Investigações sobre técnicas de arquivamento para otimizadores multiobjetivo

Multi-objective problems may have many optimal solutions, which together form the Pareto optimal set. A class of heuristic algorithms for those problems, in this work called optimizers, produces approximations of this optimal set. The approximation set kept by the optmizer may be limited or unlimited. The benefit of using an unlimited archive is to guarantee that all the nondominated solutions generated in the process will be saved. However, due to the large number of solutions that can be generated, to keep an archive and compare frequently new solutions to the stored ones may demand a high computational cost. The alternative is to use a limited archive. The problem that emerges from this situation is the need of discarding nondominated solutions when the archive is full. Some techniques were proposed to handle this problem, but investigations show that none of them can surely prevent the deterioration of the archives. This work investigates a technique to be used together with the previously proposed ideas in the literature to deal with limited archives. The technique consists on keeping discarded solutions in a secondary archive, and periodically recycle these solutions, bringing them back to the optimization. Three methods of recycling are presented. In order to verify if these ideas are capable to improve the archive content during the optimization, they were implemented together with other techniques from the literature. An computational experiment with NSGA-II, SPEA2, PAES, MOEA/D and NSGA-III algorithms, applied to many classes of problems is presented. The potential and the difficulties of the proposed techniques are evaluated based on statistical tests.

Investigações sobre técnicas de arquivamento para otimizadores multiobjetivo

Multi-objective problems may have many optimal solutions, which together form the Pareto optimal set. A class of heuristic algorithms for those problems, in this work called optimizers, produces approximations of this optimal set. The approximation set kept by the optmizer may be limited or unlimited. The benefit of using an unlimited archive is to guarantee that all the nondominated solutions generated in the process will be saved. However, due to the large number of solutions that can be generated, to keep an archive and compare frequently new solutions to the stored ones may demand a high computational cost. The alternative is to use a limited archive. The problem that emerges from this situation is the need of discarding nondominated solutions when the archive is full. Some techniques were proposed to handle this problem, but investigations show that none of them can surely prevent the deterioration of the archives. This work investigates a technique to be used together with the previously proposed ideas in the literature to deal with limited archives. The technique consists on keeping discarded solutions in a secondary archive, and periodically recycle these solutions, bringing them back to the optimization. Three methods of recycling are presented. In order to verify if these ideas are capable to improve the archive content during the optimization, they were implemented together with other techniques from the literature. An computational experiment with NSGA-II, SPEA2, PAES, MOEA/D and NSGA-III algorithms, applied to many classes of problems is presented. The potential and the difficulties of the proposed techniques are evaluated based on statistical tests.

Algoritmos experimentais para o problema biobjetivo da árvore geradora quadrática em adjacência de arestas

The Quadratic Minimum Spanning Tree (QMST) problem is a generalization of the Minimum Spanning Tree problem in which, beyond linear costs associated to each edge, quadratic costs associated to each pair of edges must be considered. The quadratic costs are due to interaction costs between the edges. When interactions occur between adjacent edges only, the problem is named Adjacent Only Quadratic Minimum Spanning Tree (AQMST). Both QMST and AQMST are NP-hard and model a number of real world applications involving infrastructure networks design. Linear and quadratic costs are summed in the mono-objective versions of the problems. However, real world applications often deal with conflicting objectives. In those cases, considering linear and quadratic costs separately is more appropriate and multi-objective optimization provides a more realistic modelling. Exact and heuristic algorithms are investigated in this work for the Bi-objective Adjacent Only Quadratic Spanning Tree Problem. The following techniques are proposed: backtracking, branch-and-bound, Pareto Local Search, Greedy Randomized Adaptive Search Procedure, Simulated Annealing, NSGA-II, Transgenetic Algorithm, Particle Swarm Optimization and a hybridization of the Transgenetic Algorithm with the MOEA-D technique. Pareto compliant quality indicators are used to compare the algorithms on a set of benchmark instances proposed in literature.

Algoritmos experimentais para o problema biobjetivo da árvore geradora quadrática em adjacência de arestas

The Quadratic Minimum Spanning Tree (QMST) problem is a generalization of the Minimum Spanning Tree problem in which, beyond linear costs associated to each edge, quadratic costs associated to each pair of edges must be considered. The quadratic costs are due to interaction costs between the edges. When interactions occur between adjacent edges only, the problem is named Adjacent Only Quadratic Minimum Spanning Tree (AQMST). Both QMST and AQMST are NP-hard and model a number of real world applications involving infrastructure networks design. Linear and quadratic costs are summed in the mono-objective versions of the problems. However, real world applications often deal with conflicting objectives. In those cases, considering linear and quadratic costs separately is more appropriate and multi-objective optimization provides a more realistic modelling. Exact and heuristic algorithms are investigated in this work for the Bi-objective Adjacent Only Quadratic Spanning Tree Problem. The following techniques are proposed: backtracking, branch-and-bound, Pareto Local Search, Greedy Randomized Adaptive Search Procedure, Simulated Annealing, NSGA-II, Transgenetic Algorithm, Particle Swarm Optimization and a hybridization of the Transgenetic Algorithm with the MOEA-D technique. Pareto compliant quality indicators are used to compare the algorithms on a set of benchmark instances proposed in literature.

Cogestion des ressources naturelles : une approche structurale pour quantifier la contribution des réseaux d'acteurs à la résilience des systèmes socio-écologiques

Alors que les activités anthropiques font basculer de nombreux écosystèmes vers des régimes fonctionnels différents, la résilience des systèmes socio-écologiques devient un problème pressant. Des acteurs locaux, impliqués dans une grande diversité de groupes — allant d’initiatives locales et indépendantes à de grandes institutions formelles — peuvent agir sur ces questions en collaborant au développement, à la promotion ou à l’implantation de pratiques plus en accord avec ce que l’environnement peut fournir. De ces collaborations répétées émergent des réseaux complexes, et il a été montré que la topologie de ces réseaux peut améliorer la résilience des systèmes socio-écologiques (SSÉ) auxquels ils participent. La topologie des réseaux d’acteurs favorisant la résilience de leur SSÉ est caractérisée par une combinaison de plusieurs facteurs : la structure doit être modulaire afin d’aider les différents groupes à développer et proposer des solutions à la fois plus innovantes (en réduisant l’homogénéisation du réseau), et plus proches de leurs intérêts propres ; elle doit être bien connectée et facilement synchronisable afin de faciliter les consensus, d’augmenter le capital social, ainsi que la capacité d’apprentissage ; enfin, elle doit être robuste, afin d’éviter que les deux premières caractéristiques ne souffrent du retrait volontaire ou de la mise à l’écart de certains acteurs. Ces caractéristiques, qui sont relativement intuitives à la fois conceptuellement et dans leur application mathématique, sont souvent employées séparément pour analyser les qualités structurales de réseaux d’acteurs empiriques. Cependant, certaines sont, par nature, incompatibles entre elles. Par exemple, le degré de modularité d’un réseau ne peut pas augmenter au même rythme que sa connectivité, et cette dernière ne peut pas être améliorée tout en améliorant sa robustesse. Cet obstacle rend difficile la création d’une mesure globale, car le niveau auquel le réseau des acteurs contribue à améliorer la résilience du SSÉ ne peut pas être la simple addition des caractéristiques citées, mais plutôt le résultat d’un compromis subtil entre celles-ci. Le travail présenté ici a pour objectifs (1), d’explorer les compromis entre ces caractéristiques ; (2) de proposer une mesure du degré auquel un réseau empirique d’acteurs contribue à la résilience de son SSÉ ; et (3) d’analyser un réseau empirique à la lumière, entre autres, de ces qualités structurales. Cette thèse s’articule autour d’une introduction et de quatre chapitres numérotés de 2 à 5. Le chapitre 2 est une revue de la littérature sur la résilience des SSÉ. Il identifie une série de caractéristiques structurales (ainsi que les mesures de réseaux qui leur correspondent) liées à l’amélioration de la résilience dans les SSÉ. Le chapitre 3 est une étude de cas sur la péninsule d’Eyre, une région rurale d’Australie-Méridionale où l’occupation du sol, ainsi que les changements climatiques, contribuent à l’érosion de la biodiversité. Pour cette étude de cas, des travaux de terrain ont été effectués en 2010 et 2011 durant lesquels une série d’entrevues a permis de créer une liste des acteurs de la cogestion de la biodiversité sur la péninsule. Les données collectées ont été utilisées pour le développement d’un questionnaire en ligne permettant de documenter les interactions entre ces acteurs. Ces deux étapes ont permis la reconstitution d’un réseau pondéré et dirigé de 129 acteurs individuels et 1180 relations. Le chapitre 4 décrit une méthodologie pour mesurer le degré auquel un réseau d’acteurs participe à la résilience du SSÉ dans lequel il est inclus. La méthode s’articule en deux étapes : premièrement, un algorithme d’optimisation (recuit simulé) est utilisé pour fabriquer un archétype semi-aléatoire correspondant à un compromis entre des niveaux élevés de modularité, de connectivité et de robustesse. Deuxièmement, un réseau empirique (comme celui de la péninsule d’Eyre) est comparé au réseau archétypique par le biais d’une mesure de distance structurelle. Plus la distance est courte, et plus le réseau empirique est proche de sa configuration optimale. La cinquième et dernier chapitre est une amélioration de l’algorithme de recuit simulé utilisé dans le chapitre 4. Comme il est d’usage pour ce genre d’algorithmes, le recuit simulé utilisé projetait les dimensions du problème multiobjectif dans une seule dimension (sous la forme d’une moyenne pondérée). Si cette technique donne de très bons résultats ponctuellement, elle n’autorise la production que d’une seule solution parmi la multitude de compromis possibles entre les différents objectifs. Afin de mieux explorer ces compromis, nous proposons un algorithme de recuit simulé multiobjectifs qui, plutôt que d’optimiser une seule solution, optimise une surface multidimensionnelle de solutions. Cette étude, qui se concentre sur la partie sociale des systèmes socio-écologiques, améliore notre compréhension des structures actorielles qui contribuent à la résilience des SSÉ. Elle montre que si certaines caractéristiques profitables à la résilience sont incompatibles (modularité et connectivité, ou — dans une moindre mesure — connectivité et robustesse), d’autres sont plus facilement conciliables (connectivité et synchronisabilité, ou — dans une moindre mesure — modularité et robustesse). Elle fournit également une méthode intuitive pour mesurer quantitativement des réseaux d’acteurs empiriques, et ouvre ainsi la voie vers, par exemple, des comparaisons d’études de cas, ou des suivis — dans le temps — de réseaux d’acteurs. De plus, cette thèse inclut une étude de cas qui fait la lumière sur l’importance de certains groupes institutionnels pour la coordination des collaborations et des échanges de connaissances entre des acteurs aux intérêts potentiellement divergents.

Optimization of Cooling Protocols for Hearts Destined for Transplantation

Design and analysis of conceptually different cooling systems for the human heart preservation are numerically investigated. A heart cooling container with required connections was designed for a normal size human heart. A three-dimensional, high resolution human heart geometric model obtained from CT-angio data was used for simulations. Nine different cooling designs are introduced in this research. The first cooling design (Case 1) used a cooling gelatin only outside of the heart. In the second cooling design (Case 2), the internal parts of the heart were cooled via pumping a cooling liquid inside both the heart’s pulmonary and systemic circulation systems. An unsteady conjugate heat transfer analysis is performed to simulate the temperature field variations within the heart during the cooling process. Case 3 simulated the currently used cooling method in which the coolant is stagnant. Case 4 was a combination of Case 1 and Case 2. A linear thermoelasticity analysis was performed to assess the stresses applied on the heart during the cooling process. In Cases 5 through 9, the coolant solution was used for both internal and external cooling. For external circulation in Case 5 and Case 6, two inlets and two outlets were designed on the walls of the cooling container. Case 5 used laminar flows for coolant circulations inside and outside of the heart. Effects of turbulent flow on cooling of the heart were studied in Case 6. In Case 7, an additional inlet was designed on the cooling container wall to create a jet impinging the hot region of the heart’s wall. Unsteady periodic inlet velocities were applied in Case 8 and Case 9. The average temperature of the heart in Case 5 was +5.0oC after 1500 s of cooling. Multi-objective constrained optimization was performed for Case 5. Inlet velocities for two internal and one external coolant circulations were the three design variables for optimization. Minimizing the average temperature of the heart, wall shear stress and total volumetric flow rates were the three objectives. The only constraint was to keep von Mises stress below the ultimate tensile stress of the heart’s tissue.

Effective end wall profiling rules for a highly loaded compressor cascade

This paper presents a numerical study of a linear compressor cascade to investigate the effective end wall profiling rules for highly-loaded axial compressors. The first step in the research applies a correlation analysis for the different flow field parameters by a data mining over 600 profiling samples to quantify how variations of loss, secondary flow and passage vortex interact with each other under the influence of a profiled end wall. The result identifies the dominant role of corner separation for control of total pressure loss, providing a principle that only in the flow field with serious corner separation does the does the profiled end wall change total pressure loss, secondary flow and passage vortex in the same direction. Then in the second step, a multi-objective optimization of a profiled end wall is performed to reduce loss at design point and near stall point. The development of effective end wall profiling rules is based on the manner of secondary flow control rather than the geometry features of the end wall. Using the optimum end wall cases from the Pareto front, a quantitative tool for analyzing secondary flow control is employed. The driving force induced by a profiled end wall on different regions of end wall flow are subjected to a detailed analysis and identified for their positive/negative influences in relieving corner separation, from which the effective profiling rules are further confirmed. It is found that the profiling rules on a cascade show distinct differences at design point and near stall point, thus loss control of different operating points is generally independent.

Joint Analysis of Multiple Algorithms and Performance Measures

There has been an increasing interest in the development of new methods using Pareto optimality to deal with multi-objective criteria (for example, accuracy and time complexity). Once one has developed an approach to a problem of interest, the problem is then how to compare it with the state of art. In machine learning, algorithms are typically evaluated by comparing their performance on different data sets by means of statistical tests. Standard tests used for this purpose are able to consider jointly neither performance measures nor multiple competitors at once. The aim of this paper is to resolve these issues by developing statistical procedures that are able to account for multiple competing measures at the same time and to compare multiple algorithms altogether. In particular, we develop two tests: a frequentist procedure based on the generalized likelihood-ratio test and a Bayesian procedure based on a multinomial-Dirichlet conjugate model. We further extend them by discovering conditional independences among measures to reduce the number of parameters of such models, as usually the number of studied cases is very reduced in such comparisons. Data from a comparison among general purpose classifiers is used to show a practical application of our tests.

Predictive Analytics and Decision Support for Heart Failure patients

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

Convex Optimization Algorithms and Statistical Bounds for Learning Structured Models

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Cogestion des ressources naturelles : une approche structurale pour quantifier la contribution des réseaux d'acteurs à la résilience des systèmes socio-écologiques

Alors que les activités anthropiques font basculer de nombreux écosystèmes vers des régimes fonctionnels différents, la résilience des systèmes socio-écologiques devient un problème pressant. Des acteurs locaux, impliqués dans une grande diversité de groupes — allant d’initiatives locales et indépendantes à de grandes institutions formelles — peuvent agir sur ces questions en collaborant au développement, à la promotion ou à l’implantation de pratiques plus en accord avec ce que l’environnement peut fournir. De ces collaborations répétées émergent des réseaux complexes, et il a été montré que la topologie de ces réseaux peut améliorer la résilience des systèmes socio-écologiques (SSÉ) auxquels ils participent. La topologie des réseaux d’acteurs favorisant la résilience de leur SSÉ est caractérisée par une combinaison de plusieurs facteurs : la structure doit être modulaire afin d’aider les différents groupes à développer et proposer des solutions à la fois plus innovantes (en réduisant l’homogénéisation du réseau), et plus proches de leurs intérêts propres ; elle doit être bien connectée et facilement synchronisable afin de faciliter les consensus, d’augmenter le capital social, ainsi que la capacité d’apprentissage ; enfin, elle doit être robuste, afin d’éviter que les deux premières caractéristiques ne souffrent du retrait volontaire ou de la mise à l’écart de certains acteurs. Ces caractéristiques, qui sont relativement intuitives à la fois conceptuellement et dans leur application mathématique, sont souvent employées séparément pour analyser les qualités structurales de réseaux d’acteurs empiriques. Cependant, certaines sont, par nature, incompatibles entre elles. Par exemple, le degré de modularité d’un réseau ne peut pas augmenter au même rythme que sa connectivité, et cette dernière ne peut pas être améliorée tout en améliorant sa robustesse. Cet obstacle rend difficile la création d’une mesure globale, car le niveau auquel le réseau des acteurs contribue à améliorer la résilience du SSÉ ne peut pas être la simple addition des caractéristiques citées, mais plutôt le résultat d’un compromis subtil entre celles-ci. Le travail présenté ici a pour objectifs (1), d’explorer les compromis entre ces caractéristiques ; (2) de proposer une mesure du degré auquel un réseau empirique d’acteurs contribue à la résilience de son SSÉ ; et (3) d’analyser un réseau empirique à la lumière, entre autres, de ces qualités structurales. Cette thèse s’articule autour d’une introduction et de quatre chapitres numérotés de 2 à 5. Le chapitre 2 est une revue de la littérature sur la résilience des SSÉ. Il identifie une série de caractéristiques structurales (ainsi que les mesures de réseaux qui leur correspondent) liées à l’amélioration de la résilience dans les SSÉ. Le chapitre 3 est une étude de cas sur la péninsule d’Eyre, une région rurale d’Australie-Méridionale où l’occupation du sol, ainsi que les changements climatiques, contribuent à l’érosion de la biodiversité. Pour cette étude de cas, des travaux de terrain ont été effectués en 2010 et 2011 durant lesquels une série d’entrevues a permis de créer une liste des acteurs de la cogestion de la biodiversité sur la péninsule. Les données collectées ont été utilisées pour le développement d’un questionnaire en ligne permettant de documenter les interactions entre ces acteurs. Ces deux étapes ont permis la reconstitution d’un réseau pondéré et dirigé de 129 acteurs individuels et 1180 relations. Le chapitre 4 décrit une méthodologie pour mesurer le degré auquel un réseau d’acteurs participe à la résilience du SSÉ dans lequel il est inclus. La méthode s’articule en deux étapes : premièrement, un algorithme d’optimisation (recuit simulé) est utilisé pour fabriquer un archétype semi-aléatoire correspondant à un compromis entre des niveaux élevés de modularité, de connectivité et de robustesse. Deuxièmement, un réseau empirique (comme celui de la péninsule d’Eyre) est comparé au réseau archétypique par le biais d’une mesure de distance structurelle. Plus la distance est courte, et plus le réseau empirique est proche de sa configuration optimale. La cinquième et dernier chapitre est une amélioration de l’algorithme de recuit simulé utilisé dans le chapitre 4. Comme il est d’usage pour ce genre d’algorithmes, le recuit simulé utilisé projetait les dimensions du problème multiobjectif dans une seule dimension (sous la forme d’une moyenne pondérée). Si cette technique donne de très bons résultats ponctuellement, elle n’autorise la production que d’une seule solution parmi la multitude de compromis possibles entre les différents objectifs. Afin de mieux explorer ces compromis, nous proposons un algorithme de recuit simulé multiobjectifs qui, plutôt que d’optimiser une seule solution, optimise une surface multidimensionnelle de solutions. Cette étude, qui se concentre sur la partie sociale des systèmes socio-écologiques, améliore notre compréhension des structures actorielles qui contribuent à la résilience des SSÉ. Elle montre que si certaines caractéristiques profitables à la résilience sont incompatibles (modularité et connectivité, ou — dans une moindre mesure — connectivité et robustesse), d’autres sont plus facilement conciliables (connectivité et synchronisabilité, ou — dans une moindre mesure — modularité et robustesse). Elle fournit également une méthode intuitive pour mesurer quantitativement des réseaux d’acteurs empiriques, et ouvre ainsi la voie vers, par exemple, des comparaisons d’études de cas, ou des suivis — dans le temps — de réseaux d’acteurs. De plus, cette thèse inclut une étude de cas qui fait la lumière sur l’importance de certains groupes institutionnels pour la coordination des collaborations et des échanges de connaissances entre des acteurs aux intérêts potentiellement divergents.

DATA DRIVEN INTELLIGENT AGENT NETWORKS FOR ADAPTIVE MONITORING AND CONTROL

To analyze the characteristics and predict the dynamic behaviors of complex systems over time, comprehensive research to enable the development of systems that can intelligently adapt to the evolving conditions and infer new knowledge with algorithms that are not predesigned is crucially needed. This dissertation research studies the integration of the techniques and methodologies resulted from the fields of pattern recognition, intelligent agents, artificial immune systems, and distributed computing platforms, to create technologies that can more accurately describe and control the dynamics of real-world complex systems. The need for such technologies is emerging in manufacturing, transportation, hazard mitigation, weather and climate prediction, homeland security, and emergency response. Motivated by the ability of mobile agents to dynamically incorporate additional computational and control algorithms into executing applications, mobile agent technology is employed in this research for the adaptive sensing and monitoring in a wireless sensor network. Mobile agents are software components that can travel from one computing platform to another in a network and carry programs and data states that are needed for performing the assigned tasks. To support the generation, migration, communication, and management of mobile monitoring agents, an embeddable mobile agent system (Mobile-C) is integrated with sensor nodes. Mobile monitoring agents visit distributed sensor nodes, read real-time sensor data, and perform anomaly detection using the equipped pattern recognition algorithms. The optimal control of agents is achieved by mimicking the adaptive immune response and the application of multi-objective optimization algorithms. The mobile agent approach provides potential to reduce the communication load and energy consumption in monitoring networks. The major research work of this dissertation project includes: (1) studying effective feature extraction methods for time series measurement data; (2) investigating the impact of the feature extraction methods and dissimilarity measures on the performance of pattern recognition; (3) researching the effects of environmental factors on the performance of pattern recognition; (4) integrating an embeddable mobile agent system with wireless sensor nodes; (5) optimizing agent generation and distribution using artificial immune system concept and multi-objective algorithms; (6) applying mobile agent technology and pattern recognition algorithms for adaptive structural health monitoring and driving cycle pattern recognition; (7) developing a web-based monitoring network to enable the visualization and analysis of real-time sensor data remotely. Techniques and algorithms developed in this dissertation project will contribute to research advances in networked distributed systems operating under changing environments.

Design Optimization of Nozzle Shapes for Maximum Uniformity of Exit Flow

The objective of this study is to identify the optimal designs of converging-diverging supersonic and hypersonic nozzles that perform at maximum uniformity of thermodynamic and flow-field properties with respect to their average values at the nozzle exit. Since this is a multi-objective design optimization problem, the design variables used are parameters defining the shape of the nozzle. This work presents how variation of such parameters can influence the nozzle exit flow non-uniformities. A Computational Fluid Dynamics (CFD) software package, ANSYS FLUENT, was used to simulate the compressible, viscous gas flow-field in forty nozzle shapes, including the heat transfer analysis. The results of two turbulence models, k-e and k-ω, were computed and compared. With the analysis results obtained, the Response Surface Methodology (RSM) was applied for the purpose of performing a multi-objective optimization. The optimization was performed with ModeFrontier software package using Kriging and Radial Basis Functions (RBF) response surfaces. Final Pareto optimal nozzle shapes were then analyzed with ANSYS FLUENT to confirm the accuracy of the optimization process.

A framework for risk analysis in automotive cybersecurity

We address the problem of automotive cybersecurity from the point of view of Threat Analysis and Risk Assessment (TARA). The central question that motivates the thesis is the one about the acceptability of risk, which is vital in taking a decision about the implementation of cybersecurity solutions. For this purpose, we develop a quantitative framework in which we take in input the results of risk assessment and define measures of various facets of a possible risk response; we then exploit the natural presence of trade-offs (cost versus effectiveness) to formulate the problem as a multi-objective optimization. Finally, we develop a stochastic model of the future evolution of the risk factors, by means of Markov chains; we adapt the formulations of the optimization problems to this non-deterministic context. The thesis is the result of a collaboration with the Vehicle Electrification division of Marelli, in particular with the Cybersecurity team based in Bologna; this allowed us to consider a particular instance of the problem, deriving from a real TARA, in order to test both the deterministic and the stochastic framework in a real world application. The collaboration also explains why in the work we often assume the point of view of a tier-1 supplier; however, the analyses performed can be adapted to any other level of the supply chain.

High power density electrical machines with hairpin windings

Nowadays, electrical machines are seeing an ever-increasing development and extensive research is currently being dedicated to the improvement of their efficiency and torque/power density. Compared to conventional random windings, hairpin winding inherently features lower DC resistance, higher fill factor, better thermal performance, improved reliability, and an automated manufacturing process. However, several challenges need to be addressed, including electromagnetic, thermal, and manufacturing aspects. Of these, the high ohmic losses at high-frequency operations due to skin and proximity effects are the most severe, resulting in low efficiency or high-temperature values. In this work, the hairpin winding challenges were highlighted at high-frequency operations and at showing the limits of applicability of these standard approaches. Afterward, a multi-objective design optimization is proposed aiming to enhance the exploitation of the hairpin technology in electrical machines. Efficiency and volume power density are considered as main design objectives. Subsequently, a changing paradigm is made for the design of electric motors equipped with hairpin windings, where it is proven that a temperature-oriented approach would be beneficial when designing this type of pre-formed winding. Furthermore, the effect of the rotor topology on AC losses is also considered. After providing design recommendations and FE electromagnetic and thermal evaluations, experimental tests are also performed for validation purposes on a motorette wound with pre-formed conductors. The results show that operating the machine at higher temperatures could be beneficial to efficiency, particularly in high-frequency operations where AC losses are higher at low operating temperatures. The last part of the thesis focuses on comparing the main electromagnetic performance metrics for a conventional hairpin winding, wound onto a benchmark stator with a semi-closed slot opening design, and a continuous hairpin winding, in which the slot opening is open. Lastly, the adoption of semi-magnetic slot wedges is investigated to improve the overall performance of the motor.