Work Extraction and Energy Storage in the Dicke Model

We study work extraction from the Dicke model achieved using simple unitary cyclic transformations keeping into account both a non optimal unitary protocol, and the energetic cost of creating the initial state. By analyzing the role of entanglement, we find that highly entangled states can be inefficient for energy storage when considering the energetic cost of creating the state. Such surprising result holds notwithstanding the fact that the criticality of the model at hand can sensibly improve the extraction of work. While showing the advantages of using a many-body system for work extraction, our results demonstrate that entanglement is not necessarily advantageous for energy storage purposes, when non optimal processes are considered. Our work shows the importance of better understanding the complex interconnections between non-equilibrium thermodynamics of quantum systems and correlations among their subparts.

Essays on optimal fiscal and monetary policies

Cette thèse se compose de trois articles sur les politiques budgétaires et monétaires optimales. Dans le premier article, J'étudie la détermination conjointe de la politique budgétaire et monétaire optimale dans un cadre néo-keynésien avec les marchés du travail frictionnels, de la monnaie et avec distortion des taux d'imposition du revenu du travail. Dans le premier article, je trouve que lorsque le pouvoir de négociation des travailleurs est faible, la politique Ramsey-optimale appelle à un taux optimal d'inflation annuel significativement plus élevé, au-delà de 9.5%, qui est aussi très volatile, au-delà de 7.4%. Le gouvernement Ramsey utilise l'inflation pour induire des fluctuations efficaces dans les marchés du travail, malgré le fait que l'évolution des prix est coûteuse et malgré la présence de la fiscalité du travail variant dans le temps. Les résultats quantitatifs montrent clairement que le planificateur s'appuie plus fortement sur l'inflation, pas sur l'impôts, pour lisser les distorsions dans l'économie au cours du cycle économique. En effet, il ya un compromis tout à fait clair entre le taux optimal de l'inflation et sa volatilité et le taux d'impôt sur le revenu optimal et sa variabilité. Le plus faible est le degré de rigidité des prix, le plus élevé sont le taux d'inflation optimal et la volatilité de l'inflation et le plus faible sont le taux d'impôt optimal sur le revenu et la volatilité de l'impôt sur le revenu. Pour dix fois plus petit degré de rigidité des prix, le taux d'inflation optimal et sa volatilité augmentent remarquablement, plus de 58% et 10%, respectivement, et le taux d'impôt optimal sur le revenu et sa volatilité déclinent de façon spectaculaire. Ces résultats sont d'une grande importance étant donné que dans les modèles frictionnels du marché du travail sans politique budgétaire et monnaie, ou dans les Nouveaux cadres keynésien même avec un riche éventail de rigidités réelles et nominales et un minuscule degré de rigidité des prix, la stabilité des prix semble être l'objectif central de la politique monétaire optimale. En l'absence de politique budgétaire et la demande de monnaie, le taux d'inflation optimal tombe très proche de zéro, avec une volatilité environ 97 pour cent moins, compatible avec la littérature. Dans le deuxième article, je montre comment les résultats quantitatifs impliquent que le pouvoir de négociation des travailleurs et les coûts de l'aide sociale de règles monétaires sont liées négativement. Autrement dit, le plus faible est le pouvoir de négociation des travailleurs, le plus grand sont les coûts sociaux des règles de politique monétaire. Toutefois, dans un contraste saisissant par rapport à la littérature, les règles qui régissent à la production et à l'étroitesse du marché du travail entraînent des coûts de bien-être considérablement plus faible que la règle de ciblage de l'inflation. C'est en particulier le cas pour la règle qui répond à l'étroitesse du marché du travail. Les coûts de l'aide sociale aussi baisse remarquablement en augmentant la taille du coefficient de production dans les règles monétaires. Mes résultats indiquent qu'en augmentant le pouvoir de négociation du travailleur au niveau Hosios ou plus, les coûts de l'aide sociale des trois règles monétaires diminuent significativement et la réponse à la production ou à la étroitesse du marché du travail n'entraîne plus une baisse des coûts de bien-être moindre que la règle de ciblage de l'inflation, qui est en ligne avec la littérature existante. Dans le troisième article, je montre d'abord que la règle Friedman dans un modèle monétaire avec une contrainte de type cash-in-advance pour les entreprises n’est pas optimale lorsque le gouvernement pour financer ses dépenses a accès à des taxes à distorsion sur la consommation. Je soutiens donc que, la règle Friedman en présence de ces taxes à distorsion est optimale si nous supposons un modèle avec travaie raw-efficace où seule le travaie raw est soumis à la contrainte de type cash-in-advance et la fonction d'utilité est homothétique dans deux types de main-d'oeuvre et séparable dans la consommation. Lorsque la fonction de production présente des rendements constants à l'échelle, contrairement au modèle des produits de trésorerie de crédit que les prix de ces deux produits sont les mêmes, la règle Friedman est optimal même lorsque les taux de salaire sont différents. Si la fonction de production des rendements d'échelle croissant ou decroissant, pour avoir l'optimalité de la règle Friedman, les taux de salaire doivent être égales.

A Parameter Estimation and Identifiability Analysis Methodology Applied to a Street Canyon Air Pollution Model

Mathematical models are increasingly used in environmental science thus increasing the importance of uncertainty and sensitivity analyses. In the present study, an iterative parameter estimation and identifiability analysis methodology is applied to an atmospheric model – the Operational Street Pollution Model (OSPMr). To assess the predictive validity of the model, the data is split into an estimation and a prediction data set using two data splitting approaches and data preparation techniques (clustering and outlier detection) are analysed. The sensitivity analysis, being part of the identifiability analysis, showed that some model parameters were significantly more sensitive than others. The application of the determined optimal parameter values was shown to succesfully equilibrate the model biases among the individual streets and species. It was as well shown that the frequentist approach applied for the uncertainty calculations underestimated the parameter uncertainties. The model parameter uncertainty was qualitatively assessed to be significant, and reduction strategies were identified.

Improved Implicit Optimal Modeling of the Labor Shift Scheduling Problem

This paper presents an integer programming model for developing optimal shift schedules while allowing extensive flexibility in terms of alternate shift starting times, shift lengths, and break placement. The model combines the work of Moondra (1976) and Bechtold and Jacobs (1990) by implicitly matching meal breaks to implicitly represented shifts. Moreover, the new model extends the work of these authors to enable the scheduling of overtime and the scheduling of rest breaks. We compare the new model to Bechtold and Jacobs' model over a diverse set of 588 test problems. The new model generates optimal solutions more rapidly, solves problems with more shift alternatives, and does not generate schedules violating the operative restrictions on break timing.

Essays on Omnichannel Sale

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

Optimal Budget-Constrained Sample Allocation for Selection Decisions with Multiple Uncertain Attributes

A decision-maker, when faced with a limited and fixed budget to collect data in support of a multiple attribute selection decision, must decide how many samples to observe from each alternative and attribute. This allocation decision is of particular importance when the information gained leads to uncertain estimates of the attribute values as with sample data collected from observations such as measurements, experimental evaluations, or simulation runs. For example, when the U.S. Department of Homeland Security must decide upon a radiation detection system to acquire, a number of performance attributes are of interest and must be measured in order to characterize each of the considered systems. We identified and evaluated several approaches to incorporate the uncertainty in the attribute value estimates into a normative model for a multiple attribute selection decision. Assuming an additive multiple attribute value model, we demonstrated the idea of propagating the attribute value uncertainty and describing the decision values for each alternative as probability distributions. These distributions were used to select an alternative. With the goal of maximizing the probability of correct selection we developed and evaluated, under several different sets of assumptions, procedures to allocate the fixed experimental budget across the multiple attributes and alternatives. Through a series of simulation studies, we compared the performance of these allocation procedures to the simple, but common, allocation procedure that distributed the sample budget equally across the alternatives and attributes. We found the allocation procedures that were developed based on the inclusion of decision-maker knowledge, such as knowledge of the decision model, outperformed those that neglected such information. Beginning with general knowledge of the attribute values provided by Bayesian prior distributions, and updating this knowledge with each observed sample, the sequential allocation procedure performed particularly well. These observations demonstrate that managing projects focused on a selection decision so that the decision modeling and the experimental planning are done jointly, rather than in isolation, can improve the overall selection results.

Solvency considerations in the gamma-omega surplus model

Ce mémoire de maîtrise traite de la théorie de la ruine, et plus spécialement des modèles actuariels avec surplus dans lesquels sont versés des dividendes. Nous étudions en détail un modèle appelé modèle gamma-omega, qui permet de jouer sur les moments de paiement de dividendes ainsi que sur une ruine non-standard de la compagnie. Plusieurs extensions de la littérature sont faites, motivées par des considérations liées à la solvabilité. La première consiste à adapter des résultats d’un article de 2011 à un nouveau modèle modifié grâce à l’ajout d’une contrainte de solvabilité. La seconde, plus conséquente, consiste à démontrer l’optimalité d’une stratégie de barrière pour le paiement des dividendes dans le modèle gamma-omega. La troisième concerne l’adaptation d’un théorème de 2003 sur l’optimalité des barrières en cas de contrainte de solvabilité, qui n’était pas démontré dans le cas des dividendes périodiques. Nous donnons aussi les résultats analogues à l’article de 2011 en cas de barrière sous la contrainte de solvabilité. Enfin, la dernière concerne deux différentes approches à adopter en cas de passage sous le seuil de ruine. Une liquidation forcée du surplus est mise en place dans un premier cas, en parallèle d’une liquidation à la première opportunité en cas de mauvaises prévisions de dividendes. Un processus d’injection de capital est expérimenté dans le deuxième cas. Nous étudions l’impact de ces solutions sur le montant des dividendes espérés. Des illustrations numériques sont proposées pour chaque section, lorsque cela s’avère pertinent.

Model Probability in Self-organising Maps

Growing models have been widely used for clustering or topology learning. Traditionally these models work on stationary environments, grow incrementally and adapt their nodes to a given distribution based on global parameters. In this paper, we present an enhanced unsupervised self-organising network for the modelling of visual objects. We first develop a framework for building non-rigid shapes using the growth mechanism of the self-organising maps, and then we define an optimal number of nodes without overfitting or underfitting the network based on the knowledge obtained from information-theoretic considerations. We present experimental results for hands and we quantitatively evaluate the matching capabilities of the proposed method with the topographic product.

Essays on optimal fiscal and monetary policies

Cette thèse se compose de trois articles sur les politiques budgétaires et monétaires optimales. Dans le premier article, J'étudie la détermination conjointe de la politique budgétaire et monétaire optimale dans un cadre néo-keynésien avec les marchés du travail frictionnels, de la monnaie et avec distortion des taux d'imposition du revenu du travail. Dans le premier article, je trouve que lorsque le pouvoir de négociation des travailleurs est faible, la politique Ramsey-optimale appelle à un taux optimal d'inflation annuel significativement plus élevé, au-delà de 9.5%, qui est aussi très volatile, au-delà de 7.4%. Le gouvernement Ramsey utilise l'inflation pour induire des fluctuations efficaces dans les marchés du travail, malgré le fait que l'évolution des prix est coûteuse et malgré la présence de la fiscalité du travail variant dans le temps. Les résultats quantitatifs montrent clairement que le planificateur s'appuie plus fortement sur l'inflation, pas sur l'impôts, pour lisser les distorsions dans l'économie au cours du cycle économique. En effet, il ya un compromis tout à fait clair entre le taux optimal de l'inflation et sa volatilité et le taux d'impôt sur le revenu optimal et sa variabilité. Le plus faible est le degré de rigidité des prix, le plus élevé sont le taux d'inflation optimal et la volatilité de l'inflation et le plus faible sont le taux d'impôt optimal sur le revenu et la volatilité de l'impôt sur le revenu. Pour dix fois plus petit degré de rigidité des prix, le taux d'inflation optimal et sa volatilité augmentent remarquablement, plus de 58% et 10%, respectivement, et le taux d'impôt optimal sur le revenu et sa volatilité déclinent de façon spectaculaire. Ces résultats sont d'une grande importance étant donné que dans les modèles frictionnels du marché du travail sans politique budgétaire et monnaie, ou dans les Nouveaux cadres keynésien même avec un riche éventail de rigidités réelles et nominales et un minuscule degré de rigidité des prix, la stabilité des prix semble être l'objectif central de la politique monétaire optimale. En l'absence de politique budgétaire et la demande de monnaie, le taux d'inflation optimal tombe très proche de zéro, avec une volatilité environ 97 pour cent moins, compatible avec la littérature. Dans le deuxième article, je montre comment les résultats quantitatifs impliquent que le pouvoir de négociation des travailleurs et les coûts de l'aide sociale de règles monétaires sont liées négativement. Autrement dit, le plus faible est le pouvoir de négociation des travailleurs, le plus grand sont les coûts sociaux des règles de politique monétaire. Toutefois, dans un contraste saisissant par rapport à la littérature, les règles qui régissent à la production et à l'étroitesse du marché du travail entraînent des coûts de bien-être considérablement plus faible que la règle de ciblage de l'inflation. C'est en particulier le cas pour la règle qui répond à l'étroitesse du marché du travail. Les coûts de l'aide sociale aussi baisse remarquablement en augmentant la taille du coefficient de production dans les règles monétaires. Mes résultats indiquent qu'en augmentant le pouvoir de négociation du travailleur au niveau Hosios ou plus, les coûts de l'aide sociale des trois règles monétaires diminuent significativement et la réponse à la production ou à la étroitesse du marché du travail n'entraîne plus une baisse des coûts de bien-être moindre que la règle de ciblage de l'inflation, qui est en ligne avec la littérature existante. Dans le troisième article, je montre d'abord que la règle Friedman dans un modèle monétaire avec une contrainte de type cash-in-advance pour les entreprises n’est pas optimale lorsque le gouvernement pour financer ses dépenses a accès à des taxes à distorsion sur la consommation. Je soutiens donc que, la règle Friedman en présence de ces taxes à distorsion est optimale si nous supposons un modèle avec travaie raw-efficace où seule le travaie raw est soumis à la contrainte de type cash-in-advance et la fonction d'utilité est homothétique dans deux types de main-d'oeuvre et séparable dans la consommation. Lorsque la fonction de production présente des rendements constants à l'échelle, contrairement au modèle des produits de trésorerie de crédit que les prix de ces deux produits sont les mêmes, la règle Friedman est optimal même lorsque les taux de salaire sont différents. Si la fonction de production des rendements d'échelle croissant ou decroissant, pour avoir l'optimalité de la règle Friedman, les taux de salaire doivent être égales.

Optimisation of a crossdocking distribution centre simulation model

This paper reports on continuing research into the modelling of an order picking process within a Crossdocking distribution centre using Simulation Optimisation. The aim of this project is to optimise a discrete event simulation model and to understand factors that affect finding its optimal performance. Our initial investigation revealed that the precision of the selected simulation output performance measure and the number of replications required for the evaluation of the optimisation objective function through simulation influences the ability of the optimisation technique. We experimented with Common Random Numbers, in order to improve the precision of our simulation output performance measure, and intended to use the number of replications utilised for this purpose as the initial number of replications for the optimisation of our Crossdocking distribution centre simulation model. Our results demonstrate that we can improve the precision of our selected simulation output performance measure value using Common Random Numbers at various levels of replications. Furthermore, after optimising our Crossdocking distribution centre simulation model, we are able to achieve optimal performance using fewer simulations runs for the simulation model which uses Common Random Numbers as compared to the simulation model which does not use Common Random Numbers.

Optimal resource allocation and budgeting in libraries

Libraries since their inception 4000 years ago have been in a process of constant change. Although, changes were in slow motion for centuries, in the last decades, academic libraries have been continuously striving to adapt their services to the ever-changing user needs of students and academic staff. In addition, e-content revolution, technological advances, and ever-shrinking budgets have obliged libraries to efficiently allocate their limited resources among collection and services. Unfortunately, this resource allocation is a complex process due to the diversity of data sources and formats required to be analyzed prior to decision-making, as well as the lack of efficient integration methods. The main purpose of this study is to develop an integrated model that supports libraries in making optimal budgeting and resource allocation decisions among their services and collection by means of a holistic analysis. To this end, a combination of several methodologies and structured approaches is conducted. Firstly, a holistic structure and the required toolset to holistically assess academic libraries are proposed to collect and organize the data from an economic point of view. A four-pronged theoretical framework is used in which the library system and collection are analyzed from the perspective of users and internal stakeholders. The first quadrant corresponds to the internal perspective of the library system that is to analyze the library performance, and costs incurred and resources consumed by library services. The second quadrant evaluates the external perspective of the library system; user’s perception about services quality is judged in this quadrant. The third quadrant analyses the external perspective of the library collection that is to evaluate the impact of the current library collection on its users. Eventually, the fourth quadrant evaluates the internal perspective of the library collection; the usage patterns followed to manipulate the library collection are analyzed. With a complete framework for data collection, these data coming from multiple sources and therefore with different formats, need to be integrated and stored in an adequate scheme for decision support. A data warehousing approach is secondly designed and implemented to integrate, process, and store the holistic-based collected data. Ultimately, strategic data stored in the data warehouse are analyzed and implemented for different purposes including the following: 1) Data visualization and reporting is proposed to allow library managers to publish library indicators in a simple and quick manner by using online reporting tools. 2) Sophisticated data analysis is recommended through the use of data mining tools; three data mining techniques are examined in this research study: regression, clustering and classification. These data mining techniques have been applied to the case study in the following manner: predicting the future investment in library development; finding clusters of users that share common interests and similar profiles, but belong to different faculties; and predicting library factors that affect student academic performance by analyzing possible correlations of library usage and academic performance. 3) Input for optimization models, early experiences of developing an optimal resource allocation model to distribute resources among the different processes of a library system are documented in this study. Specifically, the problem of allocating funds for digital collection among divisions of an academic library is addressed. An optimization model for the problem is defined with the objective of maximizing the usage of the digital collection over-all library divisions subject to a single collection budget. By proposing this holistic approach, the research study contributes to knowledge by providing an integrated solution to assist library managers to make economic decisions based on an “as realistic as possible” perspective of the library situation.

On the optimaL response of q-vortex

Wingtip vortices represent a hazard for the stability of the following airplane in airport highways. These flows have been usually modeled as swirling jets/wakes, which are known to be highly unstable and susceptible to breakdown at high Reynolds numbers for certain flow conditions, but different to the ones present in real flying airplanes. A very recent study based on Direct Numerical Simulations (DNS) shows that a large variety of helical responses can be excited and amplified when a harmonic inlet forcing is imposed. In this work, the optimal response of q-vortex (both axial vorticity and axial velocity can be modeled by a Gaussian profile) is studied by considering the time-harmonically forced problem with a certain frequency ω. We first reproduce Guo and Sun’s results for the Lamb-Oseen vortex (no axial flow) to validate our numerical code. In the axisymmetric case m = 0, the system response is the largest when the input frequency is null. The axial flow has a weak influence in the response for any axial velocity intensity. We also consider helical perturbations |m| = 1. These perturbations are excited through a resonance mechanism at moderate and large wavelengths as it is shown in Figure 1. In addition, Figure 2 shows that the frequency at which the optimal gain is obtained is not a continuous function of the axial wavenumber k. At smaller wavelengths, large response is excited by steady forcing. Regarding the axial flow, the unstable response is the largest when the axial velocity intensity, 1/q, is near to zero. For perturbations with higher azimuthal wavenumbers |m| > 1, the magnitudes of the response are smaller than those for helical modes. In order to establish an alternative validation, DNS has been carried out by using a pseudospectral Fourier formulation finding a very good agreement.

AN ENERGY BASED MINIMUM-TIME OPTIMAL CONTROL OF DC-DC CONVERTERS

Time-optimal response is an important and sometimes necessary characteristic of dynamic systems for specific applications. Power converters are widely used in different electrical systems and their dynamic response will affect the whole system. In many electrical systems like microgrids or voltage regulators which supplies sensitive loads fast dynamic response is a must. Minimum time is the fastest converter to compensate the step output reference or load change. Boost converters as one of the wildly used power converters in the electrical systems are aimed to be controlled in optimal time in this study. Linear controllers are not able to provide the optimal response for a boost converter however they are still useful and functional for other applications like reference tracking or stabilization. To obtain the fastest possible response from boost converters, a nonlinear control approach based on the total energy of the system is studied in this research. Total energy of the system considers as the basis for developing the presented method, since it is easy and accurate to measure besides that the total energy of the system represents the actual operating condition of the boost converter. The detailed model of a boost converter is simulated in MATLAB/Simulink to achieve the time optimal response of the boost converter by applying the developed method. The simulation results confirmed the ability of the presented method to secure the time optimal response of the boost converter under four different scenarios.

TEST-ANALYSIS MODEL CORRELATION AND CALIBRATION OF A MULTI-COMPONENT PLASTIC PART

The goal of this project is to learn the necessary steps to create a finite element model, which can accurately predict the dynamic response of a Kohler Engines Heavy Duty Air Cleaner (HDAC). This air cleaner is composed of three glass reinforced plastic components and two air filters. Several uncertainties arose in the finite element (FE) model due to the HDAC’s component material properties and assembly conditions. To help understand and mitigate these uncertainties, analytical and experimental modal models were created concurrently to perform a model correlation and calibration. Over the course of the project simple and practical methods were found for future FE model creation. Similarly, an experimental method for the optimal acquisition of experimental modal data was arrived upon. After the model correlation and calibration was performed a validation experiment was used to confirm the FE models predictive capabilities.

Multi-objective optimization of material model parameters of an adhesive layer by using SPEA2

The usage of multi material structures in industry, especially in the automotive industry are increasing. To overcome the difficulties in joining these structures, adhesives have several benefits over traditional joining methods. Therefore, accurate simulations of the entire process of fracture including the adhesive layer is crucial. In this paper, material parameters of a previously developed meso mechanical finite element (FE) model of a thin adhesive layer are optimized using the Strength Pareto Evolutionary Algorithm (SPEA2). Objective functions are defined as the error between experimental data and simulation data. The experimental data is provided by previously performed experiments where an adhesive layer was loaded in monotonically increasing peel and shear. Two objective functions are dependent on 9 model parameters (decision variables) in total and are evaluated by running two FEsimulations, one is loading the adhesive layer in peel and the other in shear. The original study converted the two objective functions into one function that resulted in one optimal solution. In this study, however, a Pareto frontis obtained by employing the SPEA2 algorithm. Thus, more insight into the material model, objective functions, optimal solutions and decision space is acquired using the Pareto front. We compare the results and show good agreement with the experimental data.