Fault tolerant embedded systems design by multi-objective optimization

The design of fault tolerant systems is gaining importance in large domains of embedded applications where design constrains are as important as reliability. New software techniques, based on selective application of redundancy, have shown remarkable fault coverage with reduced costs and overheads. However, the large number of different solutions provided by these techniques, and the costly process to assess their reliability, make the design space exploration a very difficult and time-consuming task. This paper proposes the integration of a multi-objective optimization tool with a software hardening environment to perform an automatic design space exploration in the search for the best trade-offs between reliability, cost, and performance. The first tool is commanded by a genetic algorithm which can simultaneously fulfill many design goals thanks to the use of the NSGA-II multi-objective algorithm. The second is a compiler-based infrastructure that automatically produces selective protected (hardened) versions of the software and generates accurate overhead reports and fault coverage estimations. The advantages of our proposal are illustrated by means of a complex and detailed case study involving a typical embedded application, the AES (Advanced Encryption Standard).

Tuning compilations by multi-objective optimization: Application to Apache web server

Modern compilers present a great and ever increasing number of options which can modify the features and behavior of a compiled program. Many of these options are often wasted due to the required comprehensive knowledge about both the underlying architecture and the internal processes of the compiler. In this context, it is usual, not having a single design goal but a more complex set of objectives. In addition, the dependencies between different goals are difficult to be a priori inferred. This paper proposes a strategy for tuning the compilation of any given application. This is accomplished by using an automatic variation of the compilation options by means of multi-objective optimization and evolutionary computation commanded by the NSGA-II algorithm. This allows finding compilation options that simultaneously optimize different objectives. The advantages of our proposal are illustrated by means of a case study based on the well-known Apache web server. Our strategy has demonstrated an ability to find improvements up to 7.5% and up to 27% in context switches and L2 cache misses, respectively, and also discovers the most important bottlenecks involved in the application performance.

Feature selection by multi-objective optimisation: Application to network anomaly detection by hierarchical self-organising maps

Feature selection is an important and active issue in clustering and classification problems. By choosing an adequate feature subset, a dataset dimensionality reduction is allowed, thus contributing to decreasing the classification computational complexity, and to improving the classifier performance by avoiding redundant or irrelevant features. Although feature selection can be formally defined as an optimisation problem with only one objective, that is, the classification accuracy obtained by using the selected feature subset, in recent years, some multi-objective approaches to this problem have been proposed. These either select features that not only improve the classification accuracy, but also the generalisation capability in case of supervised classifiers, or counterbalance the bias toward lower or higher numbers of features that present some methods used to validate the clustering/classification in case of unsupervised classifiers. The main contribution of this paper is a multi-objective approach for feature selection and its application to an unsupervised clustering procedure based on Growing Hierarchical Self-Organising Maps (GHSOMs) that includes a new method for unit labelling and efficient determination of the winning unit. In the network anomaly detection problem here considered, this multi-objective approach makes it possible not only to differentiate between normal and anomalous traffic but also among different anomalies. The efficiency of our proposals has been evaluated by using the well-known DARPA/NSL-KDD datasets that contain extracted features and labelled attacks from around 2 million connections. The selected feature sets computed in our experiments provide detection rates up to 99.8% with normal traffic and up to 99.6% with anomalous traffic, as well as accuracy values up to 99.12%.

Control glucémico a través del ejercicio físico en pacientes con diabetes mellitus tipo 2; revisión sistemática

Introducción: En España, cerca del 14% de la población es diabética y el 95% corresponde a DM2. Un pobre control glucémico provoca un aumento de la morbilidad y mortalidad. Tres son los pilares en el tratamiento de la DM2: la dieta, la medicación y el ejercicio físico, sin embargo, el potencial de la prescripción de entrenamiento físico no ha sido totalmente explotado. Objetivo: Analizar el efecto de las distintas modalidades de ejercicio físico (AE, RT, Combo, INT) en el control glucémico en pacientes con diabetes mellitus tipo 2. Métodos: La búsqueda bibliográfica se realizó en 3 bases de datos electrónicas (Pubmed, Scopus y Proquest), incluyendo publicaciones desde enero de 2011 hasta mayo de 2014, que realizaran la intervención con AE, RT, Combo o INT, y que midieran la glucemia a través de la glucosa capilar, CGMS o HbA1c. Resultados: Del total de 386 artículos encontrados, 14 cumplieron los criterios de inclusión. Estos artículos fueron clasificados atendiendo a la modalidad de ejercicio físico de la intervención (AE, RT, Combo, INT), y en función de si analizaban el control glucémico como consecuencia del entrenamiento a largo plazo o tras una sesión de entrenamiento. Conclusiones: El AE, RT, Combo e INT muestran eficacia en el control glucémico tanto en el entrenamiento prolongado como en las 24-48h post-entrenamiento. Es necesaria la prescripción de un entrenamiento estructurado con una frecuencia, volumen e intensidad determinados para lograr beneficios en el control glucémico. El combo es la modalidad que obtiene mejores resultados a través del entrenamiento a largo plazo.

Robust solutions to multi-objective linear programs with uncertain data

In this paper we examine multi-objective linear programming problems in the face of data uncertainty both in the objective function and the constraints. First, we derive a formula for the radius of robust feasibility guaranteeing constraint feasibility for all possible scenarios within a specified uncertainty set under affine data parametrization. We then present numerically tractable optimality conditions for minmax robust weakly efficient solutions, i.e., the weakly efficient solutions of the robust counterpart. We also consider highly robust weakly efficient solutions, i.e., robust feasible solutions which are weakly efficient for any possible instance of the objective matrix within a specified uncertainty set, providing lower bounds for the radius of highly robust efficiency guaranteeing the existence of this type of solutions under affine and rank-1 objective data uncertainty. Finally, we provide numerically tractable optimality conditions for highly robust weakly efficient solutions.

A Virtual Joystick as a Novel Interaction Modality for Surgeon-Computer Interaction During Computer-Assisted Surgical Procedures

Interacting with a computer system in the operating room (OR) can be a frustrating experience for a surgeon, who currently has to verbally delegate to an assistant every computer interaction task. This indirect mode of interaction is time consuming, error prone and can lead to poor usability of OR computer systems. This thesis describes the design and evaluation of a joystick-like device that allows direct surgeon control of the computer in the OR. The device was tested extensively in comparison to a mouse and delegated dictation with seven surgeons, eleven residents, and five graduate students. The device contains no electronic parts, is easy to use, is unobtrusive, has no physical connection to the computer and makes use of an existing tool in the OR. We performed a user study to determine its effectiveness in allowing a user to perform all the tasks they would be expected to perform on an OR computer system during a computer-assisted surgery. Dictation was found to be superior to the joystick in qualitative measures, but the joystick was preferred over dictation in user satisfaction responses. The mouse outperformed both joystick and dictation, but it is not a readily accepted modality in the OR.

Une nouvelle méthode pour estimer la torsion géométrique en scoliose idiopathique de l’adolescent

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est une déformation tridimensionnelle (3D) de la colonne vertébrale. Pour la plupart des patients atteints de SIA, aucun traitement chirurgical n’est nécessaire. Lorsque la déformation devient sévère, un traitement chirurgical visant à réduire la déformation est recommandé. Pour déterminer la sévérité de la SIA, l’imagerie la plus utilisée est une radiographie postéroantérieure (PA) ou antéro-postérieure (AP) du rachis. Plusieurs indices sont disponibles à partir de cette modalité d’imagerie afin de quantifier la déformation de la SIA, dont l’angle de Cobb. La conduite thérapeutique est généralement basée sur cet indice. Cependant, les indices disponibles à cette modalité d’imagerie sont de nature bidimensionnelle (2D). Celles-ci ne décrivent donc pas entièrement la déformation dans la SIA dû à sa nature tridimensionnelle (3D). Conséquemment, les classifications basées sur les indices 2D souffrent des mêmes limitations. Dans le but décrire la SIA en 3D, la torsion géométrique a été étudiée et proposée par Poncet et al. Celle-ci mesure la tendance d’une courbe tridimensionnelle à changer de direction. Cependant, la méthode proposée est susceptible aux erreurs de reconstructions 3D et elle est calculée localement au niveau vertébral. L’objectif de cette étude est d’évaluer une nouvelle méthode d’estimation de la torsion géométrique par l’approximation de longueurs d’arcs locaux et par paramétrisation de courbes dans la SIA. Une première étude visera à étudier la sensibilité de la nouvelle méthode présentée face aux erreurs de reconstructions 3D du rachis. Par la suite, deux études cliniques vont présenter la iv torsion géométrique comme indice global et viseront à démontrer l’existence de sous-groupes non-identifiés dans les classifications actuelles et que ceux-ci ont une pertinence clinique. La première étude a évalué la robustesse de la nouvelle méthode d’estimation de la torsion géométrique chez un groupe de patient atteint de la SIA. Elle a démontré que la nouvelle technique est robuste face aux erreurs de reconstructions 3D du rachis. La deuxième étude a évalué la torsion géométrique utilisant cette nouvelle méthode dans une cohorte de patient avec des déformations de type Lenke 1. Elle a démontré qu’il existe deux sous-groupes, une avec des valeurs de torsion élevées et l’autre avec des valeurs basses. Ces deux sous-groupes possèdent des différences statistiquement significatives, notamment au niveau du rachis lombaire avec le groupe de torsion élevée ayant des valeurs d’orientation des plans de déformation maximales (PMC) en thoraco-lombaire (TLL) plus élevées. La dernière étude a évalué les résultats chirurgicaux de patients ayant une déformation Lenke 1 sous-classifiées selon les valeurs de torsion préalablement. Cette étude a pu démontrer des différences au niveau du PMC au niveau thoraco-lombaire avec des valeurs plus élevées en postopératoire chez les patients ayant une haute torsion. Ces études présentent une nouvelle méthode d’estimation de la torsion géométrique et présentent cet indice quantitativement. Elles ont démontré l’existence de sous-groupes 3D basés sur cet indice ayant une pertinence clinique dans la SIA, qui n’étaient pas identifiés auparavant. Ce projet contribue dans la tendance actuelle vers le développement d’indices 3D et de classifications 3D pour la scoliose idiopathique de l’adolescent.

Trouble du spectre de l’autisme : Une agentivité morale objective, rigoriste et émotionnelle

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