Algorithms and tools for in silico design of cell factories

PhD thesis in Bioengineering

Testing Nelder-Mead based repulsion algorithms for multiple roots of nonlinear systems via a two-level factorial design of experiments

This paper addresses the challenging task of computing multiple roots of a system of nonlinear equations. A repulsion algorithm that invokes the Nelder-Mead (N-M) local search method and uses a penalty-type merit function based on the error function, known as 'erf', is presented. In the N-M algorithm context, different strategies are proposed to enhance the quality of the solutions and improve the overall efficiency. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm.

Bootstrap performance profiles in stochastic algorithms assessment

Optimization with stochastic algorithms has become a relevant research field. Due to its stochastic nature, its assessment is not straightforward and involves integrating accuracy and precision. Performance profiles for the mean do not show the trade-off between accuracy and precision, and parametric stochastic profiles require strong distributional assumptions and are limited to the mean performance for a large number of runs. In this work, bootstrap performance profiles are used to compare stochastic algorithms for different statistics. This technique allows the estimation of the sampling distribution of almost any statistic even with small samples. Multiple comparison profiles are presented for more than two algorithms. The advantages and drawbacks of each assessment methodology are discussed.

Algorithms and computational tools for metabolic flux analysis

PhD thesis in Biomedical Engineering

A survey of distributed data aggregation algorithms

Distributed data aggregation is an important task, allowing the de- centralized determination of meaningful global properties, that can then be used to direct the execution of other applications. The resulting val- ues result from the distributed computation of functions like count, sum and average. Some application examples can found to determine the network size, total storage capacity, average load, majorities and many others. In the last decade, many di erent approaches have been pro- posed, with di erent trade-o s in terms of accuracy, reliability, message and time complexity. Due to the considerable amount and variety of ag- gregation algorithms, it can be di cult and time consuming to determine which techniques will be more appropriate to use in speci c settings, jus- tifying the existence of a survey to aid in this task. This work reviews the state of the art on distributed data aggregation algorithms, providing three main contributions. First, it formally de nes the concept of aggrega- tion, characterizing the di erent types of aggregation functions. Second, it succinctly describes the main aggregation techniques, organizing them in a taxonomy. Finally, it provides some guidelines toward the selection and use of the most relevant techniques, summarizing their principal characteristics.

Desarrollo de Algoritmos Numéricos para el Estudio de la Propagación no Lineal de Ondas en Aplicaciones Aeroespaciales y Astrofísicas. Develop to Numerical Algorithms to Study non-Linear Waves Propagation in Aerospace and Astrophysics Applications.

En este proyecto se desarrollarán algoritmos numéricos para sistemas no lineales hiperbólicos-parabólicos de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. Dichos sistemas tienen aplicación en propagación de ondas en ámbitos aeroespaciales y astrofísicos.Objetivos generales: 1)Desarrollo y mejora de algoritmos numéricos con la finalidad de incrementar la calidad en la simulación de propagación e interacción de ondas gasdinámicas y magnetogasdinámicas no lineales. 2)Desarrollo de códigos computacionales con la finalidad de simular flujos gasdinámicos de elevada entalpía incluyendo cambios químicos, efectos dispersivos y difusivos.3)Desarrollo de códigos computacionales con la finalidad de simular flujos magnetogasdinámicos ideales y reales.4)Aplicación de los nuevos algoritmos y códigos computacionales a la solución del flujo aerotermodinámico alrededor de cuerpos que ingresan en la atmósfera terrestre. 5)Aplicación de los nuevos algoritmos y códigos computacionales a la simulación del comportamiento dinámico no lineal de arcos magnéticos en la corona solar. 6)Desarrollo de nuevos modelos para describir el comportamiento no lineal de arcos magnéticos en la corona solar.Este proyecto presenta como objetivo principal la introducción de mejoras en algoritmos numéricos para simular la propagación e interacción de ondas no lineales en dos medios gaseosos: aquellos que no poseen carga eléctrica libre (flujos gasdinámicos) y aquellos que tienen carga eléctrica libre (flujos magnetogasdinámicos). Al mismo tiempo se desarrollarán códigos computacionales que implementen las mejoras de las técnicas numéricas.Los algoritmos numéricos se aplicarán con la finalidad de incrementar el conocimiento en tópicos de interés en la ingeniería aeroespacial como es el cálculo del flujo de calor y fuerzas aerotermodinámicas que soportan objetos que ingresan a la atmósfera terrestre y en temas de astrofísica como la propagación e interacción de ondas, tanto para la transferencia de energía como para la generación de inestabilidades en arcos magnéticos de la corona solar. Estos dos temas poseen en común las técnicas y algoritmos numéricos con los que serán tratados. Las ecuaciones gasdinámicas y magnetogasdinámicas ideales conforman sistemas hiperbólicos de ecuaciones diferenciales y pueden ser solucionados utilizando "Riemann solvers" junto con el método de volúmenes finitos (Toro 1999; Udrea 1999; LeVeque 1992 y 2005). La inclusión de efectos difusivos genera que los sistemas de ecuaciones resulten hiperbólicos-parabólicos. La contribución parabólica puede ser considerada como términos fuentes y tratada adicionalmente tanto en forma explícita como implícita (Udrea 1999; LeVeque 2005).Para analizar el flujo alrededor de cuerpos que ingresan en la atmósfera se utilizarán las ecuaciones de Navier-Stokes químicamente activas, mientras la temperatura no supere los 6000K. Para mayores temperaturas es necesario considerar efectos de ionización (Anderson, 1989). Tanto los efectos difusivos como los cambios químicos serán considerados como términos fuentes en las ecuaciones de Euler. Para tratar la propagación de ondas, transferencia de energía e inestabilidades en arcos magnéticos de la corona solar se utilizarán las ecuaciones de la magnetogasdinámica ideal y real. En este caso será también conveniente implementar términos fuente para el tratamiento de fenómenos de transporte como el flujo de calor y el de radiación. Los códigos utilizarán la técnica de volúmenes finitos, junto con esquemas "Total Variation Disminishing - TVD" sobre mallas estructuradas y no estructuradas.

Optimización en el cómputos de algoritmos de cuadratura para funciones especiales. Optimization of quadrature algorithms for special functions.

En nuestro proyecto anterior aproximamos el cálculo de una integral definida con integrandos de grandes variaciones funcionales. Nuestra aproximación paraleliza el algoritmo de cómputo de un método adaptivo de cuadratura, basado en reglas de Newton-Cote. Los primeros resultados obtenidos fueron comunicados en distintos congresos nacionales e internacionales; ellos nos permintieron comenzar con una tipificación de las reglas de cuadratura existentes y una clasificación de algunas funciones utilizadas como funciones de prueba. Estas tareas de clasificación y tipificación no las hemos finalizado, por lo que pretendemos darle continuidad a fin de poder informar sobre la conveniencia o no de utilizar nuestra técnica. Para llevar adelante esta tarea se buscará una base de funciones de prueba y se ampliará el espectro de reglas de cuadraturas a utilizar. Además, nos proponemos re-estructurar el cálculo de algunas rutinas que intervienen en el cómputo de la mínima energía de una molécula. Este programa ya existe en su versión secuencial y está modelizado utilizando la aproximación LCAO. El mismo obtiene resultados exitosos en cuanto a precisión, comparado con otras publicaciones internacionales similares, pero requiere de un tiempo de cálculo significativamente alto. Nuestra propuesta es paralelizar el algoritmo mencionado abordándolo al menos en dos niveles: 1- decidir si conviene distribuir el cálculo de una integral entre varios procesadores o si será mejor distribuir distintas integrales entre diferentes procesadores. Debemos recordar que en los entornos de arquitecturas paralelas basadas en redes (típicamente redes de área local, LAN) el tiempo que ocupa el envío de mensajes entre los procesadores es muy significativo medido en cantidad de operaciones de cálculo que un procesador puede completar. 2- de ser necesario, paralelizar el cálculo de integrales dobles y/o triples. Para el desarrollo de nuestra propuesta se desarrollarán heurísticas para verificar y construir modelos en los casos mencionados tendientes a mejorar las rutinas de cálculo ya conocidas. A la vez que se testearán los algoritmos con casos de prueba. La metodología a utilizar es la habitual en Cálculo Numérico. Con cada propuesta se requiere: a) Implementar un algoritmo de cálculo tratando de lograr versiones superadoras de las ya existentes. b) Realizar los ejercicios de comparación con las rutinas existentes para confirmar o desechar una mejor perfomance numérica. c) Realizar estudios teóricos de error vinculados al método y a la implementación. Se conformó un equipo interdisciplinario integrado por investigadores tanto de Ciencias de la Computación como de Matemática. Metas a alcanzar Se espera obtener una caracterización de las reglas de cuadratura según su efectividad, con funciones de comportamiento oscilatorio y con decaimiento exponencial, y desarrollar implementaciones computacionales adecuadas, optimizadas y basadas en arquitecturas paralelas.

Automating the testing process of image processing algorithms

As digital imaging processing techniques become increasingly used in a broad range of consumer applications, the critical need to evaluate algorithm performance has become recognised by developers as an area of vital importance. With digital image processing algorithms now playing a greater role in security and protection applications, it is of crucial importance that we are able to empirically study their performance. Apart from the field of biometrics little emphasis has been put on algorithm performance evaluation until now and where evaluation has taken place, it has been carried out in a somewhat cumbersome and unsystematic fashion, without any standardised approach. This paper presents a comprehensive testing methodology and framework aimed towards automating the evaluation of image processing algorithms. Ultimately, the test framework aims to shorten the algorithm development life cycle by helping to identify algorithm performance problems quickly and more efficiently.

Representations of lattice point sets : theory, algorithms, applications

Magdeburg, Univ., Fak. für Mathematik, Habil.-Schr., 2006

AvBandTest – a Testing Tool for Implementations of Available Band width Estimation Algorithms

This work describes a test tool that allows to make performance tests of different end-to-end available bandwidth estimation algorithms along with their different implementations. The goal of such tests is to find the best-performing algorithm and its implementation and use it in congestion control mechanism for high-performance reliable transport protocols. The main idea of this paper is to describe the options which provide available bandwidth estimation mechanism for highspeed data transport protocols and to develop basic functionality of such test tool with which it will be possible to manage entities of test application on all involved testing hosts, aided by some middleware.

Efficiency Comparison of DFT/IDFT Algorithms by Evaluating Diverse Hardware Implementations

In this paper we investigate various algorithms for performing Fast Fourier Transformation (FFT)/Inverse Fast Fourier Transformation (IFFT), and proper techniques for maximizing the FFT/IFFT execution speed, such as pipelining or parallel processing, and use of memory structures with pre-computed values (look up tables -LUT) or other dedicated hardware components (usually multipliers). Furthermore, we discuss the optimal hardware architectures that best apply to various FFT/IFFT algorithms, along with their abilities to exploit parallel processing with minimal data dependences of the FFT/IFFT calculations. An interesting approach that is also considered in this paper is the application of the integrated processing-in-memory Intelligent RAM (IRAM) chip to high speed FFT/IFFT computing. The results of the assessment study emphasize that the execution speed of the FFT/IFFT algorithms is tightly connected to the capabilities of the FFT/IFFT hardware to support the provided parallelism of the given algorithm. Therefore, we suggest that the basic Discrete Fourier Transform (DFT)/Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT) can also provide high performances, by utilizing a specialized FFT/IFFT hardware architecture that can exploit the provided parallelism of the DFT/IDF operations. The proposed improvements include simplified multiplications over symbols given in polar coordinate system, using sinе and cosine look up tables, and an approach for performing parallel addition of N input symbols.

Efficiency Comparison of DFT/IDFT Algorithms by Evaluating Diverse Hardware : Implementations,Parallelization Prospectsand Possible Improvements

In this paper we investigate various algorithms for performing Fast Fourier Transformation (FFT)/Inverse Fast Fourier Transformation (IFFT), and proper techniquesfor maximizing the FFT/IFFT execution speed, such as pipelining or parallel processing, and use of memory structures with pre-computed values (look up tables -LUT) or other dedicated hardware components (usually multipliers). Furthermore, we discuss the optimal hardware architectures that best apply to various FFT/IFFT algorithms, along with their abilities to exploit parallel processing with minimal data dependences of the FFT/IFFT calculations. An interesting approach that is also considered in this paper is the application of the integrated processing-in-memory Intelligent RAM (IRAM) chip to high speed FFT/IFFT computing. The results of the assessment study emphasize that the execution speed of the FFT/IFFT algorithms is tightly connected to the capabilities of the FFT/IFFT hardware to support the provided parallelism of the given algorithm. Therefore, we suggest that the basic Discrete Fourier Transform (DFT)/Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT) can also provide high performances, by utilizing a specialized FFT/IFFT hardware architecture that can exploit the provided parallelism of the DFT/IDF operations. The proposed improvements include simplified multiplications over symbols given in polar coordinate system, using sinе and cosine look up tables,and an approach for performing parallel addition of N input symbols.

Practical Aspects of Genetic Algorithms’ Implementation in Life Cycle Management of Electrotechnical Equipment

Some practical aspects of Genetic algorithms’ implementation regarding to life cycle management of electrotechnical equipment are considered.

Can genetic algorithms explain experimental anomalies? An application to common property resources

It is common to find in experimental data persistent oscillations in the aggregate outcomes and high levels of heterogeneity in individual behavior. Furthermore, it is not unusual to find significant deviations from aggregate Nash equilibrium predictions. In this paper, we employ an evolutionary model with boundedly rational agents to explain these findings. We use data from common property resource experiments (Casari and Plott, 2003). Instead of positing individual-specific utility functions, we model decision makers as selfish and identical. Agent interaction is simulated using an individual learning genetic algorithm, where agents have constraints in their working memory, a limited ability to maximize, and experiment with new strategies. We show that the model replicates most of the patterns that can be found in common property resource experiments.

Two algorithms to find a power integral basis

"Vegeu el resum a l'inici del fitxer adjunt."