A multi-output two-stage locally regularized model construction method using the extreme learning machine

This paper investigates the construction of linear-in-the-parameters (LITP) models for multi-output regression problems. Most existing stepwise forward algorithms choose the regressor terms one by one, each time maximizing the model error reduction ratio. The drawback is that such procedures cannot guarantee a sparse model, especially under highly noisy learning conditions. The main objective of this paper is to improve the sparsity and generalization capability of a model for multi-output regression problems, while reducing the computational complexity. This is achieved by proposing a novel multi-output two-stage locally regularized model construction (MTLRMC) method using the extreme learning machine (ELM). In this new algorithm, the nonlinear parameters in each term, such as the width of the Gaussian function and the power of a polynomial term, are firstly determined by the ELM. An initial multi-output LITP model is then generated according to the termination criteria in the first stage. The significance of each selected regressor is checked and the insignificant ones are replaced at the second stage. The proposed method can produce an optimized compact model by using the regularized parameters. Further, to reduce the computational complexity, a proper regression context is used to allow fast implementation of the proposed method. Simulation results confirm the effectiveness of the proposed technique. © 2013 Elsevier B.V.

Multi-centre research in Australia:analysis of a recent National Health and Medical Research Council-funded project

BACKGROUND AND OBJECTIVE: Human research ethics committees provide essential review of research projects to ensure the ethical conduct of human research. Several recent reports have highlighted a complex process for successful application for human research ethics committee approval, particularly for multi-centre studies. Limited resources are available for the execution of human clinical research in Australia and around the world.

METHODS: This report overviews the process of ethics approval for a National Health and Medical Research Council-funded multi-centre study in Australia, focussing on the time and resource implications of such applications in 2007 and 2008.

RESULTS: Applications were submitted to 16 hospital and two university human research ethics committees. The total time to gain final approval from each committee ranged between 13 and 77 days (median = 46 days); the entire process took 16 months to complete and the research officer's time was estimated to cost $A34 143.

CONCLUSIONS: Obstacles to timely human research ethics committee approval are reviewed, including recent, planned and potential initiatives that could improve the ethics approval of multi-centre research.

Multiobjective design optimization of IGBT power modules considering power cycling and thermal cycling

Insulated-gate bipolar transistor (IGBT) power modules find widespread use in numerous power conversion applications where their reliability is of significant concern. Standard IGBT modules are fabricated for general-purpose applications while little has been designed for bespoke applications. However, conventional design of IGBTs can be improved by the multiobjective optimization technique. This paper proposes a novel design method to consider die-attachment solder failures induced by short power cycling and baseplate solder fatigue induced by the thermal cycling which are among major failure mechanisms of IGBTs. Thermal resistance is calculated analytically and the plastic work design is obtained with a high-fidelity finite-element model, which has been validated experimentally. The objective of minimizing the plastic work and constrain functions is formulated by the surrogate model. The nondominated sorting genetic algorithm-II is used to search for the Pareto-optimal solutions and the best design. The result of this combination generates an effective approach to optimize the physical structure of power electronic modules, taking account of historical environmental and operational conditions in the field.

Surrogate-based analysis and optimization for the design of heat sinks with jet impingement

Heat sinks are widely used for cooling electronic devices and systems. Their thermal performance is usually determined by the material, shape, and size of the heat sink. With the assistance of computational fluid dynamics (CFD) and surrogate-based optimization, heat sinks can be designed and optimized to achieve a high level of performance. In this paper, the design and optimization of a plate-fin-type heat sink cooled by impingement jet is presented. The flow and thermal fields are simulated using the CFD simulation; the thermal resistance of the heat sink is then estimated. A Kriging surrogate model is developed to approximate the objective function (thermal resistance) as a function of design variables. Surrogate-based optimization is implemented by adaptively adding infill points based on an integrated strategy of the minimum value, the maximum mean square error approach, and the expected improvement approaches. The results show the influence of design variables on the thermal resistance and give the optimal heat sink with lowest thermal resistance for given jet impingement conditions. 

OpenFlow Multi-Table Lookup Architecture for Multi-Gigabit Software Defined Networking (SDN)

The proposed multi-table lookup architecture provides SDN-based, high-performance packet classification in an OpenFlow v1.1+ SDN switch. The objective of the demonstration is to show the functionality of the architecture deployed on the NetFPGA SUME Platform.

Advanced design optimization of cold-formed steel portal frame buildings

The design optimization of cold-formed steel portal frame buildings is considered in this paper. The objective function is based on the cost of the members for the main frame and secondary members (i.e., purlins, girts, and cladding for walls and roofs) per unit area on the plan of the building. A real-coded niching genetic algorithm is used to minimize the cost of the frame and secondary members that are designed on the basis of ultimate limit state. It iis shown that the proposed algorithm shows effective and robust capacity in generating the optimal solution, owing to the population's diversity being maintained by applying the niching method. In the optimal design, the cost of purlins and side rails are shown to account for 25% of the total cost; the main frame members account for 27% of the total cost, claddings for the walls and roofs accounted for 27% of the total cost.

Cell Coverage Optimization for the Multicell Massive MIMO Uplink

We investigate the cell coverage optimization problem for the massive multiple-input multiple-output (MIMO) uplink. By deploying tilt-adjustable antenna arrays at the base stations, cell coverage optimization can become a promising technique which is able to strike a compromise between covering cell-edge users and pilot contamination suppression. We formulate a detailed description of this optimization problem by maximizing the cell throughput, which is shown to be mainly determined by the user distribution within several key geometrical regions. Then, the formulated problem is applied to different example scenarios: for a network with hexagonal shaped cells and uniformly distributed users, we derive an analytical lower bound of the ergodic throughput in the objective cell, based on which, it is shown that the optimal choice for the cell coverage should ensure that the coverage of different cells does not overlap; for a more generic network with sectoral shaped cells and non-uniformly distributed users, we propose an analytical approximation of the ergodic throughput. After that, a practical coverage optimization algorithm is proposed, where the optimal solution can be easily obtained through a simple one-dimensional line searching within a confined searching region. Our numerical results show that the proposed coverage optimization method is able to greatly increase the system throughput in macrocells for the massive MIMO uplink transmission, compared with the traditional schemes where the cell coverage is fixed.

The role of complexity metrics in a multi-institutional dosimetry audit of VMAT

OBJECTIVE: To demonstrate the benefit of complexity metrics such as the modulation complexity score (MCS) and monitor units (MUs) in multi-institutional audits of volumetric-modulated arc therapy (VMAT) delivery.

METHODS: 39 VMAT treatment plans were analysed using MCS and MU. A virtual phantom planning exercise was planned and independently measured using the PTW Octavius(®) phantom and seven29(®) 2D array (PTW-Freiburg GmbH, Freiburg, Germany). MCS and MU were compared with the median gamma index pass rates (2%/2 and 3%/3 mm) and plan quality. The treatment planning systems (TPS) were grouped by VMAT modelling being specifically designed for the linear accelerator manufacturer's own treatment delivery system (Type 1) or independent of vendor for VMAT delivery (Type 2). Differences in plan complexity (MCS and MU) between TPS types were compared.

RESULTS: For Varian(®) linear accelerators (Varian(®) Medical Systems, Inc., Palo Alto, CA), MCS and MU were significantly correlated with gamma pass rates. Type 2 TPS created poorer quality, more complex plans with significantly higher MUs and MCS than Type 1 TPS. Plan quality was significantly correlated with MU for Type 2 plans. A statistically significant correlation was observed between MU and MCS for all plans (R = -0.84, p < 0.01).

CONCLUSION: MU and MCS have a role in assessing plan complexity in audits along with plan quality metrics. Plan complexity metrics give some indication of plan deliverability but should be analysed with plan quality.

ADVANCES IN KNOWLEDGE: Complexity metrics were investigated for a national rotational audit involving 34 institutions and they showed value. The metrics found that more complex plans were created for planning systems which were independent of vendor for VMAT delivery.

Operator and Workflow Optimization for High-Performance Analytics

We make a case for studying the impact of intra-node parallelism on the performance of data analytics. We identify four performance optimizations that are enabled by an increasing number of processing cores on a chip. We discuss the performance impact of these opimizations on two analytics operators and we identify how these optimizations affect each another.

Multi-scale dynamics on the Eastern Brazilian margin

Este trabalho combina esforços de simulação numérica e de análise de dados para investigar a dinâmica em diversos compartimentos (oceano aberto, plataforma continental e zona costeira-estuarina) e, em multiplas escalas, na Margem Continental Leste Brasileira (MCLB). A circulação de largo e mesoescala espacial e a propagação da maré barotrópica são investigadas através de uma configuração aninhada do modelo numérico ROMS. O estudo da dinâmica regional da Baía de Camamu (CMB) baseia-se na análise de dados locais. A MCLB, localizada a SW do Atlântico Sul entre 8±S e 20±S, possui plataforma estreita, batimetria complexa, e baixa produtividade primária. A sua dinâmica é influenciada pela divergência da Corrente Sul Equatorial (CSE). As simulações refletem as conexões sazonais e espaciais entre a Corrente do Brasil e a Contra Corrente Norte do Brasil , em conexão com a dinâmica da CSE. As simulações revelam atividades vorticais nas proximidades da costa e interações com a dinâmica costeira, cujos padrões são descritos. A validação do modelo em mesoescala é baseada em cálculos de energia cinética turbulenta e em dados históricos de transporte. A CMB, localizada a 13±400S, abriga uma comunidade piscatória tradicional e extenso de manguezal. Situa-se porém sobre uma bacia sedimentar com grande reservas de óleo e gás, estando em tensão permanente de impacto ambiental. Neste trabalho sumarizamos as condições físicas regionais e investigamos sua dinâmica interna, focando sua variabilidade em amostragens realizadas sob condições de seca (Setembro de 2004) e de chuva (Julho de 2005). Finalmente, o modelo numérico ROMS é forçado com o sinal de maré, empregando-se uma configuração simples (com coeficientes de atrito de fundo constantes e condições hidrográficas homogéneas), com o intuito de avaliar sua resposta e investigar a natureza da propagação da maré barotrópica na MCLB, convergindo na CMB. A análise da resposta do modelo à maré basea-se em séries históricas do nível do mar para a MCLB e dados recentes da CMB.

Geometric optimization on visibility problems: metaheuristic and exact solutions

Os problemas de visibilidade têm diversas aplicações a situações reais. Entre os mais conhecidos, e exaustivamente estudados, estão os que envolvem os conceitos de vigilância e ocultação em estruturas geométricas (problemas de vigilância e ocultação). Neste trabalho são estudados problemas de visibilidade em estruturas geométricas conhecidas como polígonos, uma vez que estes podem representar, de forma apropriada, muitos dos objectos reais e são de fácil manipulação computacional. O objectivo dos problemas de vigilância é a determinação do número mínimo de posições para a colocação de dispositivos num dado polígono, de modo a que estes dispositivos consigam “ver” a totalidade do polígono. Por outro lado, o objectivo dos problemas de ocultação é a determinação do número máximo de posições num dado polígono, de modo a que quaisquer duas posições não se consigam “ver”. Infelizmente, a maior parte dos problemas de visibilidade em polígonos são NP-difíceis, o que dá origem a duas linhas de investigação: o desenvolvimento de algoritmos que estabelecem soluções aproximadas e a determinação de soluções exactas para classes especiais de polígonos. Atendendo a estas duas linhas de investigação, o trabalho é dividido em duas partes. Na primeira parte são propostos algoritmos aproximados, baseados essencialmente em metaheurísticas e metaheurísticas híbridas, para resolver alguns problemas de visibilidade, tanto em polígonos arbitrários como ortogonais. Os problemas estudados são os seguintes: “Maximum Hidden Vertex Set problem”, “Minimum Vertex Guard Set problem”, “Minimum Vertex Floodlight Set problem” e “Minimum Vertex k-Modem Set problem”. São também desenvolvidos métodos que permitem determinar a razão de aproximação dos algoritmos propostos. Para cada problema são implementados os algoritmos apresentados e é realizado um estudo estatístico para estabelecer qual o algoritmo que obtém as melhores soluções num tempo razoável. Este estudo permite concluir que as metaheurísticas híbridas são, em geral, as melhores estratégias para resolver os problemas de visibilidade estudados. Na segunda parte desta dissertação são abordados os problemas “Minimum Vertex Guard Set”, “Maximum Hidden Set” e “Maximum Hidden Vertex Set”, onde são identificadas e estudadas algumas classes de polígonos para as quais são determinadas soluções exactas e/ou limites combinatórios.

Cooperative communications in multi-rate IEEE 802.11 networks

Esta tese apresenta um estudo sobre alguns dos protocolos de cooperação MAC para redes sem fios utilizando o sistema IEEE 802.11 multi-débito. É proposto um novo modelo de arquitetura para a categorização e análise da cooperação em redes sem fios, tendo este modelo sido aplicado a protocolos cooperativos existentes para camada MAC. É investigado como as características do meio físico, assim como os requisitos de níveis superiores podem ser aplicados ao processo de cooperação, com vista a melhorar as características de funcionamento da rede de comunicações. Para este propósito são exploradas as métricas mais relevantes para o processo de cooperação. São igualmente estudados os limites impostos pelos protocolos da camada MAC e as limitações práticas impostas por protocolos da família de normas que compõem o IEEE 802.11. Neste trabalho foi criada uma métrica multicamada, que permite considerar os requisitos aplicacionais de performance e o tipo de tráfego, assim como a mobilidade dos dispositivos, no funcionamento dos mecanismos de cooperação. Como forma de validação, e para corretamente avaliar o impacto da métrica, um novo protocolo de cooperação foi desenvolvido e implementado. O seu funcionamento é descrito de forma analítica assim como validado através de a um ambiente de simulação. Os resultados obtidos mostram que a utilização de uma métrica multicamada é uma técnica robusta, fornecendo melhorias consistentes no contexto de redes IEEE 802.11. São igualmente demonstradas várias outras características de funcionamento com impacto para as comunicações. Estes dados fornecem uma visão real e encorajadora para a realização de mais pesquisas para a melhoria da performance dos protocolos cooperativos, assim como a sua utilização num variado número de aplicações futuras. No final do documento são apresentados alguns desafios para a continuação da investigação deste tópico.

Development of numerical methodologies for parameter identification and shape optimization in metal forming simulations

Por parte da indústria de estampagem tem-se verificado um interesse crescente em simulações numéricas de processos de conformação de chapa, incluindo também métodos de engenharia inversa. Este facto ocorre principalmente porque as técnicas de tentativa-erro, muito usadas no passado, não são mais competitivas a nível económico. O uso de códigos de simulação é, atualmente, uma prática corrente em ambiente industrial, pois os resultados tipicamente obtidos através de códigos com base no Método dos Elementos Finitos (MEF) são bem aceites pelas comunidades industriais e científicas Na tentativa de obter campos de tensão e de deformação precisos, uma análise eficiente com o MEF necessita de dados de entrada corretos, como geometrias, malhas, leis de comportamento não-lineares, carregamentos, leis de atrito, etc.. Com o objetivo de ultrapassar estas dificuldades podem ser considerados os problemas inversos. No trabalho apresentado, os seguintes problemas inversos, em Mecânica computacional, são apresentados e analisados: (i) problemas de identificação de parâmetros, que se referem à determinação de parâmetros de entrada que serão posteriormente usados em modelos constitutivos nas simulações numéricas e (ii) problemas de definição geométrica inicial de chapas e ferramentas, nos quais o objetivo é determinar a forma inicial de uma chapa ou de uma ferramenta tendo em vista a obtenção de uma determinada geometria após um processo de conformação. São introduzidas e implementadas novas estratégias de otimização, as quais conduzem a parâmetros de modelos constitutivos mais precisos. O objetivo destas estratégias é tirar vantagem das potencialidades de cada algoritmo e melhorar a eficiência geral dos métodos clássicos de otimização, os quais são baseados em processos de apenas um estágio. Algoritmos determinísticos, algoritmos inspirados em processos evolucionários ou mesmo a combinação destes dois são usados nas estratégias propostas. Estratégias de cascata, paralelas e híbridas são apresentadas em detalhe, sendo que as estratégias híbridas consistem na combinação de estratégias em cascata e paralelas. São apresentados e analisados dois métodos distintos para a avaliação da função objetivo em processos de identificação de parâmetros. Os métodos considerados são uma análise com um ponto único ou uma análise com elementos finitos. A avaliação com base num único ponto caracteriza uma quantidade infinitesimal de material sujeito a uma determinada história de deformação. Por outro lado, na análise através de elementos finitos, o modelo constitutivo é implementado e considerado para cada ponto de integração. Problemas inversos são apresentados e descritos, como por exemplo, a definição geométrica de chapas e ferramentas. Considerando o caso da otimização da forma inicial de uma chapa metálica a definição da forma inicial de uma chapa para a conformação de um elemento de cárter é considerado como problema em estudo. Ainda neste âmbito, um estudo sobre a influência da definição geométrica inicial da chapa no processo de otimização é efetuado. Este estudo é realizado considerando a formulação de NURBS na definição da face superior da chapa metálica, face cuja geometria será alterada durante o processo de conformação plástica. No caso dos processos de otimização de ferramentas, um processo de forjamento a dois estágios é apresentado. Com o objetivo de obter um cilindro perfeito após o forjamento, dois métodos distintos são considerados. No primeiro, a forma inicial do cilindro é otimizada e no outro a forma da ferramenta do primeiro estágio de conformação é otimizada. Para parametrizar a superfície livre do cilindro são utilizados diferentes métodos. Para a definição da ferramenta são também utilizados diferentes parametrizações. As estratégias de otimização propostas neste trabalho resolvem eficientemente problemas de otimização para a indústria de conformação metálica.

Economic optimization of wind farms in function of the cost of energy produced

Esta tese apresenta um estudo sobre otimização económica de parques eólicos, com o objetivo de obter um algoritmo para otimização económica de parques eólicos através do custo da energia produzida. No estudo utilizou-se uma abordagem multidisciplinar. Inicialmente, apresentam-se as principais tecnologias e diferentes arquiteturas utilizadas nos parques eólicos. Bem como esquemas de funcionamento e gestão dos parques. São identificadas variáveis necessárias e apresenta-se um modelo dimensionamento para cálculo dos custos da energia produzida, tendo-se dado ênfase às instalações onshore e ligados a rede elétrica de distribuição. É feita uma análise rigorosa das características das topologias dos aerogeradores disponíveis no mercado, e simula-se o funcionamento de um parque eólico para testar a validade dos modelos desenvolvidos. Também é implementado um algoritmo para a obtenção de uma resposta otimizada para o ciclo de vida económico do parque eólico em estudo. A abordagem proposta envolve algoritmos para otimização do custo de produção com multiplas funções objetivas com base na descrição matemática da produção de eletricidade. Foram desenvolvidos modelos de otimização linear, que estabelece a ligação entre o custo económico e a produção de eletricidade, tendo em conta ainda as emissões de CO2 em instrumentos de política energética para energia eólica. São propostas expressões para o cálculo do custo de energia com variáveis não convencionais, nomeadamente, para a produção variável do parque eólico, fator de funcionamento e coeficiente de eficiência geral do sistema. Para as duas últimas, também é analisado o impacto da distribuição do vento predominante no sistema de conversão de energia eólica. Verifica-se que os resultados obtidos pelos algoritmos propostos são similares às obtidas por demais métodos numéricos já publicados na comunidade científica, e que o algoritmo de otimização económica sofre influência significativa dos valores obtidos dos coeficientes em questão. Finalmente, é demonstrado que o algoritmo proposto (LCOEwso) é útil para o dimensionamento e cálculo dos custos de capital e O&M dos parques eólicos com informação incompleta ou em fase de projeto. Nesse sentido, o contributo desta tese vem ser desenvolver uma ferramenta de apoio à tomada de decisão de um gestor, investidor ou ainda agente público em fomentar a implantação de um parque eólico.

Injection moulding process optimization for microstructured parts production

Ao longo das últimas décadas, a micromoldação (u-moldação) por injeção de termoplásticos ganhou um lugar de destaque no mercado de equipamentos eletrónicos e de uma ampla gama de componentes mecânicos. No entanto, quando o tamanho do componente diminui, os pressupostos geralmente aceites na moldação por injeção convencional deixam de ser válidos para descrever o comportamento reológico e termomecânico do polímero na microimpressão. Por isso, a compreensão do comportamento dinâmico do polímero à escala micro bem como da sua caraterização, análise e previsão das propriedades mecânicas exige uma investigação mais alargada. O objetivo principal deste programa doutoral passa por uma melhor compreensão do fenómeno físico intrínseco ao processo da μ-moldação por injeção. Para cumprir com o objetivo estabelecido, foi efetuado um estudo paramétrico do processo de μ-moldação por injeção, cujos resultados foram comparados com os resultados obtidos por simulação numérica. A caracterização dinâmica mecânica das μ-peças foi efetuada com o objetivo de recolher os dados necessários para a previsão do desempenho mecânico das mesmas, a longo prazo. Finalmente, depois da calibração do modelo matemático do polímero, foram realizadas análises estruturais com o intuito de prever o desempenho mecânico das μ-peças no longo prazo. Verificou-se que o desempenho mecânico das μ-peças pode ser significativamente afetado pelas tensões residuais de origem mecânica e térmica. Estas últimas, resultantes do processo de fabrico e das condições de processamento, por isso, devem ser consideradas na previsão do desempenho mecânico e do tempo de serviço das u-moldações.