A demonstration of artificial dissipation effects in some finite volume solution methods for the Navier-Stokes equations

The artificial dissipation effects in some solutions obtained with a Navier-Stokes flow solver are demonstrated. The solvers were used to calculate the flow of an artificially dissipative fluid, which is a fluid having dissipative properties which arise entirely from the solution method itself. This was done by setting the viscosity and heat conduction coefficients in the Navier-Stokes solvers to zero everywhere inside the flow, while at the same time applying the usual no-slip and thermal conducting boundary conditions at solid boundaries. An artificially dissipative flow solution is found where the dissipation depends entirely on the solver itself. If the difference between the solutions obtained with the viscosity and thermal conductivity set to zero and their correct values is small, it is clear that the artificial dissipation is dominating and the solutions are unreliable.

Project management under uncertainty: a study on solution methods

Project Management involves onetime endeavors that demand for getting it right the first time. On the other hand, project scheduling, being one of the most modeled project management process stages, still faces a wide gap from theory to practice. Demanding computational models and their consequent call for simplification, divert the implementation of such models in project management tools from the actual day to day project management process. Special focus is being made to the robustness of the generated project schedules facing the omnipresence of uncertainty. An "easy" way out is to add, more or less cleverly calculated, time buffers that always result in project duration increase and correspondingly, in cost. A better approach to deal with uncertainty seems to be to explore slack that might be present in a given project schedule, a fortiori when a non-optimal schedule is used. The combination of such approach to recent advances in modeling resource allocation and scheduling techniques to cope with the increasing flexibility in resources, as can be expressed in "Flexible Resource Constraint Project Scheduling Problem" (FRCPSP) formulations, should be a promising line of research to generate more adequate project management tools. In reality, this approach has been frequently used, by project managers in an ad-hoc way.

Multidata inverse problems and Bayesian solution methods in astronomy

Statistical analyses of measurements that can be described by statistical models are of essence in astronomy and in scientific inquiry in general. The sensitivity of such analyses, modelling approaches, and the consequent predictions, is sometimes highly dependent on the exact techniques applied, and improvements therein can result in significantly better understanding of the observed system of interest. Particularly, optimising the sensitivity of statistical techniques in detecting the faint signatures of low-mass planets orbiting the nearby stars is, together with improvements in instrumentation, essential in estimating the properties of the population of such planets, and in the race to detect Earth-analogs, i.e. planets that could support liquid water and, perhaps, life on their surfaces. We review the developments in Bayesian statistical techniques applicable to detections planets orbiting nearby stars and astronomical data analysis problems in general. We also discuss these techniques and demonstrate their usefulness by using various examples and detailed descriptions of the respective mathematics involved. We demonstrate the practical aspects of Bayesian statistical techniques by describing several algorithms and numerical techniques, as well as theoretical constructions, in the estimation of model parameters and in hypothesis testing. We also apply these algorithms to Doppler measurements of nearby stars to show how they can be used in practice to obtain as much information from the noisy data as possible. Bayesian statistical techniques are powerful tools in analysing and interpreting noisy data and should be preferred in practice whenever computational limitations are not too restrictive.

Heuristic solution methods for multi-attribute vehicle routing problems

Le Problème de Tournées de Véhicules (PTV) est une clé importante pour gérér efficacement des systèmes logistiques, ce qui peut entraîner une amélioration du niveau de satisfaction de la clientèle. Ceci est fait en servant plus de clients dans un temps plus court. En terme général, il implique la planification des tournées d'une flotte de véhicules de capacité donnée basée à un ou plusieurs dépôts. Le but est de livrer ou collecter une certain quantité de marchandises à un ensemble des clients géographiquement dispersés, tout en respectant les contraintes de capacité des véhicules. Le PTV, comme classe de problèmes d'optimisation discrète et de grande complexité, a été étudié par de nombreux au cours des dernières décennies. Étant donné son importance pratique, des chercheurs dans les domaines de l'informatique, de la recherche opérationnelle et du génie industrielle ont mis au point des algorithmes très efficaces, de nature exacte ou heuristique, pour faire face aux différents types du PTV. Toutefois, les approches proposées pour le PTV ont souvent été accusées d'être trop concentrées sur des versions simplistes des problèmes de tournées de véhicules rencontrés dans des applications réelles. Par conséquent, les chercheurs sont récemment tournés vers des variantes du PTV qui auparavant étaient considérées trop difficiles à résoudre. Ces variantes incluent les attributs et les contraintes complexes observés dans les cas réels et fournissent des solutions qui sont exécutables dans la pratique. Ces extensions du PTV s'appellent Problème de Tournées de Véhicules Multi-Attributs (PTVMA). Le but principal de cette thèse est d'étudier les différents aspects pratiques de trois types de problèmes de tournées de véhicules multi-attributs qui seront modélisés dans celle-ci. En plus, puisque pour le PTV, comme pour la plupart des problèmes NP-complets, il est difficile de résoudre des instances de grande taille de façon optimale et dans un temps d'exécution raisonnable, nous nous tournons vers des méthodes approcheés à base d’heuristiques.

Meta-heuristic Solution Methods for Rich Vehicle Routing Problems

Le problème de tournées de véhicules (VRP), introduit par Dantzig and Ramser en 1959, est devenu l'un des problèmes les plus étudiés en recherche opérationnelle, et ce, en raison de son intérêt méthodologique et de ses retombées pratiques dans de nombreux domaines tels que le transport, la logistique, les télécommunications et la production. L'objectif général du VRP est d'optimiser l'utilisation des ressources de transport afin de répondre aux besoins des clients tout en respectant les contraintes découlant des exigences du contexte d’application. Les applications réelles du VRP doivent tenir compte d’une grande variété de contraintes et plus ces contraintes sont nombreuse, plus le problème est difficile à résoudre. Les VRPs qui tiennent compte de l’ensemble de ces contraintes rencontrées en pratique et qui se rapprochent des applications réelles forment la classe des problèmes ‘riches’ de tournées de véhicules. Résoudre ces problèmes de manière efficiente pose des défis considérables pour la communauté de chercheurs qui se penchent sur les VRPs. Cette thèse, composée de deux parties, explore certaines extensions du VRP vers ces problèmes. La première partie de cette thèse porte sur le VRP périodique avec des contraintes de fenêtres de temps (PVRPTW). Celui-ci est une extension du VRP classique avec fenêtres de temps (VRPTW) puisqu’il considère un horizon de planification de plusieurs jours pendant lesquels les clients n'ont généralement pas besoin d’être desservi à tous les jours, mais plutôt peuvent être visités selon un certain nombre de combinaisons possibles de jours de livraison. Cette généralisation étend l'éventail d'applications de ce problème à diverses activités de distributions commerciales, telle la collecte des déchets, le balayage des rues, la distribution de produits alimentaires, la livraison du courrier, etc. La principale contribution scientifique de la première partie de cette thèse est le développement d'une méta-heuristique hybride dans la quelle un ensemble de procédures de recherche locales et de méta-heuristiques basées sur les principes de voisinages coopèrent avec un algorithme génétique afin d’améliorer la qualité des solutions et de promouvoir la diversité de la population. Les résultats obtenus montrent que la méthode proposée est très performante et donne de nouvelles meilleures solutions pour certains grands exemplaires du problème. La deuxième partie de cette étude a pour but de présenter, modéliser et résoudre deux problèmes riches de tournées de véhicules, qui sont des extensions du VRPTW en ce sens qu'ils incluent des demandes dépendantes du temps de ramassage et de livraison avec des restrictions au niveau de la synchronization temporelle. Ces problèmes sont connus respectivement sous le nom de Time-dependent Multi-zone Multi-Trip Vehicle Routing Problem with Time Windows (TMZT-VRPTW) et de Multi-zone Mult-Trip Pickup and Delivery Problem with Time Windows and Synchronization (MZT-PDTWS). Ces deux problèmes proviennent de la planification des opérations de systèmes logistiques urbains à deux niveaux. La difficulté de ces problèmes réside dans la manipulation de deux ensembles entrelacés de décisions: la composante des tournées de véhicules qui vise à déterminer les séquences de clients visités par chaque véhicule, et la composante de planification qui vise à faciliter l'arrivée des véhicules selon des restrictions au niveau de la synchronisation temporelle. Auparavant, ces questions ont été abordées séparément. La combinaison de ces types de décisions dans une seule formulation mathématique et dans une même méthode de résolution devrait donc donner de meilleurs résultats que de considérer ces décisions séparément. Dans cette étude, nous proposons des solutions heuristiques qui tiennent compte de ces deux types de décisions simultanément, et ce, d'une manière complète et efficace. Les résultats de tests expérimentaux confirment la performance de la méthode proposée lorsqu’on la compare aux autres méthodes présentées dans la littérature. En effet, la méthode développée propose des solutions nécessitant moins de véhicules et engendrant de moindres frais de déplacement pour effectuer efficacement la même quantité de travail. Dans le contexte des systèmes logistiques urbains, nos résultats impliquent une réduction de la présence de véhicules dans les rues de la ville et, par conséquent, de leur impact négatif sur la congestion et sur l’environnement.

Solution Methods for Service Network Design with Resource Management Consideration

La gestion des ressources, équipements, équipes de travail, et autres, devrait être prise en compte lors de la conception de tout plan réalisable pour le problème de conception de réseaux de services. Cependant, les travaux de recherche portant sur la gestion des ressources et la conception de réseaux de services restent limités. La présente thèse a pour objectif de combler cette lacune en faisant l’examen de problèmes de conception de réseaux de services prenant en compte la gestion des ressources. Pour ce faire, cette thèse se décline en trois études portant sur la conception de réseaux. La première étude considère le problème de capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints(DBCMND). La structure multi-produits avec capacité sur les arcs du DBCMND, de même que ses contraintes design-balance, font qu’il apparaît comme sous-problème dans de nombreux problèmes reliés à la conception de réseaux de services, d’où l’intérêt d’étudier le DBCMND dans le contexte de cette thèse. Nous proposons une nouvelle approche pour résoudre ce problème combinant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et une procédure d’intensification de la recherche dans une région particulière de l’espace de solutions. Dans un premier temps la recherche tabou identifie de bonnes solutions réalisables. Ensuite la recomposition de chemin est utilisée pour augmenter le nombre de solutions réalisables. Les solutions trouvées par ces deux méta-heuristiques permettent d’identifier un sous-ensemble d’arcs qui ont de bonnes chances d’avoir un statut ouvert ou fermé dans une solution optimale. Le statut de ces arcs est alors fixé selon la valeur qui prédomine dans les solutions trouvées préalablement. Enfin, nous utilisons la puissance d’un solveur de programmation mixte en nombres entiers pour intensifier la recherche sur le problème restreint par le statut fixé ouvert/fermé de certains arcs. Les tests montrent que cette approche est capable de trouver de bonnes solutions aux problèmes de grandes tailles dans des temps raisonnables. Cette recherche est publiée dans la revue scientifique Journal of heuristics. La deuxième étude introduit la gestion des ressources au niveau de la conception de réseaux de services en prenant en compte explicitement le nombre fini de véhicules utilisés à chaque terminal pour le transport de produits. Une approche de solution faisant appel au slope-scaling, la génération de colonnes et des heuristiques basées sur une formulation en cycles est ainsi proposée. La génération de colonnes résout une relaxation linéaire du problème de conception de réseaux, générant des colonnes qui sont ensuite utilisées par le slope-scaling. Le slope-scaling résout une approximation linéaire du problème de conception de réseaux, d’où l’utilisation d’une heuristique pour convertir les solutions obtenues par le slope-scaling en solutions réalisables pour le problème original. L’algorithme se termine avec une procédure de perturbation qui améliore les solutions réalisables. Les tests montrent que l’algorithme proposé est capable de trouver de bonnes solutions au problème de conception de réseaux de services avec un nombre fixe des ressources à chaque terminal. Les résultats de cette recherche seront publiés dans la revue scientifique Transportation Science. La troisième étude élargie nos considérations sur la gestion des ressources en prenant en compte l’achat ou la location de nouvelles ressources de même que le repositionnement de ressources existantes. Nous faisons les hypothèses suivantes: une unité de ressource est nécessaire pour faire fonctionner un service, chaque ressource doit retourner à son terminal d’origine, il existe un nombre fixe de ressources à chaque terminal, et la longueur du circuit des ressources est limitée. Nous considérons les alternatives suivantes dans la gestion des ressources: 1) repositionnement de ressources entre les terminaux pour tenir compte des changements de la demande, 2) achat et/ou location de nouvelles ressources et leur distribution à différents terminaux, 3) externalisation de certains services. Nous présentons une formulation intégrée combinant les décisions reliées à la gestion des ressources avec les décisions reliées à la conception des réseaux de services. Nous présentons également une méthode de résolution matheuristique combinant le slope-scaling et la génération de colonnes. Nous discutons des performances de cette méthode de résolution, et nous faisons une analyse de l’impact de différentes décisions de gestion des ressources dans le contexte de la conception de réseaux de services. Cette étude sera présentée au XII International Symposium On Locational Decision, en conjonction avec XXI Meeting of EURO Working Group on Locational Analysis, Naples/Capri (Italy), 2014. En résumé, trois études différentes sont considérées dans la présente thèse. La première porte sur une nouvelle méthode de solution pour le "capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints". Nous y proposons une matheuristique comprenant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et l’optimisation exacte. Dans la deuxième étude, nous présentons un nouveau modèle de conception de réseaux de services prenant en compte un nombre fini de ressources à chaque terminal. Nous y proposons une matheuristique avancée basée sur la formulation en cycles comprenant le slope-scaling, la génération de colonnes, des heuristiques et l’optimisation exacte. Enfin, nous étudions l’allocation des ressources dans la conception de réseaux de services en introduisant des formulations qui modèlent le repositionnement, l’acquisition et la location de ressources, et l’externalisation de certains services. À cet égard, un cadre de solution slope-scaling développé à partir d’une formulation en cycles est proposé. Ce dernier comporte la génération de colonnes et une heuristique. Les méthodes proposées dans ces trois études ont montré leur capacité à trouver de bonnes solutions.

The constrained compartmentalized knapsack problem: mathematical models and solution methods

The constrained compartmentalized knapsack problem can be seen as an extension of the constrained knapsack problem. However, the items are grouped into different classes so that the overall knapsack has to be divided into compartments, and each compartment is loaded with items from the same class. Moreover, building a compartment incurs a fixed cost and a fixed loss of the capacity in the original knapsack, and the compartments are lower and upper bounded. The objective is to maximize the total value of the items loaded in the overall knapsack minus the cost of the compartments. This problem has been formulated as an integer non-linear program, and in this paper, we reformulate the non-linear model as an integer linear master problem with a large number of variables. Some heuristics based on the solution of the restricted master problem are investigated. A new and more compact integer linear model is also presented, which can be solved by a branch-and-bound commercial solver that found most of the optimal solutions for the constrained compartmentalized knapsack problem. On the other hand, heuristics provide good solutions with low computational effort. (C) 2011 Elsevier BM. All rights reserved.

On the car sequencing problem: analysis and solution methods

This work deals with the car sequencing (CS) problem, a combinatorial optimization problem for sequencing mixed-model assembly lines. The aim is to find a production sequence for different variants of a common base product, such that work overload of the respective line operators is avoided or minimized. The variants are distinguished by certain options (e.g., sun roof yes/no) and, therefore, require different processing times at the stations of the line. CS introduces a so-called sequencing rule H:N for each option, which restricts the occurrence of this option to at most H in any N consecutive variants. It seeks for a sequence that leads to no or a minimum number of sequencing rule violations. In this work, CS’ suitability for workload-oriented sequencing is analyzed. Therefore, its solution quality is compared in experiments to the related mixed-model sequencing problem. A new sequencing rule generation approach as well as a new lower bound for the problem are presented. Different exact and heuristic solution methods for CS are developed and their efficiency is shown in experiments. Furthermore, CS is adjusted and applied to a resequencing problem with pull-off tables.

The natural force density method for the shape finding of taut structures

This work presents, with the aid of the natural approach, an extension of the force density method for the initial shape finding of cable and membrane structures, which leads to the solution of a system of linear equations. This method, here called the natural force density method, preserves the linearity which characterizes the original force density method. At the same time, it overcomes the difficulties that the original procedure presents to cope with irregular triangular finite element meshes. Furthermore, if this method is applied iteratively in the lines prescribed herewith, it leads to a viable initial configuration with a uniform, isotropic plane Cauchy stress state. This means that a minimal surface for the membrane can be achieved through a succession of equilibrated configurations. Several numerical examples illustrate the simplicity and robustness of the method. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Fast, scalable master equation solution algorithms. IV. Lanczos iteration with diffusion approximation preconditioned iterative inversion

In this paper we propose a second linearly scalable method for solving large master equations arising in the context of gas-phase reactive systems. The new method is based on the well-known shift-invert Lanczos iteration using the GMRES iteration preconditioned using the diffusion approximation to the master equation to provide the inverse of the master equation matrix. In this way we avoid the cubic scaling of traditional master equation solution methods while maintaining the speed of a partial spectral decomposition. The method is tested using a master equation modeling the formation of propargyl from the reaction of singlet methylene with acetylene, proceeding through long-lived isomerizing intermediates. (C) 2003 American Institute of Physics.

Fast, scalable master equation solution algorithms. III. Direct time propagation accelerated by a diffusion approximation preconditioned iterative solver

In this paper we propose a novel fast and linearly scalable method for solving master equations arising in the context of gas-phase reactive systems, based on an existent stiff ordinary differential equation integrator. The required solution of a linear system involving the Jacobian matrix is achieved using the GMRES iteration preconditioned using the diffusion approximation to the master equation. In this way we avoid the cubic scaling of traditional master equation solution methods and maintain the low temperature robustness of numerical integration. The method is tested using a master equation modelling the formation of propargyl from the reaction of singlet methylene with acetylene, proceeding through long lived isomerizing intermediates. (C) 2003 American Institute of Physics.

Characterization of ZnO Nanorods Grown on GaN Using Aqueous Solution Method

Uniformly distributed ZnO nanorods with diameter 70-100 nm and 1-2μm long have been successfully grown at low temperatures on GaN by using the inexpensive aqueous solution method. The formation of the ZnO nanorods and the growth parameters are controlled by reactant concentration, temperature and pH. No catalyst is required. The XRD studies show that the ZnO nanorods are single crystals and that they grow along the c axis of the crystal plane. The room temperature photoluminescence measurements have shown ultraviolet peaks at 388nm with high intensity, which are comparable to those found in high quality ZnO films. The mechanism of the nanorod growth in the aqueous solution is proposed. The dependence of the ZnO nanorods on the growth parameters was also investigated. While changing the growth temperature from 60°C to 150°C, the morphology of the ZnO nanorods changed from sharp tip (needle shape) to flat tip (rod shape). These kinds of structure are useful in laser and field emission application.

Growth of ZnO Nanorods on GaN Using Aqueous Solution Method

Uniformly distributed ZnO nanorods with diameter 80-120 nm and 1-2µm long have been successfully grown at low temperatures on GaN by using the inexpensive aqueous solution method. The formation of the ZnO nanorods and the growth parameters are controlled by reactant concentration, temperature and pH. No catalyst is required. The XRD studies show that the ZnO nanorods are single crystals and that they grow along the c axis of the crystal plane. The room temperature photoluminescence measurements have shown ultraviolet peaks at 388nm with high intensity, which are comparable to those found in high quality ZnO films. The mechanism of the nanorod growth in the aqueous solution is proposed. The dependence of the ZnO nanorods on the growth parameters was also investigated. While changing the growth temperature from 60°C to 150°C, the morphology of the ZnO nanorods changed from sharp tip with high aspect ratio to flat tip with smaller aspect ratio. These kinds of structure are useful in laser and field emission application.

Self-consistent equilibrium calculation through a direct variational technique in tokamak plasmas

A self-consistent equilibrium calculation, valid for arbitrary aspect ratio tokamaks, is obtained through a direct variational technique that reduces the equilibrium solution, in general obtained from the 2D Grad-Shafranov equation, to a 1D problem in the radial flux coordinate rho. The plasma current profile is supposed to have contributions of the diamagnetic, Pfirsch-Schluter and the neoclassical ohmic and bootstrap currents. An iterative procedure is introduced into our code until the flux surface averaged toroidal current density (J(T)), converges to within a specified tolerance for a given pressure profile and prescribed boundary conditions. The convergence criterion is applied between the (J(T)) profile used to calculate the equilibrium through the variational procedure and the one that results from the equilibrium and given by the sum of all current components. The ohmic contribution is calculated from the neoclassical conductivity and from the self-consistently determined loop voltage in order to give the prescribed value of the total plasma current. The bootstrap current is estimated through the full matrix Hirshman-Sigmar model with the viscosity coefficients as proposed by Shaing, which are valid in all plasma collisionality regimes and arbitrary aspect ratios. The results of the self-consistent calculation are presented for the low aspect ratio tokamak Experimento Tokamak Esferico. A comparison among different models for the bootstrap current estimate is also performed and their possible Limitations to the self-consistent calculation is analysed.