Assigning proctors to exams with scatter search

In this paper we present an algorithm to assign proctors toexams. This NP-hard problem is related to the generalized assignmentproblem with multiple objectives. The problem consists of assigningteaching assistants to proctor final exams at a university. We formulatethis problem as a multiobjective integer program (IP) with a preferencefunction and a workload-fairness function. We then consider also a weightedobjective that combines both functions. We develop a scatter searchprocedure and compare its outcome with solutions found by solving theIP model with CPLEX 6.5. Our test problems are real instances from aUniversity in Spain.

Solving a concrete sleepers production scheduling by genetic algorithms

PRECON S.A is a manufacturing company dedicated to produce prefabricatedconcrete parts to several industries as rail transportation andagricultural industries.Recently, PRECON signed a contract with RENFE,the Spanish Nnational Rail Transportation Company to manufacturepre-stressed concrete sleepers for siding of the new railways of the highspeed train AVE. The scheduling problem associated with the manufacturingprocess of the sleepers is very complex since it involves severalconstraints and objectives. The constraints are related with productioncapacity, the quantity of available moulds, satisfying demand and otheroperational constraints. The two main objectives are related withmaximizing the usage of the manufacturing resources and minimizing themoulds movements. We developed a deterministic crowding genetic algorithmfor this multiobjective problem. The algorithm has proved to be a powerfuland flexible tool to solve the large-scale instance of this complex realscheduling problem.

Security strategies and equilibria in multiobjetives matrix games

Multiobjective matrix games have been traditionally analyzed from two different points of view: equiibrium concepts and security strategies. This paper is based upon the idea that both players try to reach equilibrium points playing pairs of security strategies, as it happens in scalar matrix games. We show conditions guaranteeing the existence of equilibria in security strategies, named security equilibria

Security strategies and equilibria in multiobjetives matrix games

Multiobjective matrix games have been traditionally analyzed from two different points of view: equiibrium concepts and security strategies. This paper is based upon the idea that both players try to reach equilibrium points playing pairs of security strategies, as it happens in scalar matrix games. We show conditions guaranteeing the existence of equilibria in security strategies, named security equilibria

Using spatially distributed parameters and multi-response objective functions to solve parameterization of complex applications of semi-distributed hydrological models

Application of semi-distributed hydrological models to large, heterogeneous watersheds deals with several problems. On one hand, the spatial and temporal variability in catchment features should be adequately represented in the model parameterization, while maintaining the model complexity in an acceptable level to take advantage of state-of-the-art calibration techniques. On the other hand, model complexity enhances uncertainty in adjusted model parameter values, therefore increasing uncertainty in the water routing across the watershed. This is critical for water quality applications, where not only streamflow, but also a reliable estimation of the surface versus subsurface contributions to the runoff is needed. In this study, we show how a regularized inversion procedure combined with a multiobjective function calibration strategy successfully solves the parameterization of a complex application of a water quality-oriented hydrological model. The final value of several optimized parameters showed significant and consistentdifferences across geological and landscape features. Although the number of optimized parameters was significantly increased by the spatial and temporal discretization of adjustable parameters, the uncertainty in water routing results remained at reasonable values. In addition, a stepwise numerical analysis showed that the effects on calibration performance due to inclusion of different data types in the objective function could be inextricably linked. Thus caution should be taken when adding or removing data from an aggregated objective function.

Tietoverkon varmistusten simulointi ja optimointi

Tässä diplomityössä määritellään varmistusjärjestelmän simulointimalli eli varmistusmalli. Varmistusjärjestelmän toiminta optimoidaan kyseisen varmistusmallin avulla. Optimoinnin tavoitteena on parantaa varmistusjärjestelmän tehokkuutta. Parannusta etsitään olemassa olevien varmistusjärjestelmän resurssien maksimaalisella hyödyntämisellä. Varmistusmalli optimoidaan evoluutioalgoritmin avulla. Optimoinnissa on useita tavoitteita, jotka ovat ristiriidassa keskenään. Monitavoiteoptimointiongelma muunnetaan yhden tavoitteen optimointiongelmaksi muodostamalla tavoitefunktio painotetun summan menetelmän avulla. Rinnakkain edellisen menetelmän kanssa käytetään myös Pareto-optimointia. Pareto-optimaalisen rintaman pisteiden etsintä ohjataan lähelle painotetun summan menetelmän optimipistettä. Evoluutioalgoritmin toteutuksessa käytetään hyväksi varmistusjärjestelmiin liittyvää ongelmakohtaista tietoa. Työn tuloksena saadaan varmistusjärjestelmän simulointi- sekä optimointityökalu. Simulointityökalua käytetään kartoittamaan nykyisen varmistusjärjestelmän toimivuutta. Optimoinnin avulla tehostetaan varmistusjärjestelmän toimintaa. Työkalua voidaan käyttää myös uusien varmistusjärjestelmien suunnittelussa sekä nykyisten varmistusjärjestelmien laajentamisessa.

Effect of radar rainfall time resolution on the predictive capability of a distributed hydrologic model

The performance of a hydrologic model depends on the rainfall input data, both spatially and temporally. As the spatial distribution of rainfall exerts a great influence on both runoff volumes and peak flows, the use of a distributed hydrologic model can improve the results in the case of convective rainfall in a basin where the storm area is smaller than the basin area. The aim of this study was to perform a sensitivity analysis of the rainfall time resolution on the results of a distributed hydrologic model in a flash-flood prone basin. Within such a catchment, floods are produced by heavy rainfall events with a large convective component. A second objective of the current paper is the proposal of a methodology that improves the radar rainfall estimation at a higher spatial and temporal resolution. Composite radar data from a network of three C-band radars with 6-min temporal and 2 × 2 km2 spatial resolution were used to feed the RIBS distributed hydrological model. A modification of the Window Probability Matching Method (gauge-adjustment method) was applied to four cases of heavy rainfall to improve the observed rainfall sub-estimation by computing new Z/R relationships for both convective and stratiform reflectivities. An advection correction technique based on the cross-correlation between two consecutive images was introduced to obtain several time resolutions from 1 min to 30 min. The RIBS hydrologic model was calibrated using a probabilistic approach based on a multiobjective methodology for each time resolution. A sensitivity analysis of rainfall time resolution was conducted to find the resolution that best represents the hydrological basin behaviour.

Simulation and optimization tools in paper machine concept design

The last decade has shown that the global paper industry needs new processes and products in order to reassert its position in the industry. As the paper markets in Western Europe and North America have stabilized, the competition has tightened. Along with the development of more cost-effective processes and products, new process design methods are also required to break the old molds and create new ideas. This thesis discusses the development of a process design methodology based on simulation and optimization methods. A bi-level optimization problem and a solution procedure for it are formulated and illustrated. Computational models and simulation are used to illustrate the phenomena inside a real process and mathematical optimization is exploited to find out the best process structures and control principles for the process. Dynamic process models are used inside the bi-level optimization problem, which is assumed to be dynamic and multiobjective due to the nature of papermaking processes. The numerical experiments show that the bi-level optimization approach is useful for different kinds of problems related to process design and optimization. Here, the design methodology is applied to a constrained process area of a papermaking line. However, the same methodology is applicable to all types of industrial processes, e.g., the design of biorefiners, because the methodology is totally generalized and can be easily modified.

Dynamic optimization for the trajectory planning of robot manipulators in the presence of obstacles

This paper presents an approach to the solution of moving a robot manipulator with minimum cost along a specified geometric path in the presence of obstacles. The main idea is to express obstacle avoidance in terms of the distances between potentially colliding parts. The optimal traveling time and the minimum mechanical energy of the actuators are considered together to build a multiobjective function. A simple numerical example involving a Cartesian manipulator arm with two-degree-of-freedom is described.

Methodology for wind turbine blade geometry optimization

Nowadays, the upwind three bladed horizontal axis wind turbine is the leading player on the market. It has been found to be the best industrial compromise in the range of different turbine constructions. The current wind industry innovation is conducted in the development of individual turbine components. The blade constitutes 20-25% of the overall turbine budget. Its optimal operation in particular local economic and wind conditions is worth investigating. The blade geometry, namely the chord, twist and airfoil type distributions along the span, responds to the output measures of the blade performance. Therefore, the optimal wind blade geometry can improve the overall turbine performance. The objectives of the dissertation are focused on the development of a methodology and specific tool for the investigation of possible existing wind blade geometry adjustments. The novelty of the methodology presented in the thesis is the multiobjective perspective on wind blade geometry optimization, particularly taking simultaneously into account the local wind conditions and the issue of aerodynamic noise emissions. The presented optimization objective approach has not been investigated previously for the implementation in wind blade design. The possibilities to use different theories for the analysis and search procedures are investigated and sufficient arguments derived for the usage of proposed theories. The tool is used for the test optimization of a particular wind turbine blade. The sensitivity analysis shows the dependence of the outputs on the provided inputs, as well as its relative and absolute divergences and instabilities. The pros and cons of the proposed technique are seen from the practical implementation, which is documented in the results, analysis and conclusion sections.

Identification d’une architecture à base de composants dans une application orientée objets à l’aide d’une analyse dynamique

Un système, décrit avec un grand nombre d'éléments fortement interdépendants, est complexe, difficile à comprendre et à maintenir. Ainsi, une application orientée objet est souvent complexe, car elle contient des centaines de classes avec de nombreuses dépendances plus ou moins explicites. Une même application, utilisant le paradigme composant, contiendrait un plus petit nombre d'éléments, faiblement couplés entre eux et avec des interdépendances clairement définies. Ceci est dû au fait que le paradigme composant fournit une bonne représentation de haut niveau des systèmes complexes. Ainsi, ce paradigme peut être utilisé comme "espace de projection" des systèmes orientés objets. Une telle projection peut faciliter l'étape de compréhension d'un système, un pré-requis nécessaire avant toute activité de maintenance et/ou d'évolution. De plus, il est possible d'utiliser cette représentation, comme un modèle pour effectuer une restructuration complète d'une application orientée objets opérationnelle vers une application équivalente à base de composants tout aussi opérationnelle. Ainsi, La nouvelle application bénéficiant ainsi, de toutes les bonnes propriétés associées au paradigme composants. L'objectif de ma thèse est de proposer une méthode semi-automatique pour identifier une architecture à base de composants dans une application orientée objets. Cette architecture doit, non seulement aider à la compréhension de l'application originale, mais aussi simplifier la projection de cette dernière dans un modèle concret de composant. L'identification d'une architecture à base de composants est réalisée en trois grandes étapes: i) obtention des données nécessaires au processus d'identification. Elles correspondent aux dépendances entre les classes et sont obtenues avec une analyse dynamique de l'application cible. ii) identification des composants. Trois méthodes ont été explorées. La première utilise un treillis de Galois, la seconde deux méta-heuristiques et la dernière une méta-heuristique multi-objective. iii) identification de l'architecture à base de composants de l'application cible. Cela est fait en identifiant les interfaces requises et fournis pour chaque composant. Afin de valider ce processus d'identification, ainsi que les différents choix faits durant son développement, j'ai réalisé différentes études de cas. Enfin, je montre la faisabilité de la projection de l'architecture à base de composants identifiée vers un modèle concret de composants.

Multi-objective assembly job shop scheduling using genetic algorithm and tabu search

Assembly job shop scheduling problem (AJSP) is one of the most complicated combinatorial optimization problem that involves simultaneously scheduling the processing and assembly operations of complex structured products. The problem becomes even more complicated if a combination of two or more optimization criteria is considered. This thesis addresses an assembly job shop scheduling problem with multiple objectives. The objectives considered are to simultaneously minimizing makespan and total tardiness. In this thesis, two approaches viz., weighted approach and Pareto approach are used for solving the problem. However, it is quite difficult to achieve an optimal solution to this problem with traditional optimization approaches owing to the high computational complexity. Two metaheuristic techniques namely, genetic algorithm and tabu search are investigated in this thesis for solving the multiobjective assembly job shop scheduling problems. Three algorithms based on the two metaheuristic techniques for weighted approach and Pareto approach are proposed for the multi-objective assembly job shop scheduling problem (MOAJSP). A new pairing mechanism is developed for crossover operation in genetic algorithm which leads to improved solutions and faster convergence. The performances of the proposed algorithms are evaluated through a set of test problems and the results are reported. The results reveal that the proposed algorithms based on weighted approach are feasible and effective for solving MOAJSP instances according to the weight assigned to each objective criterion and the proposed algorithms based on Pareto approach are capable of producing a number of good Pareto optimal scheduling plans for MOAJSP instances.

Modelo de gestión de la red de distribución tercerizada segmento tiendas región central, en productos de consumo masivo, mediante datos de panel y simulación de Monte Carlo.

El proyecto de investigación parte de la dinámica del modelo de distribución tercerizada para una compañía de consumo masivo en Colombia, especializada en lácteos, que para este estudio se ha denominado “Lactosa”. Mediante datos de panel con estudio de caso, se construyen dos modelos de demanda por categoría de producto y distribuidor y mediante simulación estocástica, se identifican las variables relevantes que inciden sus estructuras de costos. El problema se modela a partir del estado de resultados por cada uno de los cuatro distribuidores analizados en la región central del país. Se analiza la estructura de costos y el comportamiento de ventas dado un margen (%) de distribución logístico, en función de las variables independientes relevantes, y referidas al negocio, al mercado y al entorno macroeconómico, descritas en el objeto de estudio. Entre otros hallazgos, se destacan brechas notorias en los costos de distribución y costos en la fuerza de ventas, pese a la homogeneidad de segmentos. Identifica generadores de valor y costos de mayor dispersión individual y sugiere uniones estratégicas de algunos grupos de distribuidores. La modelación con datos de panel, identifica las variables relevantes de gestión que inciden sobre el volumen de ventas por categoría y distribuidor, que focaliza los esfuerzos de la dirección. Se recomienda disminuir brechas y promover desde el productor estrategias focalizadas a la estandarización de procesos internos de los distribuidores; promover y replicar los modelos de análisis, sin pretender remplazar conocimiento de expertos. La construcción de escenarios fortalece de manera conjunta y segura la posición competitiva de la compañía y sus distribuidores.

Conceptual design of wastewater treatment plants using multiple objectives

La implementació de la Directiva Europea 91/271/CEE referent a tractament d'aigües residuals urbanes va promoure la construcció de noves instal·lacions al mateix temps que la introducció de noves tecnologies per tractar nutrients en àrees designades com a sensibles. Tant el disseny d'aquestes noves infraestructures com el redisseny de les ja existents es va portar a terme a partir d'aproximacions basades fonamentalment en objectius econòmics degut a la necessitat d'acabar les obres en un període de temps relativament curt. Aquests estudis estaven basats en coneixement heurístic o correlacions numèriques provinents de models determinístics simplificats. Així doncs, moltes de les estacions depuradores d'aigües residuals (EDARs) resultants van estar caracteritzades per una manca de robustesa i flexibilitat, poca controlabilitat, amb freqüents problemes microbiològics de separació de sòlids en el decantador secundari, elevats costos d'operació i eliminació parcial de nutrients allunyant-les de l'òptim de funcionament. Molts d'aquestes problemes van sorgir degut a un disseny inadequat, de manera que la comunitat científica es va adonar de la importància de les etapes inicials de disseny conceptual. Precisament per aquesta raó, els mètodes tradicionals de disseny han d'evolucionar cap a sistemes d'avaluació mes complexos, que tinguin en compte múltiples objectius, assegurant així un millor funcionament de la planta. Tot i la importància del disseny conceptual tenint en compte múltiples objectius, encara hi ha un buit important en la literatura científica tractant aquest camp d'investigació. L'objectiu que persegueix aquesta tesi és el de desenvolupar un mètode de disseny conceptual d'EDARs considerant múltiples objectius, de manera que serveixi d'eina de suport a la presa de decisions al seleccionar la millor alternativa entre diferents opcions de disseny. Aquest treball de recerca contribueix amb un mètode de disseny modular i evolutiu que combina diferent tècniques com: el procés de decisió jeràrquic, anàlisi multicriteri, optimació preliminar multiobjectiu basada en anàlisi de sensibilitat, tècniques d'extracció de coneixement i mineria de dades, anàlisi multivariant i anàlisi d'incertesa a partir de simulacions de Monte Carlo. Això s'ha aconseguit subdividint el mètode de disseny desenvolupat en aquesta tesis en quatre blocs principals: (1) generació jeràrquica i anàlisi multicriteri d'alternatives, (2) anàlisi de decisions crítiques, (3) anàlisi multivariant i (4) anàlisi d'incertesa. El primer dels blocs combina un procés de decisió jeràrquic amb anàlisi multicriteri. El procés de decisió jeràrquic subdivideix el disseny conceptual en una sèrie de qüestions mes fàcilment analitzables i avaluables mentre que l'anàlisi multicriteri permet la consideració de diferent objectius al mateix temps. D'aquesta manera es redueix el nombre d'alternatives a avaluar i fa que el futur disseny i operació de la planta estigui influenciat per aspectes ambientals, econòmics, tècnics i legals. Finalment aquest bloc inclou una anàlisi de sensibilitat dels pesos que proporciona informació de com varien les diferents alternatives al mateix temps que canvia la importància relativa del objectius de disseny. El segon bloc engloba tècniques d'anàlisi de sensibilitat, optimització preliminar multiobjectiu i extracció de coneixement per donar suport al disseny conceptual d'EDAR, seleccionant la millor alternativa un cop s'han identificat decisions crítiques. Les decisions crítiques són aquelles en les que s'ha de seleccionar entre alternatives que compleixen de forma similar els objectius de disseny però amb diferents implicacions pel que respecte a la futura estructura i operació de la planta. Aquest tipus d'anàlisi proporciona una visió més àmplia de l'espai de disseny i permet identificar direccions desitjables (o indesitjables) cap on el procés de disseny pot derivar. El tercer bloc de la tesi proporciona l'anàlisi multivariant de les matrius multicriteri obtingudes durant l'avaluació de les alternatives de disseny. Específicament, les tècniques utilitzades en aquest treball de recerca engloben: 1) anàlisi de conglomerats, 2) anàlisi de components principals/anàlisi factorial i 3) anàlisi discriminant. Com a resultat és possible un millor accés a les dades per realitzar la selecció de les alternatives, proporcionant més informació per a una avaluació mes efectiva, i finalment incrementant el coneixement del procés d'avaluació de les alternatives de disseny generades. En el quart i últim bloc desenvolupat en aquesta tesi, les diferents alternatives de disseny són avaluades amb incertesa. L'objectiu d'aquest bloc és el d'estudiar el canvi en la presa de decisions quan una alternativa és avaluada incloent o no incertesa en els paràmetres dels models que descriuen el seu comportament. La incertesa en el paràmetres del model s'introdueix a partir de funcions de probabilitat. Desprès es porten a terme simulacions Monte Carlo, on d'aquestes distribucions se n'extrauen números aleatoris que es subsisteixen pels paràmetres del model i permeten estudiar com la incertesa es propaga a través del model. Així és possible analitzar la variació en l'acompliment global dels objectius de disseny per a cada una de les alternatives, quines són les contribucions en aquesta variació que hi tenen els aspectes ambientals, legals, econòmics i tècnics, i finalment el canvi en la selecció d'alternatives quan hi ha una variació de la importància relativa dels objectius de disseny. En comparació amb les aproximacions tradicionals de disseny, el mètode desenvolupat en aquesta tesi adreça problemes de disseny/redisseny tenint en compte múltiples objectius i múltiples criteris. Al mateix temps, el procés de presa de decisions mostra de forma objectiva, transparent i sistemàtica el perquè una alternativa és seleccionada en front de les altres, proporcionant l'opció que més bé acompleix els objectius marcats, mostrant els punts forts i febles, les principals correlacions entre objectius i alternatives, i finalment tenint en compte la possible incertesa inherent en els paràmetres del model que es fan servir durant les anàlisis. Les possibilitats del mètode desenvolupat es demostren en aquesta tesi a partir de diferents casos d'estudi: selecció del tipus d'eliminació biològica de nitrogen (cas d'estudi # 1), optimització d'una estratègia de control (cas d'estudi # 2), redisseny d'una planta per aconseguir eliminació simultània de carboni, nitrogen i fòsfor (cas d'estudi # 3) i finalment anàlisi d'estratègies control a nivell de planta (casos d'estudi # 4 i # 5).

Trade-offs and responsiveness of the single-layer urban canopy parametrization in WRF: an offline evaluation using the MOSCEM optimization algorithm and field observations

For an increasing number of applications, mesoscale modelling systems now aim to better represent urban areas. The complexity of processes resolved by urban parametrization schemes varies with the application. The concept of fitness-for-purpose is therefore critical for both the choice of parametrizations and the way in which the scheme should be evaluated. A systematic and objective model response analysis procedure (Multiobjective Shuffled Complex Evolution Metropolis (MOSCEM) algorithm) is used to assess the fitness of the single-layer urban canopy parametrization implemented in the Weather Research and Forecasting (WRF) model. The scheme is evaluated regarding its ability to simulate observed surface energy fluxes and the sensitivity to input parameters. Recent amendments are described, focussing on features which improve its applicability to numerical weather prediction, such as a reduced and physically more meaningful list of input parameters. The study shows a high sensitivity of the scheme to parameters characterizing roof properties in contrast to a low response to road-related ones. Problems in partitioning of energy between turbulent sensible and latent heat fluxes are also emphasized. Some initial guidelines to prioritize efforts to obtain urban land-cover class characteristics in WRF are provided. Copyright © 2010 Royal Meteorological Society and Crown Copyright.