Energy efficient scheduling for cluster-tree wireless sensor networks with time-bounded data flows: application to IEEE 802.15.4/ZigBee

Cluster scheduling and collision avoidance are crucial issues in large-scale cluster-tree Wireless Sensor Networks (WSNs). The paper presents a methodology that provides a Time Division Cluster Scheduling (TDCS) mechanism based on the cyclic extension of RCPS/TC (Resource Constrained Project Scheduling with Temporal Constraints) problem for a cluster-tree WSN, assuming bounded communication errors. The objective is to meet all end-to-end deadlines of a predefined set of time-bounded data flows while minimizing the energy consumption of the nodes by setting the TDCS period as long as possible. Sinceeach cluster is active only once during the period, the end-to-end delay of a given flow may span over several periods when there are the flows with opposite direction. The scheduling tool enables system designers to efficiently configure all required parameters of the IEEE 802.15.4/ZigBee beaconenabled cluster-tree WSNs in the network design time. The performance evaluation of thescheduling tool shows that the problems with dozens of nodes can be solved while using optimal solvers.

Conflict-based Method for Conceptual Process Synthesis

The changing business environment demands that chemical industrial processes be designed such that they enable the attainment of multi-objective requirements and the enhancement of innovativedesign activities. The requirements and key issues for conceptual process synthesis have changed and are no longer those of conventional process design; there is an increased emphasis on innovative research to develop new concepts, novel techniques and processes. A central issue, how to enhance the creativity of the design process, requires further research into methodologies. The thesis presentsa conflict-based methodology for conceptual process synthesis. The motivation of the work is to support decision-making in design and synthesis and to enhance the creativity of design activities. It deals with the multi-objective requirements and combinatorially complex nature of process synthesis. The work is carriedout based on a new concept and design paradigm adapted from Theory of InventiveProblem Solving methodology (TRIZ). TRIZ is claimed to be a `systematic creativity' framework thanks to its knowledge based and evolutionary-directed nature. The conflict concept, when applied to process synthesis, throws new lights on design problems and activities. The conflict model is proposed as a way of describing design problems and handling design information. The design tasks are represented as groups of conflicts and conflict table is built as the design tool. The general design paradigm is formulated to handle conflicts in both the early and detailed design stages. The methodology developed reflects the conflict nature of process design and synthesis. The method is implemented and verified through case studies of distillation system design, reactor/separator network design and waste minimization. Handling the various levels of conflicts evolve possible design alternatives in a systematic procedure which consists of establishing an efficient and compact solution space for the detailed design stage. The approach also provides the information to bridge the gap between the application of qualitative knowledge in the early stage and quantitative techniques in the detailed design stage. Enhancement of creativity is realized through the better understanding of the design problems gained from the conflict concept and in the improvement in engineering design practice via the systematic nature of the approach.

Verkkokäyttöliittymäohjelmiston toteuttaminen TradeXpress-tietojärjestelmään.

Työssä perehdytään verkkokäyttöliittymien suunnitteluun ja toteutukseen. Erityisen huomion kohteena ovat Java-ohjelmointikieli ja ohjelmistosuunnittelussa suurta huomiota herättäneet suunnittelumallit. Java on kehittynyt lyhyen elinikänsä aikana huomattavasti, ja viimeaikaiset vakioluokkakirjastot ovat mahdollistaneet monipuolisten ja siirrettävien ohjelmistojen toteuttamisen. Vaikka Java ei sovellukaan kaikkiin tarkoituksiin, on se luotettavuutensa, siirrettävyytensä ja luokkakirjastojensa ilmaisuvoiman ansiosta hyvin houkutteleva kieli käyttöliittymien tekemiseen. Suunnittelumallit ovat merkittävä osa ammattimaista oliosuunnittelua. Ne tarjoavat valmiita ratkaisuja yleisiin suunnitteluongelmiin ja säästävät siten aikaa suunnittelu- ja toteutusvaiheissa. Suunnittelumallit voidaan jakaa kolmeen ryhmään: luontimallit, rakennemallit ja toiminnalliset mallit. Käytännön osuudessa tarkastellaan Java-käyttöliittymän toteutusta olemassa olevaan Soneran TradeXpress-tietojärjestelmään. Tässä tehtävässä Java ja suunnittelumallit ovat olleet keskeisellä sijalla. Java-käyttöliittymä, JavaGUI, koostuu kahdesta osasta: asiakasappletista ja Jrls-palvelimesta. Näiden kahden väliseen tiedonsiirtoon käytetään pääasiassa Javan RMI-yhteyskäytäntöä. Jrls-palvelin toimii asiakkaana RLS-palvelimelle erityisen RLS-yhteyskäytännön avulla.

Particle swarm optimization for two-connected networks with bounded rings

The Two-Connected Network with Bounded Ring (2CNBR) problem is a network design problem addressing the connection of servers to create a survivable network with limited redirections in the event of failures. Particle Swarm Optimization (PSO) is a stochastic population-based optimization technique modeled on the social behaviour of flocking birds or schooling fish. This thesis applies PSO to the 2CNBR problem. As PSO is originally designed to handle a continuous solution space, modification of the algorithm was necessary in order to adapt it for such a highly constrained discrete combinatorial optimization problem. Presented are an indirect transcription scheme for applying PSO to such discrete optimization problems and an oscillating mechanism for averting stagnation.

Using genetic algorithms for the single allocation hub location problem

Hub location problem is an NP-hard problem that frequently arises in the design of transportation and distribution systems, postal delivery networks, and airline passenger flow. This work focuses on the Single Allocation Hub Location Problem (SAHLP). Genetic Algorithms (GAs) for the capacitated and uncapacitated variants of the SAHLP based on new chromosome representations and crossover operators are explored. The GAs is tested on two well-known sets of real-world problems with up to 200 nodes. The obtained results are very promising. For most of the test problems the GA obtains improved or best-known solutions and the computational time remains low. The proposed GAs can easily be extended to other variants of location problems arising in network design planning in transportation systems.

Optimization of p-cycle protection schemes in optical networks

La survie des réseaux est un domaine d'étude technique très intéressant ainsi qu'une préoccupation critique dans la conception des réseaux. Compte tenu du fait que de plus en plus de données sont transportées à travers des réseaux de communication, une simple panne peut interrompre des millions d'utilisateurs et engendrer des millions de dollars de pertes de revenu. Les techniques de protection des réseaux consistent à fournir une capacité supplémentaire dans un réseau et à réacheminer les flux automatiquement autour de la panne en utilisant cette disponibilité de capacité. Cette thèse porte sur la conception de réseaux optiques intégrant des techniques de survie qui utilisent des schémas de protection basés sur les p-cycles. Plus précisément, les p-cycles de protection par chemin sont exploités dans le contexte de pannes sur les liens. Notre étude se concentre sur la mise en place de structures de protection par p-cycles, et ce, en supposant que les chemins d'opération pour l'ensemble des requêtes sont définis a priori. La majorité des travaux existants utilisent des heuristiques ou des méthodes de résolution ayant de la difficulté à résoudre des instances de grande taille. L'objectif de cette thèse est double. D'une part, nous proposons des modèles et des méthodes de résolution capables d'aborder des problèmes de plus grande taille que ceux déjà présentés dans la littérature. D'autre part, grâce aux nouveaux algorithmes, nous sommes en mesure de produire des solutions optimales ou quasi-optimales. Pour ce faire, nous nous appuyons sur la technique de génération de colonnes, celle-ci étant adéquate pour résoudre des problèmes de programmation linéaire de grande taille. Dans ce projet, la génération de colonnes est utilisée comme une façon intelligente d'énumérer implicitement des cycles prometteurs. Nous proposons d'abord des formulations pour le problème maître et le problème auxiliaire ainsi qu'un premier algorithme de génération de colonnes pour la conception de réseaux protegées par des p-cycles de la protection par chemin. L'algorithme obtient de meilleures solutions, dans un temps raisonnable, que celles obtenues par les méthodes existantes. Par la suite, une formulation plus compacte est proposée pour le problème auxiliaire. De plus, nous présentons une nouvelle méthode de décomposition hiérarchique qui apporte une grande amélioration de l'efficacité globale de l'algorithme. En ce qui concerne les solutions en nombres entiers, nous proposons deux méthodes heurisiques qui arrivent à trouver des bonnes solutions. Nous nous attardons aussi à une comparaison systématique entre les p-cycles et les schémas classiques de protection partagée. Nous effectuons donc une comparaison précise en utilisant des formulations unifiées et basées sur la génération de colonnes pour obtenir des résultats de bonne qualité. Par la suite, nous évaluons empiriquement les versions orientée et non-orientée des p-cycles pour la protection par lien ainsi que pour la protection par chemin, dans des scénarios de trafic asymétrique. Nous montrons quel est le coût de protection additionnel engendré lorsque des systèmes bidirectionnels sont employés dans de tels scénarios. Finalement, nous étudions une formulation de génération de colonnes pour la conception de réseaux avec des p-cycles en présence d'exigences de disponibilité et nous obtenons des premières bornes inférieures pour ce problème.

Planification et dimensionnement des réseaux optiques de longues distances

Le projet de recherche porte sur l'étude des problèmes de conception et de planification d'un réseau optique de longue distance, aussi appelé réseau de coeur (OWAN-Optical Wide Area Network en anglais). Il s'agit d'un réseau qui transporte des flots agrégés en mode commutation de circuits. Un réseau OWAN relie différents sites à l'aide de fibres optiques connectées par des commutateurs/routeurs optiques et/ou électriques. Un réseau OWAN est maillé à l'échelle d'un pays ou d’un continent et permet le transit des données à très haut débit. Dans une première partie du projet de thèse, nous nous intéressons au problème de conception de réseaux optiques agiles. Le problème d'agilité est motivé par la croissance de la demande en bande passante et par la nature dynamique du trafic. Les équipements déployés par les opérateurs de réseaux doivent disposer d'outils de configuration plus performants et plus flexibles pour gérer au mieux la complexité des connexions entre les clients et tenir compte de la nature évolutive du trafic. Souvent, le problème de conception d'un réseau consiste à prévoir la bande passante nécessaire pour écouler un trafic donné. Ici, nous cherchons en plus à choisir la meilleure configuration nodale ayant un niveau d'agilité capable de garantir une affectation optimale des ressources du réseau. Nous étudierons également deux autres types de problèmes auxquels un opérateur de réseau est confronté. Le premier problème est l'affectation de ressources du réseau. Une fois que l'architecture du réseau en termes d'équipements est choisie, la question qui reste est de savoir : comment dimensionner et optimiser cette architecture pour qu'elle rencontre le meilleur niveau possible d'agilité pour satisfaire toute la demande. La définition de la topologie de routage est un problème d'optimisation complexe. Elle consiste à définir un ensemble de chemins optiques logiques, choisir les routes physiques suivies par ces derniers, ainsi que les longueurs d'onde qu'ils utilisent, de manière à optimiser la qualité de la solution obtenue par rapport à un ensemble de métriques pour mesurer la performance du réseau. De plus, nous devons définir la meilleure stratégie de dimensionnement du réseau de façon à ce qu'elle soit adaptée à la nature dynamique du trafic. Le second problème est celui d'optimiser les coûts d'investissement en capital(CAPEX) et d'opération (OPEX) de l'architecture de transport proposée. Dans le cas du type d'architecture de dimensionnement considérée dans cette thèse, le CAPEX inclut les coûts de routage, d'installation et de mise en service de tous les équipements de type réseau installés aux extrémités des connexions et dans les noeuds intermédiaires. Les coûts d'opération OPEX correspondent à tous les frais liés à l'exploitation du réseau de transport. Étant donné la nature symétrique et le nombre exponentiel de variables dans la plupart des formulations mathématiques développées pour ces types de problèmes, nous avons particulièrement exploré des approches de résolution de type génération de colonnes et algorithme glouton qui s'adaptent bien à la résolution des grands problèmes d'optimisation. Une étude comparative de plusieurs stratégies d'allocation de ressources et d'algorithmes de résolution, sur différents jeux de données et de réseaux de transport de type OWAN démontre que le meilleur coût réseau est obtenu dans deux cas : une stratégie de dimensionnement anticipative combinée avec une méthode de résolution de type génération de colonnes dans les cas où nous autorisons/interdisons le dérangement des connexions déjà établies. Aussi, une bonne répartition de l'utilisation des ressources du réseau est observée avec les scénarios utilisant une stratégie de dimensionnement myope combinée à une approche d'allocation de ressources avec une résolution utilisant les techniques de génération de colonnes. Les résultats obtenus à l'issue de ces travaux ont également démontré que des gains considérables sont possibles pour les coûts d'investissement en capital et d'opération. En effet, une répartition intelligente et hétérogène de ressources d’un réseau sur l'ensemble des noeuds permet de réaliser une réduction substantielle des coûts du réseau par rapport à une solution d'allocation de ressources classique qui adopte une architecture homogène utilisant la même configuration nodale dans tous les noeuds. En effet, nous avons démontré qu'il est possible de réduire le nombre de commutateurs photoniques tout en satisfaisant la demande de trafic et en gardant le coût global d'allocation de ressources de réseau inchangé par rapport à l'architecture classique. Cela implique une réduction substantielle des coûts CAPEX et OPEX. Dans nos expériences de calcul, les résultats démontrent que la réduction de coûts peut atteindre jusqu'à 65% dans certaines jeux de données et de réseau.

Développement d’un algorithme de branch-and-price-and-cut pour le problème de conception de réseau avec coûts fixes et capacités

De nombreux problèmes en transport et en logistique peuvent être formulés comme des modèles de conception de réseau. Ils requièrent généralement de transporter des produits, des passagers ou encore des données dans un réseau afin de satisfaire une certaine demande tout en minimisant les coûts. Dans ce mémoire, nous nous intéressons au problème de conception de réseau avec coûts fixes et capacités. Ce problème consiste à ouvrir un sous-ensemble des liens dans un réseau afin de satisfaire la demande, tout en respectant les contraintes de capacités sur les liens. L'objectif est de minimiser les coûts fixes associés à l'ouverture des liens et les coûts de transport des produits. Nous présentons une méthode exacte pour résoudre ce problème basée sur des techniques utilisées en programmation linéaire en nombres entiers. Notre méthode est une variante de l'algorithme de branch-and-bound, appelée branch-and-price-and-cut, dans laquelle nous exploitons à la fois la génération de colonnes et de coupes pour la résolution d'instances de grande taille, en particulier, celles ayant un grand nombre de produits. En nous comparant à CPLEX, actuellement l'un des meilleurs logiciels d'optimisation mathématique, notre méthode est compétitive sur les instances de taille moyenne et supérieure sur les instances de grande taille ayant un grand nombre de produits, et ce, même si elle n'utilise qu'un seul type d'inégalités valides.

Availability analysis of GMPLS connections based on physical network topology

This paper presents a study of connection availability in GMPLS over optical transport networks (OTN) taking into account different network topologies. Two basic path protection schemes are considered and compared with the no protection case. The selected topologies are heterogeneous in geographic coverage, network diameter, link lengths, and average node degree. Connection availability is also computed considering the reliability data of physical components and a well-known network availability model. Results show several correspondences between suitable path protection algorithms and several network topology characteristics

INFO6003: Campus Network Security Perspectives

These slides cover aspects of network design and technology relevant to a campus network deployment such as that at the University of Southampton.

Self-organized sociopolitical interactions as the best way to achieve organized patterns in human social systems: going beyond the top-down control of classical political regimes

La monografía presenta la auto-organización sociopolítica como la mejor manera de lograr patrones organizados en los sistemas sociales humanos, dada su naturaleza compleja y la imposibilidad de las tareas computacionales de los regímenes políticos clásico, debido a que operan con control jerárquico, el cual ha demostrado no ser óptimo en la producción de orden en los sistemas sociales humanos. En la monografía se extrapola la teoría de la auto-organización en los sistemas biológicos a las dinámicas sociopolíticas humanas, buscando maneras óptimas de organizarlas, y se afirma que redes complejas anárquicas son la estructura emergente de la auto-organización sociopolítica.

Optimización del sistema de transporte en el colegio The English School

La optimización de sistemas y modelos se ha convertido en uno de los factores más importantes a la hora de buscar la mayor eficiencia de un proceso. Este concepto no es ajeno al transporte escolar, ambiente que cambia constantemente al ritmo de las necesidades de sus clientes, y que responde ante una fuerte responsabilidad frente a sus usuarios, los niños que hacen uso del servicio, en cuanto al cumplimiento de tiempos y seguridad, mientras busca constantemente la reducción de costos. Este proyecto expone las problemáticas presentadas en The English School en esta área y propone un modelo de optimización simple que permitirá notables mejoras en términos de tiempos y costos, de tal forma que genere beneficios para la institución en términos financieros y de satisfacción al cliente. Por medio de la implementación de este modelo será posible identificar errores comunes del proceso, se identificarán soluciones prácticas de fácil aplicación en el manejo del transporte y se presentarán los resultados obtenidos en la muestra utilizada para desarrollar el proyecto.

Advanced global optimisation for mission analysis and design

This report describes the analysis and development of novel tools for the global optimisation of relevant mission design problems. A taxonomy was created for mission design problems, and an empirical analysis of their optimisational complexity performed - it was demonstrated that the use of global optimisation was necessary on most classes and informed the selection of appropriate global algorithms. The selected algorithms were then applied to the di®erent problem classes: Di®erential Evolution was found to be the most e±cient. Considering the speci¯c problem of multiple gravity assist trajectory design, a search space pruning algorithm was developed that displays both polynomial time and space complexity. Empirically, this was shown to typically achieve search space reductions of greater than six orders of magnitude, thus reducing signi¯cantly the complexity of the subsequent optimisation. The algorithm was fully implemented in a software package that allows simple visualisation of high-dimensional search spaces, and e®ective optimisation over the reduced search bounds.

Striving for inclusive design in the built environment: learning strategy adopted by policy implementers at local authorities in England

The research will explore views on inclusive design policy implementation and learning strategy used in practice by Local Authorities’ planning, building control and policy departments in England. It reports emerging research findings. The research aim was developed from an extensive literature review, and informed by a pilot study with relevant Local Authority departments. The pilot study highlighted gaps within the process of policy implementation, a lack of awareness of the process and flaws in the design guidance policy. This has helped inform the development of a robust research design using both a survey and semi-structured interviews. The questionnaire targeted key employees within Local Authorities designed to establish how employees learn about inclusive design policy and to determine their views on current approaches of inclusive design policy implementation adopted by their Local Authorities. The questionnaire produces 117 responses. Interestingly approximately 9 out of 129 Local Authorities approached claimed that they were unable to participate either because an inclusive design policy was not adopted or they were faced with a high workload and thus unable to take part. An emerging finding is a lack of understanding of inclusive design problems, which may lead to problem with inclusive design policy implementation, and thus adversely affect how the built environment can be experienced. There is a strong indication from the survey respondents indicating that they are most likely to learn about inclusive design from policy guides produced by their Local Authorities and from their colleagues.

Design patterns for promoting peer interaction in discussion forums in MOOCs

Design patterns are a way of sharing evidence-based solutions to educational design problems. The design patterns presented in this paper were produced through a series of workshops, which aimed to identify Massive Open Online Course (MOOC) design principles from workshop participants’ experiences of designing, teaching and learning on these courses. MOOCs present a challenge for the existing pedagogy of online learning, particularly as it relates to promoting peer interaction and discussion. MOOC cohort sizes, participation patterns and diversity of learners mean that discussions can remain superficial, become difficult to navigate, or never develop beyond isolated posts. In addition, MOOC platforms may not provide sufficient tools to support moderation. This paper draws on four case studies of designing and teaching on a range of MOOCs presenting seven design narratives relating to the experience in these MOOCs. Evidence presented in the narratives is abstracted in the form of three design patterns created through a collaborative process using techniques similar to those used in collective autoethnography. The patterns: “Special Interest Discussions”, “Celebrity Touch” and “Look and Engage”, draw together shared lessons and present possible solutions to the problem of creating, managing and facilitating meaningful discussion in MOOCs through the careful use of staged learning activities and facilitation strategies.