Quantum simulation using fidelity-profile optimization

Experimental quantum simulation of a Hamiltonian H requires unitary operator decomposition (UOD) of its evolution unitary U = exp(-iHt) in terms of native unitary operators of the experimental system. Here, using a genetic algorithm, we numerically evaluate the most generic UOD (valid over a continuous range of Hamiltonian parameters) of the unitary operator U, termed fidelity-profile optimization. The optimization is obtained by systematically evaluating the functional dependence of experimental unitary operators (such as single-qubit rotations and time-evolution unitaries of the system interactions) to the Hamiltonian (H) parameters. Using this technique, we have solved the experimental unitary decomposition of a controlled-phase gate (for any phase value), the evolution unitary of the Heisenberg XY interaction, and simulation of the Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interaction in the presence of the Heisenberg XY interaction. Using these decompositions, we studied the entanglement dynamics of a Bell state in the DM interaction and experimentally verified the entanglement preservation procedure of Hou et al. Ann. Phys. (N.Y.) 327, 292 (2012)] in a nuclear magnetic resonance quantum information processor.

Comparative evaluation of inversion approaches of the radiative transfer model for estimation of crop biophysical parameters

The inversion of canopy reflectance models is widely used for the retrieval of vegetation properties from remote sensing. This study evaluates the retrieval of soybean biophysical variables of leaf area index, leaf chlorophyll content, canopy chlorophyll content, and equivalent leaf water thickness from proximal reflectance data integrated broadbands corresponding to moderate resolution imaging spectroradiometer, thematic mapper, and linear imaging self scanning sensors through inversion of the canopy radiative transfer model, PROSAIL. Three different inversion approaches namely the look-up table, genetic algorithm, and artificial neural network were used and performances were evaluated. Application of the genetic algorithm for crop parameter retrieval is a new attempt among the variety of optimization problems in remote sensing which have been successfully demonstrated in the present study. Its performance was as good as that of the look-up table approach and the artificial neural network was a poor performer. The general order of estimation accuracy for para-meters irrespective of inversion approaches was leaf area index > canopy chlorophyll content > leaf chlorophyll content > equivalent leaf water thickness. Performance of inversion was comparable for broadband reflectances of all three sensors in the optical region with insignificant differences in estimation accuracy among them.

利用遗传算法进行水平井水平段长度优化设计

在油藏开发过程中，随着水平井水平段长度的增加，水平井段与油藏的接触面也随之增加，同时井筒内流体的流动阻力也增加，从而导致水平井的产液量减少，即水平井的最终产量是2个相互制约的因素共同作用的结果。利用遗传算法全局寻优的特点，结合一种计算无限导流和有限导流情况下水平井产量的井筒／油藏耦合模型，提出了一种用于水平井水平段长度的优化设计方法。该方法可以在不同的油藏地质模型中使用。

Coherent enhancement of broadband frequency up-conversion in BBO crystal by shaping femtosecond laser pulses

An optimal feedback control of broadband frequency up-conversion in BBO crystal is experimentally demonstrated by shaping femto-second laser pulses based on genetic algorithm, and the frequency up-conversion efficiency can be enhanced by similar to 16%. SPIDER results show that the optimal laser pulses have shorter pulse-width with the little negative chirp than the original pulse with the little positive chirp. By modulating the fundamental spectral phase with periodic square distribution on SLM-256, the frequency up-conversion can be effectively controlled by the factor of about 17%. The experimental results indicate that the broadband frequency up-conversion efficiency is related to both of second harmonic generation (SHG) and sum frequency generation (SFG), where the former depends on the fundamental pulse intensity, and the latter depends on not only the fundamental pulse intensity but also the fundamental pulse spectral phase. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Plataforma de desenvolvimento de circuitos eletrônicos adaptativos.

Este trabalho apresenta uma arquitetura geral para evolução de circuitos eletrônicos analógicos baseada em algoritmos genéticos. A organização lógica privilegia a interoperabilidade de seus principais componentes, incluindo a possibilidade de substituição ou melhorias internas de suas funcionalidades. A plataforma implementada utiliza evolução extrínseca, isto é, baseada em simulação de circuitos, e visa facilidade e flexibilidade para experimentação. Ela viabiliza a interconexão de diversos componentes aos nós de um circuito eletrônico que será sintetizado ou adaptado. A técnica de Algoritmos Genéticos é usada para buscar a melhor forma de interconectar os componentes para implementar a função desejada. Esta versão da plataforma utiliza o ambiente MATLAB com um toolbox de Algoritmos Genéticos e o PSpice como simulador de circuitos. Os estudos de caso realizados apresentaram resultados que demonstram a potencialidade da plataforma no desenvolvimento de circuitos eletrônicos adaptativos.

Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor

Trocadores de calor são equipamentos muito utilizados na indústria de processos com o objetivo de modificar a temperatura e/ou o estado físico de correntes materiais. Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados, a fim de reduzir as necessidades de energia de um sistema. No entanto, durante a operação de uma rede, a eficiência térmica dos trocadores de calor diminui devido à deposição. Esse efeito promove o aumento dos custos de combustível e das emissões de carbono. Uma alternativa para mitigar este problema baseia-se no estabelecimento de uma programação das limpezas dos trocadores de calor durante a operação de rede. Este tipo de abordagem ocasiona uma situação na qual ocorre um conflito de escolha: a limpeza de um trocador de calor pode recuperar a sua eficiência térmica, mas implica custos adicionais, tais como, mão-de-obra, produtos químicos, etc. Além disso, durante a limpeza, o trocador de calor tem de ser contornado por uma corrente de by-pass, o que aumenta temporariamente o consumo de energia. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo explorar diferentes técnicas de otimização envolvendo métodos estocásticos e heurísticos. Com este objetivo foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados que envolvem a simulação pseudo-estacionária do comportamento da rede relacionado com incrustações e a otimização da programação das limpezas deste tipo de sistema. A solução do problema indica os períodos de tempo para a limpeza de cada trocador de calor. Na abordagem estocástica empregada, os parâmetros do algoritmo genético, como probabilidade de crossover e probabilidade de mutação, foram calibrados para o presente problema. A abordagem heurística desenvolvida se deu através da sequência do conjunto de movimentos zero, um e dois. De forma alternativa, desenvolveu-se a metodologia heurística recursiva na qual os conjuntos de movimentos um e dois foram empregados recursivamente. Também foi desenvolvida a abordagem híbrida que consistiu em diferentes combinações da metodologia estocástica e heurística. A análise comparativa entre as metodologias empregadas teve como objetivo avaliar a abordagem mais adequada para o presente problema da programação das limpezas em termos de função objetivo e esforço computacional. O desempenho da abordagem proposta foi explorado através de uma série de exemplos, incluindo uma refinaria real brasileira. Os resultados foram promissores, indicando que as técnicas de otimização analisadas neste trabalho podem ser abordagens interessantes para operações que envolvam redes de trocadores de calor. Dentre as abordagens de otimização analisadas, a metodologia heurística desenvolvida no presente trabalho apresentou os melhores resultados se mostrando competitiva frente às abordagens comparadas da literatura

Roteamento e alocação de comprimento de onda em redes WDM segundo algoritmo baseado em regras da natureza.

O surgimento de novos serviços de telecomunicações tem provocado um enorme aumento no tráfego de dados nas redes de transmissão. Para atender a essa demanda crescente, novas tecnologias foram desenvolvidas e implementadas ao longo dos anos, sendo que um dos principais avanços está na área de transmissão óptica, devido à grande capacidade de transporte de informação da fibra óptica. A tecnologia que melhor explora a capacidade desse meio de transmissão atualmente é a multiplexação por divisão de comprimento de onda ou Wavelength Division Multiplexing (WDM) que permite a transmissão de diversos sinais utilizando apenas uma fibra óptica. Redes ópticas WDM se tornaram muito complexas, com enorme capacidade de transmissão de informação (terabits por segundo), para atender à explosão de necessidade por largura de banda. Nesse contexto, é de extrema importância que os recursos dessas redes sejam utilizados de forma inteligente e otimizada. Um dos maiores desafios em uma rede óptica é a escolha de uma rota e a seleção de um comprimento de onda disponível na rede para atender uma solicitação de conexão utilizando o menor número de recursos possível. Esse problema é bastante complexo e ficou conhecido como problema de roteamento e alocação de comprimento de onda ou, simplesmente, problema RWA (Routing and Wavelentgh Assignment problem). Muitos estudos foram realizados com o objetivo de encontrar uma solução eficiente para esse problema, mas nem sempre é possível aliar bom desempenho com baixo tempo de execução, requisito fundamental em redes de telecomunicações. A técnica de algoritmo genético (AG) tem sido utilizada para encontrar soluções de problemas de otimização, como é o caso do problema RWA, e tem obtido resultados superiores quando comparada com soluções heurísticas tradicionais encontradas na literatura. Esta dissertação apresenta, resumidamente, os conceitos de redes ópticas e de algoritmos genéticos, e descreve uma formulação do problema RWA adequada à solução por algoritmo genético.

Implementação de algoritmos genéticos paralelos em uma arquitetura MPSoC.

Essa dissertação apresenta a implementação de um algoritmo genético paralelo utilizando o modelo de granularidade grossa, também conhecido como modelo das ilhas, para sistemas embutidos multiprocessados. Os sistemas embutidos multiprocessados estão tornando-se cada vez mais complexos, pressionados pela demanda por maior poder computacional requerido pelas aplicações, principalmente de multimídia, Internet e comunicações sem fio, que são executadas nesses sistemas. Algumas das referidas aplicações estão começando a utilizar algoritmos genéticos, que podem ser beneficiados pelas vantagens proporcionadas pelo processamento paralelo disponível em sistemas embutidos multiprocessados. No algoritmo genético paralelo do modelo das ilhas, cada processador do sistema embutido é responsável pela evolução de uma população de forma independente dos demais. A fim de acelerar o processo evolutivo, o operador de migração é executado em intervalos definidos para realizar a migração dos melhores indivíduos entre as ilhas. Diferentes topologias lógicas, tais como anel, vizinhança e broadcast, são analisadas na fase de migração de indivíduos. Resultados experimentais são gerados para a otimização de três funções encontradas na literatura.

Sistemas inteligentes aplicados à coordenação da proteção de sistemas elétricos industriais com relés digitais.

Atualmente existem diferentes ferramentas computacionais para auxílio nos estudos de coordenação da proteção, que permitem traçar as curvas dos relés, de acordo com os parâmetros escolhidos pelos projetistas. Entretanto, o processo de escolha das curvas consideradas aceitáveis, com um elevado número de possibilidades e variáveis envolvidas, além de complexo, requer simplificações e iterações do tipo tentativa e erro. Neste processo, são fatores fundamentais tanto a experiência e o conhecimento do especialista, quanto um árduo trabalho, sendo que a coordenação da proteção é qualificada pela IEEE Std. 242 como sendo mais uma arte do que uma ciência. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um algoritmo genético e de um algoritmo inspirado em otimização por colônia de formigas, para automatizar e otimizar a coordenação da função de sobrecorrente de fase de relés digitais microprocessados (IEDs), em subestações industriais. Seis estudos de caso, obtidos a partir de um modelo de banco de dados, baseado em um sistema elétrico industrial real, são avaliados. Os algoritmos desenvolvidos geraram, em todos os estudos de caso, curvas coordenadas, atendendo a todas as restrições previamente estabelecidas e as diferenças temporais de atuação dos relés, no valor de corrente de curto circuito trifásica, apresentaram-se muito próximas do estabelecido como ótimo. As ferramentas desenvolvidas demonstraram potencialidade quando aplicadas nos estudos de coordenação da proteção, tendo resultados positivos na melhoria da segurança das instalações, das pessoas, da continuidade do processo e do impedimento de emissões prejudiciais ao meio ambiente.

应用SVM预测杜鹃属（Rhododendron L.）在中国的潜在分布中心

杜鹃属(Rhododendron L.)是中国种子植物中最大的属，其现代分布和分化中心是我国西南部的横断山区和东喜马拉雅地区。我国西部、西南部的云南、四川、西藏等地共有杜鹃达450种，仅特有种就有约300种。对杜鹃属分布的深入研究是横断山区生物多样性保护不可缺少的重要部分。 由于物种分布与环境因子之间存在着紧密的联系，利用环境因子作为预测物种分布模型的变量是当前最普遍的建模思路。但是绝大多数物种分布预测模型都遇到了难以解决的“高维小样本”问题――模型在标本数据不足时无法给出合理的预测，或者模型无法处理大量的环境变量。机器学习领域的理论和实践已经证明，基于结构风险最小化原理的支持向量机(Support Vector Machine, SVM)算法非常适合“高维小样本”的分类问题。为了探索其应用在物种分布预测问题上的可能性，本文创新性的实现了基于SVM算法的物种分布预测系统。然后，本文以30个杜鹃属(Rhododendron L.)物种为检验对象，利用其标本数据和11个1km的栅格环境变量图层作为模型变量，预测其在中国的潜在分布区。本文通过全面的模型评估——专家评估，ROC (Receiver Operator Characteristic)曲线和曲线下方面积AUC (Area Under the Curve)——来比较模型的性能。试验结果表明，我们所实现的以SVM为核心的物种分布预测系统无论在计算速度还是预测效果上都远远优于当前广泛使用的GARP (Genetic Algorithm for Rule-Set Prediction)预测系统。 之后，本文进一步探讨了SVM预测系统预测效果与环境变量维数和标本点个数的关系。试验结果表明，对于只有少量标本点的物种SVM的预测结果仍然具有相当的合理性。由此可见， SVM预测系统很好的解决了以前众多模型无法克服的稀有种和标本点稀少的物种的潜在分布区模拟问题。同时本文发现大的环境维数（高维）对于物种潜在分布区的预测有着决定性的作用，因此模型处理高维问题的能力显得至关重要。 最后，我们使用中国所有可获取的杜鹃属标本数据，以及83个1km的栅格环境变量图层，对400种杜鹃属物种的潜在分布区进行预测。根据预测出来的物种潜在分布区，我们得到了中国杜鹃属物种潜在多样性分布格局，特有物种潜在多样性分布格局，濒危杜物种潜在的分布格局，各亚属物种潜在分布格局，以及不同生活型物种潜在多样性分布格局。这些分布区图不仅可以对杜鹃属起源研究提供分析验证的条件，还能为其引种、保护和新种的搜寻提供有利的空间依据。

Optimisation of a piezoelectric system for energy harvesting from traffic vibrations

Piezoelectric systems are viewed as a promising approach to energy harvesting from environmental vibrations. The energy harvested from real vibration sources is usually difficult to estimate analytically. Therefore, it is hard to optimise the associated energy harvesting system. This work investigates the optimisation of a piezoelectric cantilever system using a genetic algorithm based approach with numerical simulations. The genetic algorithm globally considers the effects of each parameter to produce an optimal frequency response to scavenge more energy from the real vibrations while the conventional sinusoidal based method can only optimise the resistive load for a given resonant frequency. Experimental acceleration data from the vibrations of a vehicle-excited manhole cover demonstrates that the optimised harvester automatically selects the right frequency and also synchronously optimises the damper and the resistive load. This method shows great potential for optimizing the energy harvesting systems with real vibration data. ©2009 IEEE.

Active control of high-frequency vibration: Optimisation using the hybrid modelling method

This work presents active control of high-frequency vibration using skyhook dampers. The choice of the damper gain and its optimal location is crucial for the effective implementation of active vibration control. In vibration control, certain sensor/actuator locations are preferable for reducing structural vibration while using minimum control effort. In order to perform optimisation on a general built-up structure to control vibration, it is necessary to have a good modelling technique to predict the performance of the controller. The present work exploits the hybrid modelling approach, which combines the finite element method (FEM) and statistical energy analysis (SEA) to provide efficient response predictions at medium to high frequencies. The hybrid method is implemented here for a general network of plates, coupled via springs, to allow study of a variety of generic control design problems. By combining the hybrid method with numerical optimisation using a genetic algorithm, optimal skyhook damper gains and locations are obtained. The optimal controller gain and location found from the hybrid method are compared with results from a deterministic modelling method. Good agreement between the results is observed, whereas results from the hybrid method are found in a significantly reduced amount of time. © 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The design of multi-element airfoils through multi-objective optimization techniques

This paper presents the development and the application of a multi-objective optimization framework for the design of two-dimensional multi-element high-lift airfoils. An innovative and efficient optimization algorithm, namely Multi-Objective Tabu Search (MOTS), has been selected as core of the framework. The flow-field around the multi-element configuration is simulated using the commercial computational fluid dynamics (cfd) suite Ansys cfx. Elements shape and deployment settings have been considered as design variables in the optimization of the Garteur A310 airfoil, as presented here. A validation and verification process of the cfd simulation for the Garteur airfoil is performed using available wind tunnel data. Two design examples are presented in this study: a single-point optimization aiming at concurrently increasing the lift and drag performance of the test case at a fixed angle of attack and a multi-point optimization. The latter aims at introducing operational robustness and off-design performance into the design process. Finally, the performance of the MOTS algorithm is assessed by comparison with the leading NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm) optimization strategy. An equivalent framework developed by the authors within the industrial sponsor environment is used for the comparison. To eliminate cfd solver dependencies three optimum solutions from the Pareto optimal set have been cross-validated. As a result of this study MOTS has been demonstrated to be an efficient and effective algorithm for aerodynamic optimizations. Copyright © 2012 Tech Science Press.

Enhancing and developing the practical optimisation capabilities and intelligence of automatic design software

In the modern engineering design cycle the use of computational tools becomes a neces- sity. The complexity of the engineering systems under consideration for design increases dramatically as the demands for advanced and innovative design concepts and engineering products is expanding. At the same time the advancements in the available technology in terms of computational resources and power, as well as the intelligence of the design software, accommodate these demands and make them a viable approach towards the chal- lenge of real-world engineering problems. This class of design optimisation problems is by nature multi-disciplinary. In the present work we establish enhanced optimisation capabil- ities within the Nimrod/O tool for massively distributed execution of computational tasks through cluster and computational grid resources, and develop the potential to combine and benefit from all the possible available technological advancements, both software and hardware. We develop the interface between a Free Form Deformation geometry manage- ment in-house code with the 2D airfoil aerodynamic efficiency evaluation tool XFoil, and the well established multi-objective heuristic optimisation algorithm NSGA-II. A simple airfoil design problem has been defined to demonstrate the functionality of the design sys- tem, but also to accommodate a framework for future developments and testing with other state-of-the-art optimisation algorithms such as the Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA) and the Multi-Objective Tabu Search (MOTS) techniques. Ultimately, heav- ily computationally expensive industrial design cases can be realised within the presented framework that could not be investigated before. © 2012 by the authors. Published by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc.

Enhancing and developing the practical optimisation capabilities and intelligence of automatic design software

In the modern engineering design cycle the use of computational tools becomes a necessity. The complexity of the engineering systems under consideration for design increases dramatically as the demands for advanced and innovative design concepts and engineering products is expanding. At the same time the advancements in the available technology in terms of computational resources and power, as well as the intelligence of the design software, accommodate these demands and make them a viable approach towards the challenge of real-world engineering problems. This class of design optimisation problems is by nature multi-disciplinary. In the present work we establish enhanced optimisation capabilities within the Nimrod/O tool for massively distributed execution of computational tasks through cluster and computational grid resources, and develop the potential to combine and benefit from all the possible available technological advancements, both software and hardware. We develop the interface between a Free Form Deformation geometry management in-house code with the 2D airfoil aerodynamic efficiency evaluation tool XFoil, and the well established multi-objective heuristic optimisation algorithm NSGA-II. A simple airfoil design problem has been defined to demonstrate the functionality of the design system, but also to accommodate a framework for future developments and testing with other state-of-the-art optimisation algorithms such as the Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA) and the Multi-Objective Tabu Search (MOTS) techniques. Ultimately, heavily computationally expensive industrial design cases can be realised within the presented framework that could not be investigated before. ©2012 AIAA.