A hybrid, inverse approach to the design of magnetic resonance imaging magnets

This paper describes a hybrid numerical method of an inverse approach to the design of compact magnetic resonance imaging magnets. The problem is formulated as a field synthesis and the desired current density on the surface of a cylinder is first calculated by solving a Fredholm equation of the first, kind. Nonlinear optimization methods are then invoked to fit practical magnet coils to the desired current density. The field calculations are performed using a semi-analytical method. The emphasis of this work is on the optimal design of short MRI magnets. Details of the hybrid numerical model are presented, and the model is used to investigate compact, symmetric MRI magnets as well as asymmetric magnets. The results highlight that the method can be used to obtain a compact MRI magnet structure and a very homogeneous magnetic field over the central imaging volume in clinical systems of approximately 1 m in length, significantly shorter than current designs. Viable asymmetric magnet designs, in which the edge of the homogeneous region is very close to one end of the magnet system are also presented. Unshielded designs are the focus of this work. This method is flexible and may be applied to magnets of other geometries. (C) 2000 American Association of Physicists in Medicine. [S0094-2405(00)00303-5].

Compact clinical MRI magnet design using a multilayer current density approach

In this work, a new method of optimization is successfully applied to the theoretical design of compact, actively shielded, clinical MRI magnets. The problem is formulated as a two-step process in which the desired current densities on multiple, cc-axial surface layers are first calculated by solving Fredholm equations of the first kind. Non-linear optimization methods with inequality constraints are then invoked to fit practical magnet coils to the desired current densities. The current density approach allows rapid prototyping of unusual magnet designs. The emphasis of this work is on the optimal design of short, actively-shielded MRI magnets for whole-body imaging. Details of the hybrid numerical model are presented, and the model is used to investigate compact, symmetric, and asymmetric MRI magnets. Magnet designs are presented for actively-shielded, symmetric magnets of coil length 1.0 m, which is considerably shorter than currently available designs of comparable dsv size. Novel, actively-shielded, asymmetric magnet designs are also presented in which the beginning of a 50-cm dsv is positioned just 11 cm from the end of the coil structure, allowing much improved access to the patient and reduced patient claustrophobia. Magn Reson Med 45:331540, 2001. (C) 2001 Wiley-Liss, Inc.

Rapid field calculations for the effect of ferromagnetic material in MRI magnet design

Magnetic resonance imaging (MRI) magnets have very stringent constraints on the homogeneity of the static magnetic field that they generate over desired imaging regions. The magnet system also preferably generates very little stray field external to its structure, so that ease of siting and safety are assured. This work concentrates on deriving, means of rapidly computing the effect of 'cold' and 'warm' ferromagnetic material in or around the superconducting magnet system, so as to facilitate the automated design of hybrid material MR magnets. A complete scheme for the direct calculation of the spherical harmonics of the magnetic field generated by a circular ring of ferromagnetic material is derived under the conditions of arbitrary external magnetizing fields. The magnetic field produced by the superconducting coils in the system is computed using previously developed methods. The final, hybrid algorithm is fast enough for use in large-scale optimization methods. The resultant fields from a practical example of a 4 T, clinical MRI magnet containing both superconducting coils and magnetic material are presented.

Dimensionamento ótimo de pilares de concreto armado

A área da engenharia responsável pelo dimensionamento de estruturas vive em busca da solução que melhor atenderá a vários parâmetros simultâneos como estética, custo, qualidade, peso entre outros. Na prática, não se pode afirmar que o melhor projeto foi de fato executado, pois os projetos são feitos principalmente baseados na experiência do executor, sem se esgotar todas as hipóteses possíveis. É neste sentido que os processos de otimização se fazem necessários na área de dimensionamento de estruturas. É possível obter a partir de um objetivo dado, como o custo, o dimensionamento que melhor atenderá a este parâmetro. Existem alguns estudos nesta área, porém ainda é necessário mais pesquisas. Uma área que vem avançando no estudo de otimização estrutural é o dimensionamento de pilares de acordo com a ABNT NBR 6118:2014 que atenda a uma gama maior de geometrias possíveis. Deve-se também estudar o melhor método de otimização para este tipo de problema dentro dos vários existentes na atualidade. Assim o presente trabalho contempla o embasamento conceitual nos temas de dimensionamento de pilares e métodos de otimização na revisão bibliográfica indicando as referências e métodos utilizados no software de dimensionamento otimizado de pilares, programado com auxílio do software MathLab e seus pacotes, utilizando métodos determinísticos de otimização. Esta pesquisa foi realizada para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Civil na Universidade Federal do Espírito Santo.

Balanceamento de linhas de produção usando algoritmos genéticos

Aquando da definição de um layout por fluxo de produto, ou linha de produção, é necessário proceder-se à melhor selecção de combinações de tarefas a serem executadas em cada estação / posto de trabalho para que o trabalho seja executado numa sequência exequível e sejam necessárias quantidades de tempo aproximadamente iguais em cada estação / posto de trabalho. Este processo é chamado de balanceamento da linha de produção. Verifica-se que as estações de trabalho e equipamentos podem ser combinados de muitas maneiras diferentes; daí que a necessidade de efectuar o balanceamento das linhas de produção implique a distribuição de actividades sequenciais por postos de trabalho de modo a permitir uma elevada utilização de trabalho e de equipamentos e a minimizar o tempo de vazio. Os problemas de balanceamento de linhas são tipicamente problemas complexos de tratar, devido ao elevado número de combinações possíveis. Entre os métodos utilizados para resolver estes problemas encontram-se métodos de tentativa e erro, métodos heurísticos, métodos computacionais de avaliação de diferentes opções até se encontrar uma boa solução e métodos de optimização. O objectivo deste trabalho passou pelo desenvolvimento de uma ferramenta computacional para efectuar o balanceamento de linhas de produção recorrendo a algoritmos genéticos. Foi desenvolvida uma aplicação que implementa dois algoritmos genéticos, um primeiro que obtém soluções para o problema e um segundo que optimiza essas soluções, associada a uma interface gráfica em C# que permite a inserção do problema e a visualização de resultados. Obtiveram-se resultados exequíveis demonstrando vantagens em relação aos métodos heurísticos, pois é possível obter-se mais do que uma solução. Além disso, para problemas complexos torna-se mais prático o uso da aplicação desenvolvida. No entanto, esta aplicação permite no máximo seis precedências por cada operação e resultados com o máximo de nove estações de trabalho.

RSS and LEA adaptation for indoor location using fingerprinting

Fingerprinting is an indoor location technique, based on wireless networks, where data stored during the offline phase is compared with data collected by the mobile device during the online phase. In most of the real-life scenarios, the mobile node used throughout the offline phase is different from the mobile nodes that will be used during the online phase. This means that there might be very significant differences between the Received Signal Strength values acquired by the mobile node and the ones stored in the Fingerprinting Map. As a consequence, this difference between RSS values might contribute to increase the location estimation error. One possible solution to minimize these differences is to adapt the RSS values, acquired during the online phase, before sending them to the Location Estimation Algorithm. Also the internal parameters of the Location Estimation Algorithms, for example the weights of the Weighted k-Nearest Neighbour, might need to be tuned for every type of terminal. This paper focuses both approaches, using Direct Search optimization methods to adapt the Received Signal Strength and to tune the Location Estimation Algorithm parameters. As a result it was possible to decrease the location estimation error originally obtained without any calibration procedure.

Híper-heurísticas com aprendizagem

A otimização nos sistemas de suporte à decisão atuais assume um carácter fortemente interdisciplinar relacionando-se com a necessidade de integração de diferentes técnicas e paradigmas na resolução de problemas reais complexos, sendo que a computação de soluções ótimas em muitos destes problemas é intratável. Os métodos de pesquisa heurística são conhecidos por permitir obter bons resultados num intervalo temporal aceitável. Muitas vezes, necessitam que a parametrização seja ajustada de forma a permitir obter bons resultados. Neste sentido, as estratégias de aprendizagem podem incrementar o desempenho de um sistema, dotando-o com a capacidade de aprendizagem, por exemplo, qual a técnica de otimização mais adequada para a resolução de uma classe particular de problemas, ou qual a parametrização mais adequada de um dado algoritmo num determinado cenário. Alguns dos métodos de otimização mais usados para a resolução de problemas do mundo real resultaram da adaptação de ideias de várias áreas de investigação, principalmente com inspiração na natureza - Meta-heurísticas. O processo de seleção de uma Meta-heurística para a resolução de um dado problema é em si um problema de otimização. As Híper-heurísticas surgem neste contexto como metodologias eficientes para selecionar ou gerar heurísticas (ou Meta-heurísticas) na resolução de problemas de otimização NP-difícil. Nesta dissertação pretende-se dar uma contribuição para o problema de seleção de Metaheurísticas respetiva parametrização. Neste sentido é descrita a especificação de uma Híperheurística para a seleção de técnicas baseadas na natureza, na resolução do problema de escalonamento de tarefas em sistemas de fabrico, com base em experiência anterior. O módulo de Híper-heurística desenvolvido utiliza um algoritmo de aprendizagem por reforço (QLearning), que permite dotar o sistema da capacidade de seleção automática da Metaheurística a usar no processo de otimização, assim como a respetiva parametrização. Finalmente, procede-se à realização de testes computacionais para avaliar a influência da Híper- Heurística no desempenho do sistema de escalonamento AutoDynAgents. Como conclusão genérica, é possível afirmar que, dos resultados obtidos é possível concluir existir vantagem significativa no desempenho do sistema quando introduzida a Híper-heurística baseada em QLearning.

Análise de desempenho de algoritmos de otimização para extração de parâmetros em modelos semicondutores de potência

Apresenta-se nesta tese uma revisão da literatura sobre a modelação de semicondutores de potência baseada na física e posterior análise de desempenho de dois métodos estocásticos, Particle Swarm Optimizaton (PSO) e Simulated Annealing (SA), quando utilizado para identificação eficiente de parâmetros de modelos de dispositivos semicondutores de potência, baseado na física. O conhecimento dos valores destes parâmetros, para cada dispositivo, é fundamental para uma simulação precisa do comportamento dinâmico do semicondutor. Os parâmetros são extraídos passo-a-passo durante simulação transiente e desempenham um papel relevante. Uma outra abordagem interessante nesta tese relaciona-se com o facto de que nos últimos anos, os métodos de modelação para dispositivos de potência têm emergido, com alta precisão e baixo tempo de execução baseado na Equação de Difusão Ambipolar (EDA) para díodos de potência e implementação no MATLAB numa estratégia de optimização formal. A equação da EDA é resolvida numericamente sob várias condições de injeções e o modelo é desenvolvido e implementado como um subcircuito no simulador IsSpice. Larguras de camada de depleção, área total do dispositivo, nível de dopagem, entre outras, são alguns dos parâmetros extraídos do modelo. Extração de parâmetros é uma parte importante de desenvolvimento de modelo. O objectivo de extração de parâmetros e otimização é determinar tais valores de parâmetros de modelo de dispositivo que minimiza as diferenças entre um conjunto de características medidas e resultados obtidos pela simulação de modelo de dispositivo. Este processo de minimização é frequentemente chamado de ajuste de características de modelos para dados de medição. O algoritmo implementado, PSO é uma técnica de heurística de otimização promissora, eficiente e recentemente proposta por Kennedy e Eberhart, baseado no comportamento social. As técnicas propostas são encontradas para serem robustas e capazes de alcançar uma solução que é caracterizada para ser precisa e global. Comparada com algoritmo SA já realizada, o desempenho da técnica proposta tem sido testado utilizando dados experimentais para extrair parâmetros de dispositivos reais das características I-V medidas. Para validar o modelo, comparação entre resultados de modelo desenvolvido com um outro modelo já desenvolvido são apresentados.

Adaptive Penalty and Barrier function based on Fuzzy Logic

Optimization methods have been used in many areas of knowledge, such as Engineering, Statistics, Chemistry, among others, to solve optimization problems. In many cases it is not possible to use derivative methods, due to the characteristics of the problem to be solved and/or its constraints, for example if the involved functions are non-smooth and/or their derivatives are not know. To solve this type of problems a Java based API has been implemented, which includes only derivative-free optimization methods, and that can be used to solve both constrained and unconstrained problems. For solving constrained problems, the classic Penalty and Barrier functions were included in the API. In this paper a new approach to Penalty and Barrier functions, based on Fuzzy Logic, is proposed. Two penalty functions, that impose a progressive penalization to solutions that violate the constraints, are discussed. The implemented functions impose a low penalization when the violation of the constraints is low and a heavy penalty when the violation is high. Numerical results, obtained using twenty-eight test problems, comparing the proposed Fuzzy Logic based functions to six of the classic Penalty and Barrier functions are presented. Considering the achieved results, it can be concluded that the proposed penalty functions besides being very robust also have a very good performance.

Heurísticas de pesquisa local para problemas de máquina única

O escalonamento é uma das decisões mais importantes no funcionamento de uma linha de produção. No âmbito desta dissertação foi realizada uma descrição do problema do escalonamento, identificando alguns métodos para a optimização dos problemas de escalonamento. Foi realizado um estudo ao caso do problema de máquina única através do teste de várias instâncias com o objectivo de minimizar o atraso pesado, aplicando uma Meta-Heurística baseada na Pesquisa Local e dois algoritmos baseados no SB. Os resultados obtidos reflectem que os algoritmos baseados no SB apresentaram resultados mais próximos do óptimo, em relação ao algoritmo baseado na PL. Os resultados obtidos permitem sustentar a hipótese de não existirem algoritmos específicos para os problemas de escalonamento. A melhor forma de encontrar uma solução de boa qualidade em tempo útil é experimentar diferentes algoritmos e comparar o desempenho das soluções obtidas.

Controle óptimo de fluidos não newtonianos

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Matemática

A cophenetic correlation coefficient for Tocher's method

The objective of this work was to propose a way of using the Tocher's method of clustering to obtain a matrix similar to the cophenetic one obtained for hierarchical methods, which would allow the calculation of a cophenetic correlation. To illustrate the obtention of the proposed cophenetic matrix, we used two dissimilarity matrices - one obtained with the generalized squared Mahalanobis distance and the other with the Euclidean distance - between 17 garlic cultivars, based on six morphological characters. Basically, the proposal for obtaining the cophenetic matrix was to use the average distances within and between clusters, after performing the clustering. A function in R language was proposed to compute the cophenetic matrix for Tocher's method. The empirical distribution of this correlation coefficient was briefly studied. For both dissimilarity measures, the values of cophenetic correlation obtained for the Tocher's method were higher than those obtained with the hierarchical methods (Ward's algorithm and average linkage - UPGMA). Comparisons between the clustering made with the agglomerative hierarchical methods and with the Tocher's method can be performed using a criterion in common: the correlation between matrices of original and cophenetic distances.

Short-term Hydropower Planning System

The Thesis gives a decision support framework that has significant impact on the economic performance and viability of a hydropower company. The studyaddresses the short-term hydropower planning problem in the Nordic deregulated electricity market. The basics of the Nordic electricity market, trading mechanisms, hydropower system characteristics and production planning are presented in the Thesis. The related modelling theory and optimization methods are covered aswell. The Thesis provides a mixed integer linear programming model applied in asuccessive linearization method for optimal bidding and scheduling decisions inthe hydropower system operation within short-term horizon. A scenario based deterministic approach is exploited for modelling uncertainty in market price and inflow. The Thesis proposes a calibration framework to examine the physical accuracy and economic optimality of the decisions suggested by the model. A calibration example is provided with data from a real hydropower system using a commercial modelling application with the mixed integer linear programming solver CPLEX.

Direct torque control of permanent magnet synchronous machines - analysis and implementation

Thedirect torque control (DTC) has become an accepted vector control method besidethe current vector control. The DTC was first applied to asynchronous machines,and has later been applied also to synchronous machines. This thesis analyses the application of the DTC to permanent magnet synchronous machines (PMSM). In order to take the full advantage of the DTC, the PMSM has to be properly dimensioned. Therefore the effect of the motor parameters is analysed taking the control principle into account. Based on the analysis, a parameter selection procedure is presented. The analysis and the selection procedure utilize nonlinear optimization methods. The key element of a direct torque controlled drive is the estimation of the stator flux linkage. Different estimation methods - a combination of current and voltage models and improved integration methods - are analysed. The effect of an incorrect measured rotor angle in the current model is analysed andan error detection and compensation method is presented. The dynamic performance of an earlier presented sensorless flux estimation method is made better by improving the dynamic performance of the low-pass filter used and by adapting the correction of the flux linkage to torque changes. A method for the estimation ofthe initial angle of the rotor is presented. The method is based on measuring the inductance of the machine in several directions and fitting the measurements into a model. The model is nonlinear with respect to the rotor angle and therefore a nonlinear least squares optimization method is needed in the procedure. A commonly used current vector control scheme is the minimum current control. In the DTC the stator flux linkage reference is usually kept constant. Achieving the minimum current requires the control of the reference. An on-line method to perform the minimization of the current by controlling the stator flux linkage reference is presented. Also, the control of the reference above the base speed is considered. A new estimation flux linkage is introduced for the estimation of the parameters of the machine model. In order to utilize the flux linkage estimates in off-line parameter estimation, the integration methods are improved. An adaptive correction is used in the same way as in the estimation of the controller stator flux linkage. The presented parameter estimation methods are then used in aself-commissioning scheme. The proposed methods are tested with a laboratory drive, which consists of a commercial inverter hardware with a modified software and several prototype PMSMs.

Identifying quantitative operation principles in metabolic pathways: a systematic method for searching feasible enzyme activity patterns leading to cellular adaptive responses

Background: Optimization methods allow designing changes in a system so that specific goals are attained. These techniques are fundamental for metabolic engineering. However, they are not directly applicable for investigating the evolution of metabolic adaptation to environmental changes. Although biological systems have evolved by natural selection and result in well-adapted systems, we can hardly expect that actual metabolic processes are at the theoretical optimum that could result from an optimization analysis. More likely, natural systems are to be found in a feasible region compatible with global physiological requirements. Results: We first present a new method for globally optimizing nonlinear models of metabolic pathways that are based on the Generalized Mass Action (GMA) representation. The optimization task is posed as a nonconvex nonlinear programming (NLP) problem that is solved by an outer- approximation algorithm. This method relies on solving iteratively reduced NLP slave subproblems and mixed-integer linear programming (MILP) master problems that provide valid upper and lower bounds, respectively, on the global solution to the original NLP. The capabilities of this method are illustrated through its application to the anaerobic fermentation pathway in Saccharomyces cerevisiae. We next introduce a method to identify the feasibility parametric regions that allow a system to meet a set of physiological constraints that can be represented in mathematical terms through algebraic equations. This technique is based on applying the outer-approximation based algorithm iteratively over a reduced search space in order to identify regions that contain feasible solutions to the problem and discard others in which no feasible solution exists. As an example, we characterize the feasible enzyme activity changes that are compatible with an appropriate adaptive response of yeast Saccharomyces cerevisiae to heat shock Conclusion: Our results show the utility of the suggested approach for investigating the evolution of adaptive responses to environmental changes. The proposed method can be used in other important applications such as the evaluation of parameter changes that are compatible with health and disease states.