Development of thermo-analytical prediction and classification models for food in thermal devices using a multi sensor system and artificial neural networks

Die thermische Verarbeitung von Lebensmitteln beeinflusst deren Qualität und ernährungsphysiologischen Eigenschaften. Im Haushalt ist die Überwachung der Temperatur innerhalb des Lebensmittels sehr schwierig. Zudem ist das Wissen über optimale Temperatur- und Zeitparameter für die verschiedenen Speisen oft unzureichend. Die optimale Steuerung der thermischen Zubereitung ist maßgeblich abhängig von der Art des Lebensmittels und der äußeren und inneren Temperatureinwirkung während des Garvorgangs. Das Ziel der Arbeiten war die Entwicklung eines automatischen Backofens, der in der Lage ist, die Art des Lebensmittels zu erkennen und die Temperatur im Inneren des Lebensmittels während des Backens zu errechnen. Die für die Temperaturberechnung benötigten Daten wurden mit mehreren Sensoren erfasst. Hierzu kam ein Infrarotthermometer, ein Infrarotabstandssensor, eine Kamera, ein Temperatursensor und ein Lambdasonde innerhalb des Ofens zum Einsatz. Ferner wurden eine Wägezelle, ein Strom- sowie Spannungs-Sensor und ein Temperatursensor außerhalb des Ofens genutzt. Die während der Aufheizphase aufgenommen Datensätze ermöglichten das Training mehrerer künstlicher neuronaler Netze, die die verschiedenen Lebensmittel in die entsprechenden Kategorien einordnen konnten, um so das optimale Backprogram auszuwählen. Zur Abschätzung der thermische Diffusivität der Nahrung, die von der Zusammensetzung (Kohlenhydrate, Fett, Protein, Wasser) abhängt, wurden mehrere künstliche neuronale Netze trainiert. Mit Ausnahme des Fettanteils der Lebensmittel konnten alle Komponenten durch verschiedene KNNs mit einem Maximum von 8 versteckten Neuronen ausreichend genau abgeschätzt werden um auf deren Grundlage die Temperatur im inneren des Lebensmittels zu berechnen. Die durchgeführte Arbeit zeigt, dass mit Hilfe verschiedenster Sensoren zur direkten beziehungsweise indirekten Messung der äußeren Eigenschaften der Lebensmittel sowie KNNs für die Kategorisierung und Abschätzung der Lebensmittelzusammensetzung die automatische Erkennung und Berechnung der inneren Temperatur von verschiedensten Lebensmitteln möglich ist.

Multi-Robot Task Allocation for Inspection Problems with Cooperative Tasks Using Hybrid Genetic Algorithms

In dieser Dissertation werden Methoden zur optimalen Aufgabenverteilung in Multirobotersystemen (engl. Multi-Robot Task Allocation – MRTA) zur Inspektion von Industrieanlagen untersucht. MRTA umfasst die Verteilung und Ablaufplanung von Aufgaben für eine Gruppe von Robotern unter Berücksichtigung von operativen Randbedingungen mit dem Ziel, die Gesamteinsatzkosten zu minimieren. Dank zunehmendem technischen Fortschritt und sinkenden Technologiekosten ist das Interesse an mobilen Robotern für den Industrieeinsatz in den letzten Jahren stark gestiegen. Viele Arbeiten konzentrieren sich auf Probleme der Mobilität wie Selbstlokalisierung und Kartierung, aber nur wenige Arbeiten untersuchen die optimale Aufgabenverteilung. Da sich mit einer guten Aufgabenverteilung eine effizientere Planung erreichen lässt (z. B. niedrigere Kosten, kürzere Ausführungszeit), ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von Lösungsmethoden für das aus Inspektionsaufgaben mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben folgende Such-/Optimierungsproblem. Ein neuartiger hybrider Genetischer Algorithmus wird vorgestellt, der einen teilbevölkerungbasierten Genetischen Algorithmus zur globalen Optimierung mit lokalen Suchheuristiken kombiniert. Zur Beschleunigung dieses Algorithmus werden auf die fittesten Individuen einer Generation lokale Suchoperatoren angewendet. Der vorgestellte Algorithmus verteilt die Aufgaben nicht nur einfach und legt den Ablauf fest, sondern er bildet auch temporäre Roboterverbünde für Zweiroboteraufgaben, wodurch räumliche und zeitliche Randbedingungen entstehen. Vier alternative Kodierungsstrategien werden für den vorgestellten Algorithmus entworfen: Teilaufgabenbasierte Kodierung: Hierdurch werden alle möglichen Lösungen abgedeckt, allerdings ist der Suchraum sehr groß. Aufgabenbasierte Kodierung: Zwei Möglichkeiten zur Zuweisung von Zweiroboteraufgaben wurden implementiert, um die Effizienz des Algorithmus zu steigern. Gruppierungsbasierte Kodierung: Zeitliche Randbedingungen zur Gruppierung von Aufgaben werden vorgestellt, um gute Lösungen innerhalb einer kleinen Anzahl von Generationen zu erhalten. Zwei Umsetzungsvarianten werden vorgestellt. Dekompositionsbasierte Kodierung: Drei geometrische Zerlegungen wurden entworfen, die Informationen über die räumliche Anordnung ausnutzen, um Probleme zu lösen, die Inspektionsgebiete mit rechteckigen Geometrien aufweisen. In Simulationsstudien wird die Leistungsfähigkeit der verschiedenen hybriden Genetischen Algorithmen untersucht. Dazu wurde die Inspektion von Tanklagern einer Erdölraffinerie mit einer Gruppe homogener Inspektionsroboter als Anwendungsfall gewählt. Die Simulationen zeigen, dass Kodierungsstrategien, die auf der geometrischen Zerlegung basieren, bei einer kleinen Anzahl an Generationen eine bessere Lösung finden können als die anderen untersuchten Strategien. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben, die entweder von einem einzelnen mobilen Roboter erledigt werden können oder die Zusammenarbeit von zwei Robotern erfordern. Eine Erweiterung des entwickelten Algorithmus zur Behandlung von Aufgaben, die mehr als zwei Roboter erfordern, ist möglich, würde aber die Komplexität der Optimierungsaufgabe deutlich vergrößern.

Boundaries and Topological Algorithms

This thesis develops a model for the topological structure of situations. In this model, the topological structure of space is altered by the presence or absence of boundaries, such as those at the edges of objects. This allows the intuitive meaning of topological concepts such as region connectivity, function continuity, and preservation of topological structure to be modeled using the standard mathematical definitions. The thesis shows that these concepts are important in a wide range of artificial intelligence problems, including low-level vision, high-level vision, natural language semantics, and high-level reasoning.

From Genetic Algorithms to Efficient Organization

The work described in this thesis began as an inquiry into the nature and use of optimization programs based on "genetic algorithms." That inquiry led, eventually, to three powerful heuristics that are broadly applicable in gradient-ascent programs: First, remember the locations of local maxima and restart the optimization program at a place distant from previously located local maxima. Second, adjust the size of probing steps to suit the local nature of the terrain, shrinking when probes do poorly and growing when probes do well. And third, keep track of the directions of recent successes, so as to probe preferentially in the direction of most rapid ascent. These algorithms lie at the core of a novel optimization program that illustrates the power to be had from deploying them together. The efficacy of this program is demonstrated on several test problems selected from a variety of fields, including De Jong's famous test-problem suite, the traveling salesman problem, the problem of coordinate registration for image guided surgery, the energy minimization problem for determining the shape of organic molecules, and the problem of assessing the structure of sedimentary deposits using seismic data.

Understanding Subsystems in Biology through Dimensionality Reduction, Graph Partitioning and Analytical Modeling

Biological systems exhibit rich and complex behavior through the orchestrated interplay of a large array of components. It is hypothesized that separable subsystems with some degree of functional autonomy exist; deciphering their independent behavior and functionality would greatly facilitate understanding the system as a whole. Discovering and analyzing such subsystems are hence pivotal problems in the quest to gain a quantitative understanding of complex biological systems. In this work, using approaches from machine learning, physics and graph theory, methods for the identification and analysis of such subsystems were developed. A novel methodology, based on a recent machine learning algorithm known as non-negative matrix factorization (NMF), was developed to discover such subsystems in a set of large-scale gene expression data. This set of subsystems was then used to predict functional relationships between genes, and this approach was shown to score significantly higher than conventional methods when benchmarking them against existing databases. Moreover, a mathematical treatment was developed to treat simple network subsystems based only on their topology (independent of particular parameter values). Application to a problem of experimental interest demonstrated the need for extentions to the conventional model to fully explain the experimental data. Finally, the notion of a subsystem was evaluated from a topological perspective. A number of different protein networks were examined to analyze their topological properties with respect to separability, seeking to find separable subsystems. These networks were shown to exhibit separability in a nonintuitive fashion, while the separable subsystems were of strong biological significance. It was demonstrated that the separability property found was not due to incomplete or biased data, but is likely to reflect biological structure.

On the Convergence of Stochastic Iterative Dynamic Programming Algorithms

Recent developments in the area of reinforcement learning have yielded a number of new algorithms for the prediction and control of Markovian environments. These algorithms, including the TD(lambda) algorithm of Sutton (1988) and the Q-learning algorithm of Watkins (1989), can be motivated heuristically as approximations to dynamic programming (DP). In this paper we provide a rigorous proof of convergence of these DP-based learning algorithms by relating them to the powerful techniques of stochastic approximation theory via a new convergence theorem. The theorem establishes a general class of convergent algorithms to which both TD(lambda) and Q-learning belong.

An Interpolative Analytical Cache Model with Application to Performance-Power Design Space Exploration

Caches are known to consume up to half of all system power in embedded processors. Co-optimizing performance and power of the cache subsystems is therefore an important step in the design of embedded systems, especially those employing application specific instruction processors. In this project, we propose an analytical cache model that succinctly captures the miss performance of an application over the entire cache parameter space. Unlike exhaustive trace driven simulation, our model requires that the program be simulated once so that a few key characteristics can be obtained. Using these application-dependent characteristics, the model can span the entire cache parameter space consisting of cache sizes, associativity and cache block sizes. In our unified model, we are able to cater for direct-mapped, set and fully associative instruction, data and unified caches. Validation against full trace-driven simulations shows that our model has a high degree of fidelity. Finally, we show how the model can be coupled with a power model for caches such that one can very quickly decide on pareto-optimal performance-power design points for rapid design space exploration.

Scaling algorithms for distributed max flow

Bibliography: p. 22-24.

Enhancing fault management performance of two-step QoS routing algorithms in GMPLS networks

In this paper a novel methodology aimed at minimizing the probability of network failure and the failure impact (in terms of QoS degradation) while optimizing the resource consumption is introduced. A detailed study of MPLS recovery techniques and their GMPLS extensions are also presented. In this scenario, some features for reducing the failure impact and offering minimum failure probabilities at the same time are also analyzed. Novel two-step routing algorithms using this methodology are proposed. Results show that these methods offer high protection levels with optimal resource consumption

Enhancing MPLS QoS routing algorithms by using the network protection degree paradigm

IP based networks still do not have the required degree of reliability required by new multimedia services, achieving such reliability will be crucial in the success or failure of the new Internet generation. Most of existing schemes for QoS routing do not take into consideration parameters concerning the quality of the protection, such as packet loss or restoration time. In this paper, we define a new paradigm to develop new protection strategies for building reliable MPLS networks, based on what we have called the network protection degree (NPD). This NPD consists of an a priori evaluation, the failure sensibility degree (FSD), which provides the failure probability and an a posteriori evaluation, the failure impact degree (FID), to determine the impact on the network in case of failure. Having mathematical formulated these components, we point out the most relevant components. Experimental results demonstrate the benefits of the utilization of the NPD, when used to enhance some current QoS routing algorithms to offer a certain degree of protection

Multicast algorithms evaluation using an adaptative routing in ATM networks

This paper proposes a multicast implementation based on adaptive routing with anticipated calculation. Three different cost measures for a point-to-multipoint connection: bandwidth cost, connection establishment cost and switching cost can be considered. The application of the method based on pre-evaluated routing tables makes possible the reduction of bandwidth cost and connection establishment cost individually

Improving Clustering Algorithms for Image Segmentation using Contour and Region Information

In image segmentation, clustering algorithms are very popular because they are intuitive and, some of them, easy to implement. For instance, the k-means is one of the most used in the literature, and many authors successfully compare their new proposal with the results achieved by the k-means. However, it is well known that clustering image segmentation has many problems. For instance, the number of regions of the image has to be known a priori, as well as different initial seed placement (initial clusters) could produce different segmentation results. Most of these algorithms could be slightly improved by considering the coordinates of the image as features in the clustering process (to take spatial region information into account). In this paper we propose a significant improvement of clustering algorithms for image segmentation. The method is qualitatively and quantitative evaluated over a set of synthetic and real images, and compared with classical clustering approaches. Results demonstrate the validity of this new approach

The differential effect on dropout of increasing grades' supply by integrating or expanding schools: evidence from a quasi-experiment in Bogotá

En el año 2002, la Secretaría de Educación de Bogotá estipuló la Resolución 2101 que tenía por objeto asegurar el ciclo de la educación completo en los colegios públicos. El propósito de este trabajo es evaluar el impacto de los mecanismos seguidos a la aplicación de esta política sobre la tasa de deserción escolar. Las escuelas tenían tres mecanismos diferentes para alcanzar el objetivo de la presente resolución: expandir los grados escolares ofertados, integrarse con otros colegios de la zona, o ambos. Para ello, utilizo variables instrumentales para resolver el sesgo causado por el hecho de que los colegios que siguen determinada estrategia eran los que tenían altas tasas de deserción inicialmente. Usando datos sobre las características institucionales y las características socio-demográficas de la población cerca del colegio, evalúo el impacto de estos tres mecanismos sobre las tasas de deserción escolar. Los resultados sugieren que las instituciones que aumentaron los grados experimentan un aumento en el número de estudiantes que abandonan el colegio en 12.1 puntos porcentuales, mientras que las instituciones que complementaron este mecanismo con la integración de un colegio próximo pre existente mostraron una reducción en la tasa de deserción escolar de 9.8 puntos porcentuales.