control return rate and prevent shrinkage, (4) define purchase policies for new articles, (5) plan and control reconditioning activities, and (6) balance inventory between depots. Finally, in the fourth block some solutions to those issues are developed. Firstly, problems (2) and (3) are addressed through the comparative analysis of alternative strategies for controlling cycle time and return rate. Secondly, a methodology for calculating the required fleet size is elaborated (problem (1)). This methodology is valid for different configurations of the physical flows in the reuse CLSC. Likewise, some directions are pointed out for further development of a similar method for defining purchase policies for new articles (problem (4)). The second main contribution of this dissertation is embedded in the solutions part (block 4) of the conceptual framework and comprises a two-level decision problem integrating two mixed integer linear programming (MILP) models that have been formulated and solved to optimality using AIMMS as modeling language, CPLEX as solver and Excel spreadsheet for data introduction and output presentation. The results obtained are analyzed in order to measure in a client-supplier system the economic impact of two alternative control strategies (recovery policies) in the context of reuse. In addition, the models support decision-making regarding the selection of the appropriate recovery policy against the characteristics of demand pattern and the structure of the relevant costs in the system. The triangulation of methods used in this thesis has enabled to address the same research topic with different approaches and thus, the robustness of the results obtained is strengthened.

Optimización de operaciones unitarias utilizando líquidos iónicos como agentes materiales de separación

En este trabajo se estudia la modelización y optimización de procesos industriales de separación mediante el empleo de mezclas de líquidos iónicos como disolventes. Los disolventes habitualmente empleados en procesos de absorción o extracción suelen ser componentes orgánicos muy volátiles y dañinos para la salud humana. Las innovadoras propiedades que presentan los líquidos iónicos, los convierten en alternativas adecuadas para solucionar estos problemas. La presión de vapor de estos compuestos es muy baja y apenas varía con la temperatura. Por tanto, estos compuestos apenas se evaporan incluso a temperaturas altas. Esto supone una gran ventaja en cuanto al empleo de estos compuestos como disolventes industriales ya que permite el reciclaje continuo del disolvente al final del proceso sin necesidad de introducir disolvente fresco debido a la evaporación del mismo. Además, al no evaporarse, estos compuestos no suponen un peligro para la salud humana por inhalación; al contrario que otros disolventes como el benceno. El único peligro para la salud que tienen estos compuestos es por tanto el de contacto directo o ingesta, aunque de hecho muchos Líquidos Iónicos son inocuos con lo cual no existe peligro para la salud ni siquiera a través de estas vías. Los procesos de separación estudiados en este trabajo, se rigen por la termodinámica de fases, concretamente el equilibrio líquido-vapor. Para la predicción de los equilibrios se ha optado por el empleo de modelos COSMO (COnductor-like Screening MOdel). Estos modelos tienen su origen en el empleo de la termodinámica de solvatación y en la mecánica cuántica. En el desarrollo de procesos y productos, químicos e ingenieros frecuentemente precisan de la realización de cálculos de predicción de equilibrios de fase. Previamente al desarrollo de los modelos COSMO, se usaban métodos de contribución de grupos como UNIFAC o modelos de coeficientes de actividad como NRTL.La desventaja de estos métodos, es que requieren parámetros de interacción binaria que únicamente pueden obtenerse mediante ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a esto, estos métodos apenas tienen aplicabilidad para compuestos con grupos funcionales novedosos debido a que no se dispone de datos experimentales para llevar a cabo los ajustes por regresión correspondientes. Una alternativa a estos métodos, es el empleo de modelos de solvatación basados en la química cuántica para caracterizar las interacciones moleculares y tener en cuenta la no idealidad de la fase líquida. Los modelos COSMO, permiten la predicción de equilibrios sin la necesidad de ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a la falta de resultados experimentales de equilibrios líquido-vapor de mezclas en las que se ven involucrados los líquidos iónicos, el empleo de modelos COSMO es una buena alternativa para la predicción de equilibrios de mezclas con este tipo de materiales. Los modelos COSMO emplean las distribuciones superficiales de carga polarizada (sigma profiles) de los compuestos involucrados en la mezcla estudiada para la predicción de los coeficientes de actividad de la misma, definiéndose el sigma profile de una molécula como la distribución de probabilidad de densidad de carga superficial de dicha molécula. Dos de estos modelos son COSMO-RS (Realistic Solvation) y COSMO-SAC (Segment Activity Coefficient). El modelo COSMO-RS fue la primera extensión de los modelos de solvatación basados en continuos dieléctricos a la termodinámica de fases líquidas mientras que el modelo COSMO-SAC es una variación de este modelo, tal y como se explicará posteriormente. Concretamente en este trabajo se ha empleado el modelo COSMO-SAC para el cálculo de los coeficientes de actividad de las mezclas estudiadas. Los sigma profiles de los líquidos iónicos se han obtenido mediante el empleo del software de química computacional Turbomole y el paquete químico-cuántico COSMOtherm. El software Turbomole permite optimizar la geometría de la molécula para hallar la configuración más estable mientras que el paquete COSMOtherm permite la obtención del perfil sigma del compuesto mediante el empleo de los datos proporcionados por Turbomole. Por otra parte, los sigma profiles del resto de componentes se han obtenido de la base de datos Virginia Tech-2005 Sigma Profile Database. Para la predicción del equilibrio a partir de los coeficientes de actividad se ha empleado la Ley de Raoult modificada. Se ha supuesto por tanto que la fracción de cada componente en el vapor es proporcional a la fracción del mismo componente en el líquido, dónde la constante de proporcionalidad es el coeficiente de actividad del componente en la mezcla multiplicado por la presión de vapor del componente y dividido por la presión del sistema. Las presiones de vapor de los componentes se han obtenido aplicando la Ley de Antoine. Esta ecuación describe la relación entre la temperatura y la presión de vapor y se deduce a partir de la ecuación de Clausius-Clapeyron. Todos estos datos se han empleado para la modelización de una separación flash usando el algoritmo de Rachford-Rice. El valor de este modelo reside en la deducción de una función que relaciona las constantes de equilibrio, composición total y fracción de vapor. Para llevar a cabo la implementación del modelado matemático descrito, se ha programado un código empleando el software MATLAB de análisis numérico. Para comprobar la fiabilidad del código programado, se compararon los resultados obtenidos en la predicción de equilibrios de mezclas mediante el código con los resultados obtenidos mediante el simulador ASPEN PLUS de procesos químicos. Debido a la falta de datos relativos a líquidos iónicos en la base de datos de ASPEN PLUS, se han introducido estos componentes como pseudocomponentes, de manera que se han introducido únicamente los datos necesarios de estos componentes para realizar las simulaciones. El modelo COSMO-SAC se encuentra implementado en ASPEN PLUS, de manera que introduciendo los sigma profiles, los volúmenes de la cavidad y las presiones de vapor de los líquidos iónicos, es posible predecir equilibrios líquido-vapor en los que se ven implicados este tipo de materiales. De esta manera pueden compararse los resultados obtenidos con ASPEN PLUS y como el código programado en MATLAB y comprobar la fiabilidad del mismo. El objetivo principal del presente Trabajo Fin de Máster es la optimización de mezclas multicomponente de líquidos iónicos para maximizar la eficiencia de procesos de separación y minimizar los costes de los mismos. La estructura de este problema es la de un problema de optimización no lineal con variables discretas y continuas, es decir, un problema de optimización MINLP (Mixed Integer Non-Linear Programming). Tal y como se verá posteriormente, el modelo matemático de este problema es no lineal. Por otra parte, las variables del mismo son tanto continuas como binarias. Las variables continuas se corresponden con las fracciones molares de los líquidos iónicos presentes en las mezclas y con el caudal de la mezcla de líquidos iónicos. Por otra parte, también se ha introducido un número de variables binarias igual al número de líquidos iónicos presentes en la mezcla. Cada una de estas variables multiplican a las fracciones molares de sus correspondientes líquidos iónicos, de manera que cuando dicha variable es igual a 1, el líquido se encuentra en la mezcla mientras que cuando dicha variable es igual a 0, el líquido iónico no se encuentra presente en dicha mezcla. El empleo de este tipo de variables obliga por tanto a emplear algoritmos para la resolución de problemas de optimización MINLP ya que si todas las variables fueran continuas, bastaría con el empleo de algoritmos para la resolución de problemas de optimización NLP (Non-Linear Programming). Se han probado por tanto diversos algoritmos presentes en el paquete OPTI Toolbox de MATLAB para comprobar cuál es el más adecuado para abordar este problema. Finalmente, una vez validado el código programado, se han optimizado diversas mezclas de líquidos iónicos para lograr la máxima recuperación de compuestos aromáticos en un proceso de absorción de mezclas orgánicas. También se ha usado este código para la minimización del coste correspondiente a la compra de los líquidos iónicos de la mezcla de disolventes empleada en la operación de absorción. En este caso ha sido necesaria la introducción de restricciones relativas a la recuperación de aromáticos en la fase líquida o a la pureza de la mezcla obtenida una vez separada la mezcla de líquidos iónicos. Se han modelizado los dos problemas descritos previamente (maximización de la recuperación de Benceno y minimización del coste de operación) empleando tanto únicamente variables continuas (correspondientes a las fracciones o cantidades molares de los líquidos iónicos) como variables continuas y binarias (correspondientes a cada uno de los líquidos iónicos implicados en las mezclas).

Applications of Formal Languages to Management of Manned and Unmanned Aircraft

En el futuro, la gestión del tráfico aéreo (ATM, del inglés air traffic management) requerirá un cambio de paradigma, de la gestión principalmente táctica de hoy, a las denominadas operaciones basadas en trayectoria. Un incremento en el nivel de automatización liberará al personal de ATM —controladores, tripulación, etc.— de muchas de las tareas que realizan hoy. Las personas seguirán siendo el elemento central en la gestión del tráfico aéreo del futuro, pero lo serán mediante la gestión y toma de decisiones. Se espera que estas dos mejoras traigan un incremento en la eficiencia de la gestión del tráfico aéreo que permita hacer frente al incremento previsto en la demanda de transporte aéreo. Para aplicar el concepto de operaciones basadas en trayectoria, el usuario del espacio aéreo (la aerolínea, piloto, u operador) y el proveedor del servicio de navegación aérea deben negociar las trayectorias mediante un proceso de toma de decisiones colaborativo. En esta negociación, es necesaria una forma adecuada de compartir dichas trayectorias. Compartir la trayectoria completa requeriría un gran ancho de banda, y la trayectoria compartida podría invalidarse si cambiase la predicción meteorológica. En su lugar, podría compartirse una descripción de la trayectoria independiente de las condiciones meteorológicas, de manera que la trayectoria real se pudiese calcular a partir de dicha descripción. Esta descripción de la trayectoria debería ser fácil de procesar usando un programa de ordenador —ya que parte del proceso de toma de decisiones estará automatizado—, pero también fácil de entender para un operador humano —que será el que supervise el proceso y tome las decisiones oportunas—. Esta tesis presenta una serie de lenguajes formales que pueden usarse para este propósito. Estos lenguajes proporcionan los medios para describir trayectorias de aviones durante todas las fases de vuelo, desde la maniobra de push-back (remolcado hasta la calle de rodaje), hasta la llegada a la terminal del aeropuerto de destino. También permiten describir trayectorias tanto de aeronaves tripuladas como no tripuladas, incluyendo aviones de ala fija y cuadricópteros. Algunos de estos lenguajes están estrechamente relacionados entre sí, y organizados en una jerarquía. Uno de los lenguajes fundamentales de esta jerarquía, llamado aircraft intent description language (AIDL), ya había sido desarrollado con anterioridad a esta tesis. Este lenguaje fue derivado de las ecuaciones del movimiento de los aviones de ala fija, y puede utilizarse para describir sin ambigüedad trayectorias de este tipo de aeronaves. Una variante de este lenguaje, denominada quadrotor AIDL (QR-AIDL), ha sido desarrollada en esta tesis para permitir describir trayectorias de cuadricópteros con el mismo nivel de detalle. Seguidamente, otro lenguaje, denominado intent composite description language (ICDL), se apoya en los dos lenguajes anteriores, ofreciendo más flexibilidad para describir algunas partes de la trayectoria y dejar otras sin especificar. El ICDL se usa para proporcionar descripciones genéricas de maniobras comunes, que después se particularizan y combinan para formar descripciones complejas de un vuelo. Otro lenguaje puede construirse a partir del ICDL, denominado flight intent description language (FIDL). El FIDL especifica requisitos de alto nivel sobre las trayectorias —incluyendo restricciones y objetivos—, pero puede utilizar características del ICDL para proporcionar niveles de detalle arbitrarios en las distintas partes de un vuelo. Tanto el ICDL como el FIDL han sido desarrollados en colaboración con Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). También se ha desarrollado un lenguaje para definir misiones en las que interactúan varias aeronaves, el mission intent description language (MIDL). Este lenguaje se basa en el FIDL y mantiene todo su poder expresivo, a la vez que proporciona nuevas semánticas para describir tareas, restricciones y objetivos relacionados con la misión. En ATM, los movimientos de un avión en la superficie de aeropuerto también tienen que ser monitorizados y gestionados. Otro lenguaje formal ha sido diseñado con este propósito, llamado surface movement description language (SMDL). Este lenguaje no pertenece a la jerarquía de lenguajes descrita en el párrafo anterior, y se basa en las clearances (autorizaciones del controlador) utilizadas durante las operaciones en superficie de aeropuerto. También proporciona medios para expresar incertidumbre y posibilidad de cambios en las distintas partes de la trayectoria. Finalmente, esta tesis explora las aplicaciones de estos lenguajes a la predicción de trayectorias y a la planificación de misiones. El concepto de trajectory language processing engine (TLPE) se usa en ambas aplicaciones. Un TLPE es una función de ATM cuya principal entrada y salida se expresan en cualquiera de los lenguajes incluidos en la jerarquía descrita en esta tesis. El proceso de predicción de trayectorias puede definirse como una combinación de TLPEs, cada uno de los cuales realiza una pequeña sub-tarea. Se le ha dado especial importancia a uno de estos TLPEs, que se encarga de generar el perfil horizontal, vertical y de configuración de la trayectoria. En particular, esta tesis presenta un método novedoso para la generación del perfil vertical. El proceso de planificar una misión también se puede ver como un TLPE donde la entrada se expresa en MIDL y la salida consiste en cierto número de trayectorias —una por cada aeronave disponible— descritas utilizando FIDL. Se ha formulado este problema utilizando programación entera mixta. Además, dado que encontrar caminos óptimos entre distintos puntos es un problema fundamental en la planificación de misiones, también se propone un algoritmo de búsqueda de caminos. Este algoritmo permite calcular rápidamente caminos cuasi-óptimos que esquivan todos los obstáculos en un entorno urbano. Los diferentes lenguajes formales definidos en esta tesis pueden utilizarse como una especificación estándar para la difusión de información entre distintos actores de la gestión del tráfico aéreo. En conjunto, estos lenguajes permiten describir trayectorias con el nivel de detalle necesario en cada aplicación, y se pueden utilizar para aumentar el nivel de automatización explotando esta información utilizando sistemas de soporte a la toma de decisiones. La aplicación de estos lenguajes a algunas funciones básicas de estos sistemas, como la predicción de trayectorias, han sido analizadas. ABSTRACT Future air traffic management (ATM) will require a paradigm shift from today’s mainly tactical ATM to trajectory-based operations (TBOs). An increase in the level of automation will also relieve humans —air traffic control officers (ATCOs), flight crew, etc.— from many of the tasks they perform today. Humans will still be central in this future ATM, as decision-makers and managers. These two improvements (TBOs and increased automation) are expected to provide the increase in ATM performance that will allow coping with the expected increase in air transport demand. Under TBOs, trajectories are negotiated between the airspace user (an airline, pilot, or operator) and the air navigation service provider (ANSP) using a collaborative decision making (CDM) process. A suitable method for sharing aircraft trajectories is necessary for this negotiation. Sharing a whole trajectory would require a high amount of bandwidth, and the shared trajectory might become invalid if the weather forecast changed. Instead, a description of the trajectory, decoupled from the weather conditions, could be shared, so that the actual trajectory could be computed from this trajectory description. This trajectory description should be easy to process using a computing program —as some of the CDM processes will be automated— but also easy to understand for a human operator —who will be supervising the process and making decisions. This thesis presents a series of formal languages that can be used for this purpose. These languages provide the means to describe aircraft trajectories during all phases of flight, from push back to arrival at the gate. They can also describe trajectories of both manned and unmanned aircraft, including fixedwing and some rotary-wing aircraft (quadrotors). Some of these languages are tightly interrelated and organized in a language hierarchy. One of the key languages in this hierarchy, the aircraft intent description language (AIDL), had already been developed prior to this thesis. This language was derived from the equations of motion of fixed-wing aircraft, and can provide an unambiguous description of fixed-wing aircraft trajectories. A variant of this language, the quadrotor AIDL (QR-AIDL), is developed in this thesis to allow describing a quadrotor aircraft trajectory with the same level of detail. Then, the intent composite description language (ICDL) is built on top of these two languages, providing more flexibility to describe some parts of the trajectory while leaving others unspecified. The ICDL is used to provide generic descriptions of common aircraft manoeuvres, which can be particularized and combined to form complex descriptions of flight. Another language is built on top of the ICDL, the flight intent description language (FIDL). The FIDL specifies high-level requirements on trajectories —including constraints and objectives—, but can use features of the ICDL to provide arbitrary levels of detail in different parts of the flight. The ICDL and FIDL have been developed in collaboration with Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). Also, the mission intent description language (MIDL) has been developed to allow describing missions involving multiple aircraft. This language is based on the FIDL and keeps all its expressive power, while it also provides new semantics for describing mission tasks, mission objectives, and constraints involving several aircraft. In ATM, the movement of aircraft while on the airport surface also has to be monitored and managed. Another formal language has been designed for this purpose, denoted surface movement description language (SMDL). This language does not belong to the language hierarchy described above, and it is based on the clearances used in airport surface operations. Means to express uncertainty and mutability of different parts of the trajectory are also provided. Finally, the applications of these languages to trajectory prediction and mission planning are explored in this thesis. The concept of trajectory language processing engine (TLPE) is used in these two applications. A TLPE is an ATM function whose main input and output are expressed in any of the languages in the hierarchy described in this thesis. A modular trajectory predictor is defined as a combination of multiple TLPEs, each of them performing a small subtask. Special attention is given to the TLPE that builds the horizontal, vertical, and configuration profiles of the trajectory. In particular, a novel method for the generation of the vertical profile is presented. The process of planning a mission can also be seen as a TLPE, where the main input is expressed in the MIDL and the output consists of a number of trajectory descriptions —one for each aircraft available in the mission— expressed in the FIDL. A mixed integer linear programming (MILP) formulation for the problem of assigning mission tasks to the available aircraft is provided. In addition, since finding optimal paths between locations is a key problem to mission planning, a novel path finding algorithm is presented. This algorithm can compute near-shortest paths avoiding all obstacles in an urban environment in very short times. The several formal languages described in this thesis can serve as a standard specification to share trajectory information among different actors in ATM. In combination, these languages can describe trajectories with the necessary level of detail for any application, and can be used to increase automation by exploiting this information using decision support tools (DSTs). Their applications to some basic functions of DSTs, such as trajectory prediction, have been analized.

Optimización (curso 2011-2012)

Material docente de la asignatura «Simulación y Optimización de procesos químicos». Parte de Optimización OPTIMIZACIÓN TEMA 6. Conceptos Básicos 6.1 Introducción. Desarrollo histórico de la optimización de procesos. 6.2 Funciones y regiones cóncavas y convexas. 6.3 Optimización sin restricciones. 6.4 Optimización con restricciones de igualdad y desigualdad. Condiciones de optimalidad de Karush Khun Tucker 6.5 Interpretación de los Multiplicadores de Lagrange. TEMA 7. Programación lineal 7.1 Introducción. Planteamiento del problema en forma canónica y forma estándar. 7.2 Teoremas de la programación lineal 7.3 Resolución gráfica 7.4 Resolución en forma de tabla. El método simplex. 7.5 Variables artificiales. Método de la Gran M y método de las dos fases. 7.6 Conceptos básicos de dualidad. TEMA 8. Programación no lineal 8.1 Repaso de métodos numéricos de optimización sin restricciones 8.2 Optimización con restricciones. Fundamento de los métodos de programación cuadrática sucesiva y de gradiente reducido. TEMA 9. Introducción a la programación lineal y no lineal con variables discretas. 9.1 Conceptos básicos para la resolución de problemas lineales con variables discretas.(MILP, mixed integer linear programming) 9.2 Introducción a la programación no lineal con variables continuas y discretas (MINLP mixed integer non linear programming) 9.3 Modelado de problemas con variables binarias: 9.3.1 Conceptos básicos de álgebra de Boole 9.3.2 Transformación de expresiones lógicas a expresiones algebraicas 9.3.3 Modelado con variables discretas y continuas. Formulación de envolvente convexa y de la gran M.

Simultaneous synthesis of heat exchanger networks with pressure recovery: optimal integration between heat and work

The optimal integration between heat and work may significantly reduce the energy demand and consequently the process cost. This paper introduces a new mathematical model for the simultaneous synthesis of heat exchanger networks (HENs) in which the pressure levels of the process streams can be adjusted to enhance the heat integration. A superstructure is proposed for the HEN design with pressure recovery, developed via generalized disjunctive programming (GDP) and mixed-integer nonlinear programming (MINLP) formulation. The process conditions (stream temperature and pressure) must be optimized. Furthermore, the approach allows for coupling of the turbines and compressors and selection of the turbines and valves to minimize the total annualized cost, which consists of the operational and capital expenses. The model is tested for its applicability in three case studies, including a cryogenic application. The results indicate that the energy integration reduces the quantity of utilities required, thus decreasing the overall cost.

Simultaneous synthesis of work exchange networks with heat integration

The optimal integration of work and its interaction with heat can represent large energy savings in industrial plants. This paper introduces a new optimization model for the simultaneous synthesis of work exchange networks (WENs), with heat integration for the optimal pressure recovery of process gaseous streams. The proposed approach for the WEN synthesis is analogous to the well-known problem of synthesis of heat exchanger networks (HENs). Thus, there is work exchange between high-pressure (HP) and low-pressure (LP) streams, achieved by pressure manipulation equipment running on common axes. The model allows the use of several units of single-shaft-turbine-compressor (SSTC), as well as stand-alone compressors, turbines and valves. Helper motors and generators are used to respond to any demand and excess of energy. Moreover, between the WEN stages the streams are sent to the HEN to promote thermal recovery, aiming to enhance the work integration. A multi-stage superstructure is proposed to represent the process. The WEN superstructure is optimized in a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) formulation and solved with the GAMS software, with the goal of minimizing the total annualized cost. Three examples are conducted to verify the accuracy of the proposed method. In all case studies, the heat integration between WEN stages is essential to improve the pressure recovery, and to reduce the total costs involved in the process.

MINLP Model for the Synthesis of Heat Exchanger Networks with Handling Pressure of Process Streams

This paper introduces a new mathematical model for the simultaneous synthesis of heat exchanger networks (HENs), wherein the handling pressure of process streams is used to enhance the heat integration. The proposed approach combines generalized disjunctive programming (GDP) and mixed-integer nonlinear programming (MINLP) formulation, in order to minimize the total annualized cost composed by operational and capital expenses. A multi-stage superstructure is developed for the HEN synthesis, assuming constant heat capacity flow rates and isothermal mixing, and allowing for streams splits. In this model, the pressure and temperature of streams must be treated as optimization variables, increasing further the complexity and difficulty to solve the problem. In addition, the model allows for coupling of compressors and turbines to save energy. A case study is performed to verify the accuracy of the proposed model. In this example, the optimal integration between the heat and work decreases the need for thermal utilities in the HEN design. As a result, the total annualized cost is also reduced due to the decrease in the operational expenses related to the heating and cooling of the streams.

Rigorous design of distillation columns using surrogate models based on Kriging interpolation

The economic design of a distillation column or distillation sequences is a challenging problem that has been addressed by superstructure approaches. However, these methods have not been widely used because they lead to mixed-integer nonlinear programs that are hard to solve, and require complex initialization procedures. In this article, we propose to address this challenging problem by substituting the distillation columns by Kriging-based surrogate models generated via state of the art distillation models. We study different columns with increasing difficulty, and show that it is possible to get accurate Kriging-based surrogate models. The optimization strategy ensures that convergence to a local optimum is guaranteed for numerical noise-free models. For distillation columns (slightly noisy systems), Karush–Kuhn–Tucker optimality conditions cannot be tested directly on the actual model, but still we can guarantee a local minimum in a trust region of the surrogate model that contains the actual local minimum.

Retrofit of heat exchanger networks with pressure recovery of process streams at sub-ambient conditions

This paper presents a new mathematical programming model for the retrofit of heat exchanger networks (HENs), wherein the pressure recovery of process streams is conducted to enhance heat integration. Particularly applied to cryogenic processes, HENs retrofit with combined heat and work integration is mainly aimed at reducing the use of expensive cold services. The proposed multi-stage superstructure allows the increment of the existing heat transfer area, as well as the use of new equipment for both heat exchange and pressure manipulation. The pressure recovery of streams is carried out simultaneously with the HEN design, such that the process conditions (streams pressure and temperature) are variables of optimization. The mathematical model is formulated using generalized disjunctive programming (GDP) and is optimized via mixed-integer nonlinear programming (MINLP), through the minimization of the retrofit total annualized cost, considering the turbine and compressor coupling with a helper motor. Three case studies are performed to assess the accuracy of the developed approach, including a real industrial example related to liquefied natural gas (LNG) production. The results show that the pressure recovery of streams is efficient for energy savings and, consequently, for decreasing the HEN retrofit total cost especially in sub-ambient processes.