On generating set index functions for randomized caches

Caches hide the growing latency of accesses to the main memory from the processor by storing the most recently used data on-chip. To limit the search time through the caches, they are organized in a direct mapped or set-associative way. Such an organization introduces many conflict misses that hamper performance. This paper studies randomizing set index functions, a technique to place the data in the cache in such a way that conflict misses are avoided. The performance of such a randomized cache strongly depends on the randomization function. This paper discusses a methodology to generate randomization functions that perform well over a broad range of benchmarks. The methodology uses profiling information to predict the conflict miss rate of randomization functions. Then, using this information, a search algorithm finds the best randomization function. Due to implementation issues, it is preferable to use a randomization function that is extremely simple and can be evaluated in little time. For these reasons, we use randomization functions where each randomized address bit is computed as the XOR of a subset of the original address bits. These functions are chosen such that they operate on as few address bits as possible and have few inputs to each XOR. This paper shows that to index a 2(m)-set cache, it suffices to randomize m+2 or m+3 address bits and to limit the number of inputs to each XOR to 2 bits to obtain the full potential of randomization. Furthermore, it is shown that the randomization function that we generate for one set of benchmarks also works well for an entirely different set of benchmarks. Using the described methodology, it is possible to reduce the implementation cost of randomization functions with only an insignificant loss in conflict reduction.

Radiochromic film spectroscopy of laser-accelerated proton beams using the FLUKA code and dosimetry traceable to primary standards

A new approach to spectroscopy of laser induced proton beams using radiochromic film (RCF) is presented. This approach allows primary standards of absorbed dose-to-water as used in radiotherapy to be transferred to the calibration of GafChromic HD-810 and EBT in a 29 MeV proton beam from the Birmingham cyclotron. These films were then irradiated in a common stack configuration using the TARANIS Nd:Glass multi-terawatt laser at Queens University Belfast, which can accelerate protons to 10-12 MeV, and a depth-dose curve was measured from a collimated beam. Previous work characterizing the relative effectiveness (RE) of GafChromic film as a function of energy was implemented into Monte Carlo depth-dose curves using FLUKA. A Bragg peak (BP) "library" for proton energies 0-15 MeV was generated, both with and without the RE function. These depth-response curves were iteratively summed in a FORTRAN routine to solve for the measured RCF depth-dose using a simple direct search algorithm. By comparing resultant spectra with both BP libraries, it was found that the effect of including the RE function accounted for an increase in the total number of protons by about 50%. To account for the energy loss due to a 20 mu m aluminum filter in front of the film stack, FLUKA was used to create a matrix containing the energy loss transformations for each individual energy bin. Multiplication by the pseudo-inverse of this matrix resulted in "up-shifting" protons to higher energies. Applying this correction to two laser shots gave further increases in the total number of protons, N of 31% and 56%. Failure to consider the relative response of RCF to lower proton energies and neglecting energy losses in a stack filter foil can potentially lead to significant underestimates of the total number of protons in RCF spectroscopy of the low energy protons produced by laser ablation of thin targets.

Anytime Marginal MAP Inference

This paper presents a new anytime algorithm for the marginal MAP problem in graphical models of bounded treewidth. We show asymptotic convergence and theoretical error bounds for any fixed step. Experiments show that it compares well to a state-of-the-art systematic search algorithm.

Differential evolution combined with clonal selection for dynamic economic dispatch

Dynamic economic load dispatch (DELD) is one of the most important steps in power system operation. Various optimisation algorithms for solving the problem have been developed; however, due to the non-convex characteristics and large dimensionality of the problem, it is necessary to explore new methods to further improve the dispatch results and minimise the costs. This article proposes a hybrid differential evolution (DE) algorithm, namely clonal selection-based differential evolution (CSDE), to solve the problem. CSDE is an artificial intelligence technique that can be applied to complex optimisation problems which are for example nonlinear, large scale, non-convex and discontinuous. This hybrid algorithm combines the clonal selection algorithm (CSA) as the local search technique to update the best individual in the population, which enhances the diversity of the solutions and prevents premature convergence in DE. Furthermore, we investigate four mutation operations which are used in CSA as the hyper-mutation operations. Finally, an efficient solution repair method is designed for DELD to satisfy the complicated equality and inequality constraints of the power system to guarantee the feasibility of the solutions. Two benchmark power systems are used to evaluate the performance of the proposed method. The experimental results show that the proposed CSDE/best/1 approach significantly outperforms nine other variants of CSDE and DE, as well as most other published methods, in terms of the quality of the solution and the convergence characteristics.

A Configurable Packet Classification Architecture for Software-Defined Networking

Network management tools must be able to monitor and analyze traffic flowing through network systems. According to the OpenFlow protocol applied in Software-Defined Networking (SDN), packets are classified into flows that are searched in flow tables. Further actions, such as packet forwarding, modification, and redirection to a group table, are made in the flow table with respect to the search results. A novel hardware solution for SDN-enabled packet classification is presented in this paper. The proposed scheme is focused on a label-based search method, achieving high flexibility in memory usage. The implemented hardware architecture provides optimal lookup performance by configuring the search algorithm and by performing fast incremental update as programmed the software controller.

Extremum estimators and stochastic optimization methods

Submitted in partial fulfillment for the Requirements for the Degree of PhD in Mathematics, in the Speciality of Statistics in the Faculdade de Ciências e Tecnologia

Bounds on edit metric codes with combinatorial DNA constraints

The design of a large and reliable DNA codeword library is a key problem in DNA based computing. DNA codes, namely sets of fixed length edit metric codewords over the alphabet {A, C, G, T}, satisfy certain combinatorial constraints with respect to biological and chemical restrictions of DNA strands. The primary constraints that we consider are the reverse--complement constraint and the fixed GC--content constraint, as well as the basic edit distance constraint between codewords. We focus on exploring the theory underlying DNA codes and discuss several approaches to searching for optimal DNA codes. We use Conway's lexicode algorithm and an exhaustive search algorithm to produce provably optimal DNA codes for codes with small parameter values. And a genetic algorithm is proposed to search for some sub--optimal DNA codes with relatively large parameter values, where we can consider their sizes as reasonable lower bounds of DNA codes. Furthermore, we provide tables of bounds on sizes of DNA codes with length from 1 to 9 and minimum distance from 1 to 9.

Generating Aesthetically Pleasing Images in a Virtual Environment using Particle Swarm Optimization

This research focuses on generating aesthetically pleasing images in virtual environments using the particle swarm optimization (PSO) algorithm. The PSO is a stochastic population based search algorithm that is inspired by the flocking behavior of birds. In this research, we implement swarms of cameras flying through a virtual world in search of an image that is aesthetically pleasing. Virtual world exploration using particle swarm optimization is considered to be a new research area and is of interest to both the scientific and artistic communities. Aesthetic rules such as rule of thirds, subject matter, colour similarity and horizon line are all analyzed together as a multi-objective problem to analyze and solve with rendered images. A new multi-objective PSO algorithm, the sum of ranks PSO, is introduced. It is empirically compared to other single-objective and multi-objective swarm algorithms. An advantage of the sum of ranks PSO is that it is useful for solving high-dimensional problems within the context of this research. Throughout many experiments, we show that our approach is capable of automatically producing images satisfying a variety of supplied aesthetic criteria.

Sequential Machine learning Approaches for Portfolio Management

Cette thèse envisage un ensemble de méthodes permettant aux algorithmes d'apprentissage statistique de mieux traiter la nature séquentielle des problèmes de gestion de portefeuilles financiers. Nous débutons par une considération du problème général de la composition d'algorithmes d'apprentissage devant gérer des tâches séquentielles, en particulier celui de la mise-à-jour efficace des ensembles d'apprentissage dans un cadre de validation séquentielle. Nous énumérons les desiderata que des primitives de composition doivent satisfaire, et faisons ressortir la difficulté de les atteindre de façon rigoureuse et efficace. Nous poursuivons en présentant un ensemble d'algorithmes qui atteignent ces objectifs et présentons une étude de cas d'un système complexe de prise de décision financière utilisant ces techniques. Nous décrivons ensuite une méthode générale permettant de transformer un problème de décision séquentielle non-Markovien en un problème d'apprentissage supervisé en employant un algorithme de recherche basé sur les K meilleurs chemins. Nous traitons d'une application en gestion de portefeuille où nous entraînons un algorithme d'apprentissage à optimiser directement un ratio de Sharpe (ou autre critère non-additif incorporant une aversion au risque). Nous illustrons l'approche par une étude expérimentale approfondie, proposant une architecture de réseaux de neurones spécialisée à la gestion de portefeuille et la comparant à plusieurs alternatives. Finalement, nous introduisons une représentation fonctionnelle de séries chronologiques permettant à des prévisions d'être effectuées sur un horizon variable, tout en utilisant un ensemble informationnel révélé de manière progressive. L'approche est basée sur l'utilisation des processus Gaussiens, lesquels fournissent une matrice de covariance complète entre tous les points pour lesquels une prévision est demandée. Cette information est utilisée à bon escient par un algorithme qui transige activement des écarts de cours (price spreads) entre des contrats à terme sur commodités. L'approche proposée produit, hors échantillon, un rendement ajusté pour le risque significatif, après frais de transactions, sur un portefeuille de 30 actifs.

Scheduled service network design for integrated planning of rail freight transportation

Cette thèse étudie une approche intégrant la gestion de l’horaire et la conception de réseaux de services pour le transport ferroviaire de marchandises. Le transport par rail s’articule autour d’une structure à deux niveaux de consolidation où l’affectation des wagons aux blocs ainsi que des blocs aux services représentent des décisions qui complexifient grandement la gestion des opérations. Dans cette thèse, les deux processus de consolidation ainsi que l’horaire d’exploitation sont étudiés simultanément. La résolution de ce problème permet d’identifier un plan d’exploitation rentable comprenant les politiques de blocage, le routage et l’horaire des trains, de même que l’habillage ainsi que l’affectation du traffic. Afin de décrire les différentes activités ferroviaires au niveau tactique, nous étendons le réseau physique et construisons une structure de réseau espace-temps comprenant trois couches dans lequel la dimension liée au temps prend en considération les impacts temporels sur les opérations. De plus, les opérations relatives aux trains, blocs et wagons sont décrites par différentes couches. Sur la base de cette structure de réseau, nous modélisons ce problème de planification ferroviaire comme un problème de conception de réseaux de services. Le modèle proposé se formule comme un programme mathématique en variables mixtes. Ce dernie r s’avère très difficile à résoudre en raison de la grande taille des instances traitées et de sa complexité intrinsèque. Trois versions sont étudiées : le modèle simplifié (comprenant des services directs uniquement), le modèle complet (comprenant des services directs et multi-arrêts), ainsi qu’un modèle complet à très grande échelle. Plusieurs heuristiques sont développées afin d’obtenir de bonnes solutions en des temps de calcul raisonnables. Premièrement, un cas particulier avec services directs est analysé. En considérant une cara ctéristique spécifique du problème de conception de réseaux de services directs nous développons un nouvel algorithme de recherche avec tabous. Un voisinage par cycles est privilégié à cet effet. Celui-ci est basé sur la distribution du flot circulant sur les blocs selon les cycles issus du réseau résiduel. Un algorithme basé sur l’ajustement de pente est développé pour le modèle complet, et nous proposons une nouvelle méthode, appelée recherche ellipsoidale, permettant d’améliorer davantage la qualité de la solution. La recherche ellipsoidale combine les bonnes solutions admissibles générées par l’algorithme d’ajustement de pente, et regroupe les caractéristiques des bonnes solutions afin de créer un problème élite qui est résolu de facon exacte à l’aide d’un logiciel commercial. L’heuristique tire donc avantage de la vitesse de convergence de l’algorithme d’ajustement de pente et de la qualité de solution de la recherche ellipsoidale. Les tests numériques illustrent l’efficacité de l’heuristique proposée. En outre, l’algorithme représente une alternative intéressante afin de résoudre le problème simplifié. Enfin, nous étudions le modèle complet à très grande échelle. Une heuristique hybride est développée en intégrant les idées de l’algorithme précédemment décrit et la génération de colonnes. Nous proposons une nouvelle procédure d’ajustement de pente où, par rapport à l’ancienne, seule l’approximation des couts liés aux services est considérée. La nouvelle approche d’ajustement de pente sépare ainsi les décisions associées aux blocs et aux services afin de fournir une décomposition naturelle du problème. Les résultats numériques obtenus montrent que l’algorithme est en mesure d’identifier des solutions de qualité dans un contexte visant la résolution d’instances réelles.

Incorporating complex cells into neural networks for pattern classification

Dans le domaine des neurosciences computationnelles, l'hypothèse a été émise que le système visuel, depuis la rétine et jusqu'au cortex visuel primaire au moins, ajuste continuellement un modèle probabiliste avec des variables latentes, à son flux de perceptions. Ni le modèle exact, ni la méthode exacte utilisée pour l'ajustement ne sont connus, mais les algorithmes existants qui permettent l'ajustement de tels modèles ont besoin de faire une estimation conditionnelle des variables latentes. Cela nous peut nous aider à comprendre pourquoi le système visuel pourrait ajuster un tel modèle; si le modèle est approprié, ces estimé conditionnels peuvent aussi former une excellente représentation, qui permettent d'analyser le contenu sémantique des images perçues. Le travail présenté ici utilise la performance en classification d'images (discrimination entre des types d'objets communs) comme base pour comparer des modèles du système visuel, et des algorithmes pour ajuster ces modèles (vus comme des densités de probabilité) à des images. Cette thèse (a) montre que des modèles basés sur les cellules complexes de l'aire visuelle V1 généralisent mieux à partir d'exemples d'entraînement étiquetés que les réseaux de neurones conventionnels, dont les unités cachées sont plus semblables aux cellules simples de V1; (b) présente une nouvelle interprétation des modèles du système visuels basés sur des cellules complexes, comme distributions de probabilités, ainsi que de nouveaux algorithmes pour les ajuster à des données; et (c) montre que ces modèles forment des représentations qui sont meilleures pour la classification d'images, après avoir été entraînés comme des modèles de probabilités. Deux innovations techniques additionnelles, qui ont rendu ce travail possible, sont également décrites : un algorithme de recherche aléatoire pour sélectionner des hyper-paramètres, et un compilateur pour des expressions mathématiques matricielles, qui peut optimiser ces expressions pour processeur central (CPU) et graphique (GPU).

Improving automation in model-driven engineering using examples

Cette thèse a pour but d’améliorer l’automatisation dans l’ingénierie dirigée par les modèles (MDE pour Model Driven Engineering). MDE est un paradigme qui promet de réduire la complexité du logiciel par l’utilisation intensive de modèles et des transformations automatiques entre modèles (TM). D’une façon simplifiée, dans la vision du MDE, les spécialistes utilisent plusieurs modèles pour représenter un logiciel, et ils produisent le code source en transformant automatiquement ces modèles. Conséquemment, l’automatisation est un facteur clé et un principe fondateur de MDE. En plus des TM, d’autres activités ont besoin d’automatisation, e.g. la définition des langages de modélisation et la migration de logiciels. Dans ce contexte, la contribution principale de cette thèse est de proposer une approche générale pour améliorer l’automatisation du MDE. Notre approche est basée sur la recherche méta-heuristique guidée par les exemples. Nous appliquons cette approche sur deux problèmes importants de MDE, (1) la transformation des modèles et (2) la définition précise de langages de modélisation. Pour le premier problème, nous distinguons entre la transformation dans le contexte de la migration et les transformations générales entre modèles. Dans le cas de la migration, nous proposons une méthode de regroupement logiciel (Software Clustering) basée sur une méta-heuristique guidée par des exemples de regroupement. De la même façon, pour les transformations générales, nous apprenons des transformations entre modèles en utilisant un algorithme de programmation génétique qui s’inspire des exemples des transformations passées. Pour la définition précise de langages de modélisation, nous proposons une méthode basée sur une recherche méta-heuristique, qui dérive des règles de bonne formation pour les méta-modèles, avec l’objectif de bien discriminer entre modèles valides et invalides. Les études empiriques que nous avons menées, montrent que les approches proposées obtiennent des bons résultats tant quantitatifs que qualitatifs. Ceux-ci nous permettent de conclure que l’amélioration de l’automatisation du MDE en utilisant des méthodes de recherche méta-heuristique et des exemples peut contribuer à l’adoption plus large de MDE dans l’industrie à là venir.

Policy Improvement for POMDPs Using Normalized Importance Sampling

We present a new method for estimating the expected return of a POMDP from experience. The estimator does not assume any knowle ge of the POMDP and allows the experience to be gathered with an arbitrary set of policies. The return is estimated for any new policy of the POMDP. We motivate the estimator from function-approximation and importance sampling points-of-view and derive its theoretical properties. Although the estimator is biased, it has low variance and the bias is often irrelevant when the estimator is used for pair-wise comparisons.We conclude by extending the estimator to policies with memory and compare its performance in a greedy search algorithm to the REINFORCE algorithm showing an order of magnitude reduction in the number of trials required.

Motion estimation through approximated densities

Many techniques are currently used for motion estimation. In the block-based approaches the most common procedure applied is the block-matching based on various algorithms. To refine the motion estimates resulting from the full search or any coarse search algorithm, one can find few applications of Kalman filtering, mainly in the intraframe scheme. The Kalman filtering technique applicability for block-based motion estimation is rather limited due to discontinuities in the dynamic behaviour of the motion vectors. Therefore, we propose an application of the concept of the filtering by approximated densities (FAD). The FAD, originally introduced to alleviate limitations due to conventional Kalman modelling, is applied to interframe block-motion estimation. This application uses a simple form of FAD involving statistical characteristics of multi-modal distributions up to second order.

Attention through self-synchronisation in the spiking neuron stochastic diffusion network

The paper discusses ensemble behaviour in the Spiking Neuron Stochastic Diffusion Network, SNSDN, a novel network exploring biologically plausible information processing based on higher order temporal coding. SNSDN was proposed as an alternative solution to the binding problem [1]. SNSDN operation resembles Stochastic Diffusin on Search, SDS, a non-deterministic search algorithm able to rapidly locate the best instantiation of a target pattern within a noisy search space ([3], [5]). In SNSDN, relevant information is encoded in the length of interspike intervals. Although every neuron operates in its own time, ‘attention’ to a pattern in the search space results in self-synchronised activity of a large population of neurons. When multiple patterns are present in the search space, ‘switching of at- tention’ results in a change of the synchronous activity. The qualitative effect of attention on the synchronicity of spiking behaviour in both time and frequency domain will be discussed.