System Design: Using UML Use Cases

In this lecture we cover how UML Use Cases can be used for requirements capture. We look at the anatomy of a Use Case Description, and the way in which use cases can be brought together in a use case diagram. We also look at the way that use cases can be derived from problems using noun verb analysis.

A dynamic knowledge-based decision support system to handle solids separation problems in activated sludge systems: development and validation

El sistema de fangs activats és el tractament biològic més àmpliament utilitzat arreu del món per la depuració d'aigües residuals. El seu funcionament depèn de la correcta operació tant del reactor biològic com del decantador secundari. Quan la fase de sedimentació no es realitza correctament, la biomassa no decantada s'escapa amb l'efluent causant un impacte sobre el medi receptor. Els problemes de separació de sòlids, són actualment una de les principals causes d'ineficiència en l'operació dels sistemes de fangs activats arreu del món. Inclouen: bulking filamentós, bulking viscós, escumes biològiques, creixement dispers, flòcul pin-point i desnitrificació incontrolada. L'origen dels problemes de separació generalment es troba en un desequilibri entre les principals comunitats de microorganismes implicades en la sedimentació de la biomassa: els bacteris formadors de flòcul i els bacteris filamentosos. Degut a aquest origen microbiològic, la seva identificació i control no és una tasca fàcil pels caps de planta. Els Sistemes de Suport a la Presa de Decisions basats en el coneixement (KBDSS) són un grup d'eines informàtiques caracteritzades per la seva capacitat de representar coneixement heurístic i tractar grans quantitats de dades. L'objectiu de la present tesi és el desenvolupament i validació d'un KBDSS específicament dissenyat per donar suport als caps de planta en el control dels problemes de separació de sòlids d'orígen microbiològic en els sistemes de fangs activats. Per aconseguir aquest objectiu principal, el KBDSS ha de presentar les següents característiques: (1) la implementació del sistema ha de ser viable i realista per garantir el seu correcte funcionament; (2) el raonament del sistema ha de ser dinàmic i evolutiu per adaptar-se a les necessitats del domini al qual es vol aplicar i (3) el raonament del sistema ha de ser intel·ligent. En primer lloc, a fi de garantir la viabilitat del sistema, s'ha realitzat un estudi a petita escala (Catalunya) que ha permès determinar tant les variables més utilitzades per a la diagnosi i monitorització dels problemes i els mètodes de control més viables, com la detecció de les principals limitacions que el sistema hauria de resoldre. Els resultats d'anteriors aplicacions han demostrat que la principal limitació en el desenvolupament de KBDSSs és l'estructura de la base de coneixement (KB), on es representa tot el coneixement adquirit sobre el domini, juntament amb els processos de raonament a seguir. En el nostre cas, tenint en compte la dinàmica del domini, aquestes limitacions es podrien veure incrementades si aquest disseny no fos òptim. En aquest sentit, s'ha proposat el Domino Model com a eina per dissenyar conceptualment el sistema. Finalment, segons el darrer objectiu referent al seguiment d'un raonament intel·ligent, l'ús d'un Sistema Expert (basat en coneixement expert) i l'ús d'un Sistema de Raonament Basat en Casos (basat en l'experiència) han estat integrats com els principals sistemes intel·ligents encarregats de dur a terme el raonament del KBDSS. Als capítols 5 i 6 respectivament, es presenten el desenvolupament del Sistema Expert dinàmic (ES) i del Sistema de Raonament Basat en Casos temporal, anomenat Sistema de Raonament Basat en Episodis (EBRS). A continuació, al capítol 7, es presenten detalls de la implementació del sistema global (KBDSS) en l'entorn G2. Seguidament, al capítol 8, es mostren els resultats obtinguts durant els 11 mesos de validació del sistema, on aspectes com la precisió, capacitat i utilitat del sistema han estat validats tant experimentalment (prèviament a la implementació) com a partir de la seva implementació real a l'EDAR de Girona. Finalment, al capítol 9 s'enumeren les principals conclusions derivades de la present tesi.

Conceptual design of wastewater treatment plants using multiple objectives

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

Research by Design is up and running

This paper explores the context of and developments in Research by Design (RbD) as currently developing in Schools of Architecture. It starts from noticing that the design studio is the core of the bachelor and master curriculum. Extending this position to PhD research implies the search for research where the design process is the main method of researching and creating knowledge and understanding. These developments connect to similar developments in the arts. Mode 1 and mode 2 knowledge, reflection and other knowledge processes are the base for developing knowledge for the field of architecture when practice and designing are the main method of research. The paper concludes with observing many PhD and research projects building on design activities and practice are currently under way and are supported by academia. They produce a specific type of knowledge and understanding, usually opening up problems and exploring boundaries.

Design factors affecting the success of settlement upgrading projects. Favela Bairro Program, Rio de Janeiro

One of the main stated objectives of the Favela Bairro program was to allow squatter settlements to become part of the formal city. The focus of the study is to assess how different project solutions in the Favela Bairro program have used urban design tools to achieve this objective. A subsequent question concerns the extent to which urban design factors helped to improve the social integration of the settlements, and specifically to overcome poverty and exclusion conditions.This bring us to a another group of problems related to indicators to measure the attainment of these objectives from four perspectives: Spatial, Social, Economical and Political (citizenship and participation)This analysis highlights the major difficulties confronted by the design teams, and allows pinpointing the positive and negative impacts of the interventions on the communities and the city

COMPUTER assisted technologies to enhance CONCURRENce in building DESIGN

Modern organisms are adapted to a wide variety of habitats and lifestyles. The processes of evolution have led to complex, interdependent, well-designed mechanisms of todays world and this research challenge is to transpose these innovative solutions to resolve problems in the context of architectural design practice, e.g., to relate design by nature with design by human. In a design by human environment, design synthesis can be performed with the use of rapid prototyping techniques that will enable to transform almost instantaneously any 2D design representation into a physical three-dimensional model, through a rapid prototyping printer machine. Rapid prototyping processes add layers of material one on top of another until a complete model is built and an analogy can be established with design by nature where the natural lay down of earth layers shapes the earth surface, a natural process occurring repeatedly over long periods of time. Concurrence in design will particularly benefit from rapid prototyping techniques, as the prime purpose of physical prototyping is to promptly assist iterative design, enabling design participants to work with a three-dimensional hardcopy and use it for the validation of their design-ideas. Concurrent design is a systematic approach aiming to facilitate the simultaneous involvment and commitment of all participants in the building design process, enabling both an effective reduction of time and costs at the design phase and a quality improvement of the design product. This paper presents the results of an exploratory survey investigating both how computer-aided design systems help designers to fully define the shape of their design-ideas and the extent of the application of rapid prototyping technologies coupled with Internet facilities by design practice. The findings suggest that design practitioners recognize that these technologies can greatly enhance concurrence in design, though acknowledging a lack of knowledge in relation to the issue of rapid prototyping.

Innovative approach to building systems integration problems: Using systems theory, technological forecasting and scenario planning

Building services are worth about 2% GDP and are essential for the effective and efficient operations of the building. It is increasingly recognised that the value of a building is related to the way it supports the client organisation’s ongoing business operations. Building services are central to the functional performance of buildings and provide the necessary conditions for health, well-being, safety and security of the occupants. They frequently comprise several technologically distinct sub-systems and their design and construction requires the involvement of numerous disciplines and trades. Designers and contractors working on the same project are frequently employed by different companies. Materials and equipment is supplied by a diverse range of manufacturers. Facilities managers are responsible for operation of the building service in use. The coordination between these participants is crucially important to achieve optimum performance, but too often is neglected. This leaves room for serious faults. The need for effective integration is important. Modern technology offers increasing opportunities for integrated personal-control systems for lighting, ventilation and security as well as interoperability between systems. Opportunities for a new mode of systems integration are provided by the emergence of PFI/PPP procurements frameworks. This paper attempts to establish how systems integration can be achieved in the process of designing, constructing and operating building services. The essence of the paper therefore is to envisage the emergent organisational responses to the realisation of building services as an interactive systems network.

"I don't know what you are trying to establish": The socio-environmental 'problems' of visual impaired children

This paper uses the social model of disability to examine visually impaired children's experiences of their housing and neighbourhoods and finds that they did not experience any significant problems with the design of them. The source of their problems was within these environments, and was caused by factors such as the intensity of movement, for example, from flows of traffic. We conclude by discussing the social policy implications of these findings.

RBF equalizer design using directional evolutionary multi-objective optimization

Whilst radial basis function (RBF) equalizers have been employed to combat the linear and nonlinear distortions in modern communication systems, most of them do not take into account the equalizer's generalization capability. In this paper, it is firstly proposed that the. model's generalization capability can be improved by treating the modelling problem as a multi-objective optimization (MOO) problem, with each objective based on one of several training sets. Then, as a modelling application, a new RBF equalizer learning scheme is introduced based on the directional evolutionary MOO (EMOO). Directional EMOO improves the computational efficiency of conventional EMOO, which has been widely applied in solving MOO problems, by explicitly making use of the directional information. Computer simulation demonstrates that the new scheme can be used to derive RBF equalizers with good performance not only on explaining the training samples but on predicting the unseen samples.

A design for business intelligence service in demand driven supply chain management

This paper discusses the problems inherent within traditional supply chain management's forecast and inventory management processes arising when tackling demand driven supply chain. A demand driven supply chain management architecture developed by Orchestr8 Ltd., U.K. is described to demonstrate its advantages over traditional supply chain management. Within this architecture, a metrics reporting system is designed by adopting business intelligence technology that supports users for decision making and planning supply activities over supply chain health.

Nonlinear channel equalizer design using directional evolutionary multi-objective optimization

In this paper, a new equalizer learning scheme is introduced based on the algorithm of the directional evolutionary multi-objective optimization (EMOO). Whilst nonlinear channel equalizers such as the radial basis function (RBF) equalizers have been widely studied to combat the linear and nonlinear distortions in the modern communication systems, most of them do not take into account the equalizers' generalization capabilities. In this paper, equalizers are designed aiming at improving their generalization capabilities. It is proposed that this objective can be achieved by treating the equalizer design problem as a multi-objective optimization (MOO) problem, with each objective based on one of several training sets, followed by deriving equalizers with good capabilities of recovering the signals for all the training sets. Conventional EMOO which is widely applied in the MOO problems suffers from disadvantages such as slow convergence speed. Directional EMOO improves the computational efficiency of the conventional EMOO by explicitly making use of the directional information. The new equalizer learning scheme based on the directional EMOO is applied to the RBF equalizer design. Computer simulation demonstrates that the new scheme can be used to derive RBF equalizers with good generalization capabilities, i.e., good performance on predicting the unseen samples.

Solving complex optimal control problems at no cost with PSOPT

This paper introduces PSOPT, an open source optimal control solver written in C++. PSOPT uses pseudospectral and local discretizations, sparse nonlinear programming, automatic differentiation, and it incorporates automatic scaling and mesh refinement facilities. The software is able to solve complex optimal control problems including multiple phases, delayed differential equations, nonlinear path constraints, interior point constraints, integral constraints, and free initial and/or final times. The software does not require any non-free platform to run, not even the operating system, as it is able to run under Linux. Additionally, the software generates plots as well as LATEX code so that its results can easily be included in publications. An illustrative example is provided.

Towards a modular robotics standard for AGV design and programming

Across the world there are many bodies currently involved in researching into the design of autonomous guided vehicles (AGVs). One of the greatest problems at present however, is that much of the research work is being conducted in isolated groups, with the resulting AGVs sensor/control/command systems being almost completely nontransferable to other AGV designs. This paper describes a new modular method for robot design which when applied to AGVs overcomes the above problems. The method is explained here with respect to all forms of robotics but the examples have been specifically chosen to reflect typical AGV systems.

Iterative Methods for Equality-Constrained Least Squares Problems

We consider the linear equality-constrained least squares problem (LSE) of minimizing ${\|c - Gx\|}_2 $, subject to the constraint $Ex = p$. A preconditioned conjugate gradient method is applied to the Kuhn–Tucker equations associated with the LSE problem. We show that our method is well suited for structural optimization problems in reliability analysis and optimal design. Numerical tests are performed on an Alliant FX/8 multiprocessor and a Cray-X-MP using some practical structural analysis data.