Dynamic load balancing of distributed memory parallel computational mechanics using unstructured meshes for multi-physical modelling

As the complexity of parallel applications increase, the performance limitations resulting from computational load imbalance become dominant. Mapping the problem space to the processors in a parallel machine in a manner that balances the workload of each processors will typically reduce the run-time. In many cases the computation time required for a given calculation cannot be predetermined even at run-time and so static partition of the problem returns poor performance. For problems in which the computational load across the discretisation is dynamic and inhomogeneous, for example multi-physics problems involving fluid and solid mechanics with phase changes, the workload for a static subdomain will change over the course of a computation and cannot be estimated beforehand. For such applications the mapping of loads to process is required to change dynamically, at run-time in order to maintain reasonable efficiency. The issue of dynamic load balancing are examined in the context of PHYSICA, a three dimensional unstructured mesh multi-physics continuum mechanics computational modelling code.

Dynamic multi-partitioning for parallel finite element applications

The central product of the DRAMA (Dynamic Re-Allocation of Meshes for parallel Finite Element Applications) project is a library comprising a variety of tools for dynamic re-partitioning of unstructured Finite Element (FE) applications. The input to the DRAMA library is the computational mesh, and corresponding costs, partitioned into sub-domains. The core library functions then perform a parallel computation of a mesh re-allocation that will re-balance the costs based on the DRAMA cost model. We discuss the basic features of this cost model, which allows a general approach to load identification, modelling and imbalance minimisation. Results from crash simulations are presented which show the necessity for multi-phase/multi-constraint partitioning components.

Improving drug discovery using a neural networks based parallel scoring function

Virtual Screening (VS) methods can considerably aid clinical research, predicting how ligands interact with drug targets. Most VS methods suppose a unique binding site for the target, but it has been demonstrated that diverse ligands interact with unrelated parts of the target and many VS methods do not take into account this relevant fact. This problem is circumvented by a novel VS methodology named BINDSURF that scans the whole protein surface to find new hotspots, where ligands might potentially interact with, and which is implemented in massively parallel Graphics Processing Units, allowing fast processing of large ligand databases. BINDSURF can thus be used in drug discovery, drug design, drug repurposing and therefore helps considerably in clinical research. However, the accuracy of most VS methods is constrained by limitations in the scoring function that describes biomolecular interactions, and even nowadays these uncertainties are not completely understood. In order to solve this problem, we propose a novel approach where neural networks are trained with databases of known active (drugs) and inactive compounds, and later used to improve VS predictions.

Sintonia automática de controladores PID: uma abordagem neuro - genética

Dissertação de dout. em Electrónica e Computação, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2004

Sensitivity and specificity of machine learning classifiers for glaucoma diagnosis using Spectral Domain OCT and standard automated perimetry

PURPOSE: To evaluate the sensitivity and specificity of machine learning classifiers (MLCs) for glaucoma diagnosis using Spectral Domain OCT (SD-OCT) and standard automated perimetry (SAP). METHODS: Observational cross-sectional study. Sixty two glaucoma patients and 48 healthy individuals were included. All patients underwent a complete ophthalmologic examination, achromatic standard automated perimetry (SAP) and retinal nerve fiber layer (RNFL) imaging with SD-OCT (Cirrus HD-OCT; Carl Zeiss Meditec Inc., Dublin, California). Receiver operating characteristic (ROC) curves were obtained for all SD-OCT parameters and global indices of SAP. Subsequently, the following MLCs were tested using parameters from the SD-OCT and SAP: Bagging (BAG), Naive-Bayes (NB), Multilayer Perceptron (MLP), Radial Basis Function (RBF), Random Forest (RAN), Ensemble Selection (ENS), Classification Tree (CTREE), Ada Boost M1(ADA),Support Vector Machine Linear (SVML) and Support Vector Machine Gaussian (SVMG). Areas under the receiver operating characteristic curves (aROC) obtained for isolated SAP and OCT parameters were compared with MLCs using OCT+SAP data. RESULTS: Combining OCT and SAP data, MLCs' aROCs varied from 0.777(CTREE) to 0.946 (RAN).The best OCT+SAP aROC obtained with RAN (0.946) was significantly larger the best single OCT parameter (p<0.05), but was not significantly different from the aROC obtained with the best single SAP parameter (p=0.19). CONCLUSION: Machine learning classifiers trained on OCT and SAP data can successfully discriminate between healthy and glaucomatous eyes. The combination of OCT and SAP measurements improved the diagnostic accuracy compared with OCT data alone.

CXTANNEAL: an improved program for estimating solute transport parameters

CXTANNEAL is a program for analysing contaminant transport in soils. The code, written in Fortran 77, is a modified version of CXTFIT, a commonly used package for estimating solute transport parameters in soils. The improvement of the present code is that it includes simulated annealing as the optimization technique for curve fitting. Tests with hypothetical data show that CXTANNEAL performs better than the original code in searching for optimal parameter estimates. To reduce the computational time, a parallel version of CXTANNEAL (CXTANNEAL_P) was also developed. (C) 1999 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

A data-mining based methodology for wind forecasting

In many countries the use of renewable energy is increasing due to the introduction of new energy and environmental policies. Thus, the focus on the efficient integration of renewable energy into electric power systems is becoming extremely important. Several European countries have already achieved high penetration of wind based electricity generation and are gradually evolving towards intensive use of this generation technology. The introduction of wind based generation in power systems poses new challenges for the power system operators. This is mainly due to the variability and uncertainty in weather conditions and, consequently, in the wind based generation. In order to deal with this uncertainty and to improve the power system efficiency, adequate wind forecasting tools must be used. This paper proposes a data-mining-based methodology for very short-term wind forecasting, which is suitable to deal with large real databases. The paper includes a case study based on a real database regarding the last three years of wind speed, and results for wind speed forecasting at 5 minutes intervals.

Neural-network approach to modeling liquid crystals in complex confinement

Finding the structure of a confined liquid crystal is a difficult task since both the density and order parameter profiles are nonuniform. Starting from a microscopic model and density-functional theory, one has to either (i) solve a nonlinear, integral Euler-Lagrange equation, or (ii) perform a direct multidimensional free energy minimization. The traditional implementations of both approaches are computationally expensive and plagued with convergence problems. Here, as an alternative, we introduce an unsupervised variant of the multilayer perceptron (MLP) artificial neural network for minimizing the free energy of a fluid of hard nonspherical particles confined between planar substrates of variable penetrability. We then test our algorithm by comparing its results for the structure (density-orientation profiles) and equilibrium free energy with those obtained by standard iterative solution of the Euler-Lagrange equations and with Monte Carlo simulation results. Very good agreement is found and the MLP method proves competitively fast, flexible, and refinable. Furthermore, it can be readily generalized to the richer experimental patterned-substrate geometries that are now experimentally realizable but very problematic to conventional theoretical treatments.

Supporting intra-task parallelism in real-time multiprocessor systems

Os sistemas de tempo real modernos geram, cada vez mais, cargas computacionais pesadas e dinâmicas, começando-se a tornar pouco expectável que sejam implementados em sistemas uniprocessador. Na verdade, a mudança de sistemas com um único processador para sistemas multi- processador pode ser vista, tanto no domínio geral, como no de sistemas embebidos, como uma forma eficiente, em termos energéticos, de melhorar a performance das aplicações. Simultaneamente, a proliferação das plataformas multi-processador transformaram a programação paralela num tópico de elevado interesse, levando o paralelismo dinâmico a ganhar rapidamente popularidade como um modelo de programação. A ideia, por detrás deste modelo, é encorajar os programadores a exporem todas as oportunidades de paralelismo através da simples indicação de potenciais regiões paralelas dentro das aplicações. Todas estas anotações são encaradas pelo sistema unicamente como sugestões, podendo estas serem ignoradas e substituídas, por construtores sequenciais equivalentes, pela própria linguagem. Assim, o modo como a computação é na realidade subdividida, e mapeada nos vários processadores, é da responsabilidade do compilador e do sistema computacional subjacente. Ao retirar este fardo do programador, a complexidade da programação é consideravelmente reduzida, o que normalmente se traduz num aumento de produtividade. Todavia, se o mecanismo de escalonamento subjacente não for simples e rápido, de modo a manter o overhead geral em níveis reduzidos, os benefícios da geração de um paralelismo com uma granularidade tão fina serão meramente hipotéticos. Nesta perspetiva de escalonamento, os algoritmos que empregam uma política de workstealing são cada vez mais populares, com uma eficiência comprovada em termos de tempo, espaço e necessidades de comunicação. Contudo, estes algoritmos não contemplam restrições temporais, nem outra qualquer forma de atribuição de prioridades às tarefas, o que impossibilita que sejam diretamente aplicados a sistemas de tempo real. Além disso, são tradicionalmente implementados no runtime da linguagem, criando assim um sistema de escalonamento com dois níveis, onde a previsibilidade, essencial a um sistema de tempo real, não pode ser assegurada. Nesta tese, é descrita a forma como a abordagem de work-stealing pode ser resenhada para cumprir os requisitos de tempo real, mantendo, ao mesmo tempo, os seus princípios fundamentais que tão bons resultados têm demonstrado. Muito resumidamente, a única fila de gestão de processos convencional (deque) é substituída por uma fila de deques, ordenada de forma crescente por prioridade das tarefas. De seguida, aplicamos por cima o conhecido algoritmo de escalonamento dinâmico G-EDF, misturamos as regras de ambos, e assim nasce a nossa proposta: o algoritmo de escalonamento RTWS. Tirando partido da modularidade oferecida pelo escalonador do Linux, o RTWS é adicionado como uma nova classe de escalonamento, de forma a avaliar na prática se o algoritmo proposto é viável, ou seja, se garante a eficiência e escalonabilidade desejadas. Modificar o núcleo do Linux é uma tarefa complicada, devido à complexidade das suas funções internas e às fortes interdependências entre os vários subsistemas. Não obstante, um dos objetivos desta tese era ter a certeza que o RTWS é mais do que um conceito interessante. Assim, uma parte significativa deste documento é dedicada à discussão sobre a implementação do RTWS e à exposição de situações problemáticas, muitas delas não consideradas em teoria, como é o caso do desfasamento entre vários mecanismo de sincronização. Os resultados experimentais mostram que o RTWS, em comparação com outro trabalho prático de escalonamento dinâmico de tarefas com restrições temporais, reduz significativamente o overhead de escalonamento através de um controlo de migrações, e mudanças de contexto, eficiente e escalável (pelo menos até 8 CPUs), ao mesmo tempo que alcança um bom balanceamento dinâmico da carga do sistema, até mesmo de uma forma não custosa. Contudo, durante a avaliação realizada foi detetada uma falha na implementação do RTWS, pela forma como facilmente desiste de roubar trabalho, o que origina períodos de inatividade, no CPU em questão, quando a utilização geral do sistema é baixa. Embora o trabalho realizado se tenha focado em manter o custo de escalonamento baixo e em alcançar boa localidade dos dados, a escalonabilidade do sistema nunca foi negligenciada. Na verdade, o algoritmo de escalonamento proposto provou ser bastante robusto, não falhando qualquer meta temporal nas experiências realizadas. Portanto, podemos afirmar que alguma inversão de prioridades, causada pela sub-política de roubo BAS, não compromete os objetivos de escalonabilidade, e até ajuda a reduzir a contenção nas estruturas de dados. Mesmo assim, o RTWS também suporta uma sub-política de roubo determinística: PAS. A avaliação experimental, porém, não ajudou a ter uma noção clara do impacto de uma e de outra. No entanto, de uma maneira geral, podemos concluir que o RTWS é uma solução promissora para um escalonamento eficiente de tarefas paralelas com restrições temporais.

Neural-network approach to modeling liquid crystals in complex confinement

Finding the structure of a confined liquid crystal is a difficult task since both the density and order parameter profiles are nonuniform. Starting from a microscopic model and density-functional theory, one has to either (i) solve a nonlinear, integral Euler-Lagrange equation, or (ii) perform a direct multidimensional free energy minimization. The traditional implementations of both approaches are computationally expensive and plagued with convergence problems. Here, as an alternative, we introduce an unsupervised variant of the multilayer perceptron (MLP) artificial neural network for minimizing the free energy of a fluid of hard nonspherical particles confined between planar substrates of variable penetrability. We then test our algorithm by comparing its results for the structure (density-orientation profiles) and equilibrium free energy with those obtained by standard iterative solution of the Euler-Lagrange equations and with Monte Carlo simulation results. Very good agreement is found and the MLP method proves competitively fast, flexible, and refinable. Furthermore, it can be readily generalized to the richer experimental patterned-substrate geometries that are now experimentally realizable but very problematic to conventional theoretical treatments.

A pattern language for parallelizing irregular algorithms

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática

Algorithms for information extraction and signal annotation on long-term biosignals using clustering techniques

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Urban land use and land cover change analysis and modeling a case study area Malatya, Turkey

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

Predicting market movement with Artificial Neural Networks

This paper presents an application of an Artificial Neural Network (ANN) to the prediction of stock market direction in the US. Using a multilayer perceptron neural network and a backpropagation algorithm for the training process, the model aims at learning the hidden patterns in the daily movement of the S&P500 to correctly identify if the market will be in a Trend Following or Mean Reversion behavior. The ANN is able to produce a successful investment strategy which outperforms the buy and hold strategy, but presents instability in its overall results which compromises its practical application in real life investment decisions.

Utilização de computação de elevado desempenho para a simulação de problemas de hidrodinâmica costeira

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil