A hierarchical decomposition approach for coordinated dispatch of plug-in electric vehicles

Plug-in electric vehicles (PEVs) are increasingly popular in the global trend of energy saving and environmental protection. However, the uncoordinated charging of numerous PEVs can produce significant negative impacts on the secure and economic operation of the power system concerned. In this context, a hierarchical decomposition approach is presented to coordinate the charging/discharging behaviors of PEVs. The major objective of the upper-level model is to minimize the total cost of system operation by jointly dispatching generators and electric vehicle aggregators (EVAs). On the other hand, the lower-level model aims at strictly following the dispatching instructions from the upper-level decision-maker by designing appropriate charging/discharging strategies for each individual PEV in a specified dispatching period. Two highly efficient commercial solvers, namely AMPL/IPOPT and AMPL/CPLEX, respectively, are used to solve the developed hierarchical decomposition model. Finally, a modified IEEE 118-bus testing system including 6 EVAs is employed to demonstrate the performance of the developed model and method.

HIERARCHICAL DECOMPOSITION OF MULTICLASS PROBLEMS

Several popular Machine Learning techniques are originally designed for the solution of two-class problems. However, several classification problems have more than two classes. One approach to deal with multiclass problems using binary classifiers is to decompose the multiclass problem into multiple binary sub-problems disposed in a binary tree. This approach requires a binary partition of the classes for each node of the tree, which defines the tree structure. This paper presents two algorithms to determine the tree structure taking into account information collected from the used dataset. This approach allows the tree structure to be determined automatically for any multiclass dataset.

Hierarchical Reconstruction Method for Solving Ill-posed Linear Inverse Problems

We present a detailed analysis of the application of a multi-scale Hierarchical Reconstruction method for solving a family of ill-posed linear inverse problems. When the observations on the unknown quantity of interest and the observation operators are known, these inverse problems are concerned with the recovery of the unknown from its observations. Although the observation operators we consider are linear, they are inevitably ill-posed in various ways. We recall in this context the classical Tikhonov regularization method with a stabilizing function which targets the specific ill-posedness from the observation operators and preserves desired features of the unknown. Having studied the mechanism of the Tikhonov regularization, we propose a multi-scale generalization to the Tikhonov regularization method, so-called the Hierarchical Reconstruction (HR) method. First introduction of the HR method can be traced back to the Hierarchical Decomposition method in Image Processing. The HR method successively extracts information from the previous hierarchical residual to the current hierarchical term at a finer hierarchical scale. As the sum of all the hierarchical terms, the hierarchical sum from the HR method provides an reasonable approximate solution to the unknown, when the observation matrix satisfies certain conditions with specific stabilizing functions. When compared to the Tikhonov regularization method on solving the same inverse problems, the HR method is shown to be able to decrease the total number of iterations, reduce the approximation error, and offer self control of the approximation distance between the hierarchical sum and the unknown, thanks to using a ladder of finitely many hierarchical scales. We report numerical experiments supporting our claims on these advantages the HR method has over the Tikhonov regularization method.

Distributed optimization in power networks and general multi-agent systems

The dissertation studies the general area of complex networked systems that consist of interconnected and active heterogeneous components and usually operate in uncertain environments and with incomplete information. Problems associated with those systems are typically large-scale and computationally intractable, yet they are also very well-structured and have features that can be exploited by appropriate modeling and computational methods. The goal of this thesis is to develop foundational theories and tools to exploit those structures that can lead to computationally-efficient and distributed solutions, and apply them to improve systems operations and architecture.

Specifically, the thesis focuses on two concrete areas. The first one is to design distributed rules to manage distributed energy resources in the power network. The power network is undergoing a fundamental transformation. The future smart grid, especially on the distribution system, will be a large-scale network of distributed energy resources (DERs), each introducing random and rapid fluctuations in power supply, demand, voltage and frequency. These DERs provide a tremendous opportunity for sustainability, efficiency, and power reliability. However, there are daunting technical challenges in managing these DERs and optimizing their operation. The focus of this dissertation is to develop scalable, distributed, and real-time control and optimization to achieve system-wide efficiency, reliability, and robustness for the future power grid. In particular, we will present how to explore the power network structure to design efficient and distributed market and algorithms for the energy management. We will also show how to connect the algorithms with physical dynamics and existing control mechanisms for real-time control in power networks.

The second focus is to develop distributed optimization rules for general multi-agent engineering systems. A central goal in multiagent systems is to design local control laws for the individual agents to ensure that the emergent global behavior is desirable with respect to the given system level objective. Ideally, a system designer seeks to satisfy this goal while conditioning each agent’s control on the least amount of information possible. Our work focused on achieving this goal using the framework of game theory. In particular, we derived a systematic methodology for designing local agent objective functions that guarantees (i) an equivalence between the resulting game-theoretic equilibria and the system level design objective and (ii) that the resulting game possesses an inherent structure that can be exploited for distributed learning, e.g., potential games. The control design can then be completed by applying any distributed learning algorithm that guarantees convergence to the game-theoretic equilibrium. One main advantage of this game theoretic approach is that it provides a hierarchical decomposition between the decomposition of the systemic objective (game design) and the specific local decision rules (distributed learning algorithms). This decomposition provides the system designer with tremendous flexibility to meet the design objectives and constraints inherent in a broad class of multiagent systems. Furthermore, in many settings the resulting controllers will be inherently robust to a host of uncertainties including asynchronous clock rates, delays in information, and component failures.

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.

Groupage et protection du trafic dynamique dans les réseaux WDM

Avec les nouvelles technologies des réseaux optiques, une quantité de données de plus en plus grande peut être transportée par une seule longueur d'onde. Cette quantité peut atteindre jusqu’à 40 gigabits par seconde (Gbps). Les flots de données individuels quant à eux demandent beaucoup moins de bande passante. Le groupage de trafic est une technique qui permet l'utilisation efficace de la bande passante offerte par une longueur d'onde. Elle consiste à assembler plusieurs flots de données de bas débit en une seule entité de données qui peut être transporté sur une longueur d'onde. La technique demultiplexage en longueurs d'onde (Wavelength Division Multiplexing WDM) permet de transporter plusieurs longueurs d'onde sur une même fibre. L'utilisation des deux techniques : WDM et groupage de trafic, permet de transporter une quantité de données de l'ordre de terabits par seconde (Tbps) sur une même fibre optique. La protection du trafic dans les réseaux optiques devient alors une opération très vitale pour ces réseaux, puisqu'une seule panne peut perturber des milliers d'utilisateurs et engendre des pertes importantes jusqu'à plusieurs millions de dollars à l'opérateur et aux utilisateurs du réseau. La technique de protection consiste à réserver une capacité supplémentaire pour acheminer le trafic en cas de panne dans le réseau. Cette thèse porte sur l'étude des techniques de groupage et de protection du trafic en utilisant les p-cycles dans les réseaux optiques dans un contexte de trafic dynamique. La majorité des travaux existants considère un trafic statique où l'état du réseau ainsi que le trafic sont donnés au début et ne changent pas. En plus, la majorité de ces travaux utilise des heuristiques ou des méthodes ayant de la difficulté à résoudre des instances de grande taille. Dans le contexte de trafic dynamique, deux difficultés majeures s'ajoutent aux problèmes étudiés, à cause du changement continuel du trafic dans le réseau. La première est due au fait que la solution proposée à la période précédente, même si elle est optimisée, n'est plus nécessairement optimisée ou optimale pour la période courante, une nouvelle optimisation de la solution au problème est alors nécessaire. La deuxième difficulté est due au fait que la résolution du problème pour une période donnée est différente de sa résolution pour la période initiale à cause des connexions en cours dans le réseau qui ne doivent pas être trop dérangées à chaque période de temps. L'étude faite sur la technique de groupage de trafic dans un contexte de trafic dynamique consiste à proposer différents scénarios pour composer avec ce type de trafic, avec comme objectif la maximisation de la bande passante des connexions acceptées à chaque période de temps. Des formulations mathématiques des différents scénarios considérés pour le problème de groupage sont proposées. Les travaux que nous avons réalisés sur le problème de la protection considèrent deux types de p-cycles, ceux protégeant les liens (p-cycles de base) et les FIPP p-cycles (p-cycles protégeant les chemins). Ces travaux ont consisté d’abord en la proposition de différents scénarios pour gérer les p-cycles de protection dans un contexte de trafic dynamique. Ensuite, une étude sur la stabilité des p-cycles dans un contexte de trafic dynamique a été faite. Des formulations de différents scénarios ont été proposées et les méthodes de résolution utilisées permettent d’aborder des problèmes de plus grande taille que ceux présentés dans la littérature. Nous nous appuyons sur la méthode de génération de colonnes pour énumérer implicitement les cycles les plus prometteurs. Dans l'étude des p-cycles protégeant les chemins ou FIPP p-cycles, nous avons proposé des formulations pour le problème maître et le problème auxiliaire. Nous avons utilisé une méthode de décomposition hiérarchique du problème qui nous permet d'obtenir de meilleurs résultats dans un temps raisonnable. Comme pour les p-cycles de base, nous avons étudié la stabilité des FIPP p-cycles dans un contexte de trafic dynamique. Les travaux montrent que dépendamment du critère d'optimisation, les p-cycles de base (protégeant les liens) et les FIPP p-cycles (protégeant les chemins) peuvent être très stables.

Domain/Multi-Domain Protection and Provisioning in Optical Networks

L’évolution récente des commutateurs de sélection de longueurs d’onde (WSS -Wavelength Selective Switch) favorise le développement du multiplexeur optique d’insertionextraction reconfigurable (ROADM - Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers) à plusieurs degrés sans orientation ni coloration, considéré comme un équipement fort prometteur pour les réseaux maillés du futur relativement au multiplexage en longueur d’onde (WDM -Wavelength Division Multiplexing ). Cependant, leur propriété de commutation asymétrique complique la question de l’acheminement et de l’attribution des longueur d’ondes (RWA - Routing andWavelength Assignment). Or la plupart des algorithmes de RWA existants ne tiennent pas compte de cette propriété d’asymétrie. L’interruption des services causée par des défauts d’équipements sur les chemins optiques (résultat provenant de la résolution du problème RWA) a pour conséquence la perte d’une grande quantité de données. Les recherches deviennent ainsi incontournables afin d’assurer la survie fonctionnelle des réseaux optiques, à savoir, le maintien des services, en particulier en cas de pannes d’équipement. La plupart des publications antérieures portaient particulièrement sur l’utilisation d’un système de protection permettant de garantir le reroutage du trafic en cas d’un défaut d’un lien. Cependant, la conception de la protection contre le défaut d’un lien ne s’avère pas toujours suffisante en termes de survie des réseaux WDM à partir de nombreux cas des autres types de pannes devenant courant de nos jours, tels que les bris d’équipements, les pannes de deux ou trois liens, etc. En outre, il y a des défis considérables pour protéger les grands réseaux optiques multidomaines composés de réseaux associés à un domaine simple, interconnectés par des liens interdomaines, où les détails topologiques internes d’un domaine ne sont généralement pas partagés à l’extérieur. La présente thèse a pour objectif de proposer des modèles d’optimisation de grande taille et des solutions aux problèmes mentionnés ci-dessus. Ces modèles-ci permettent de générer des solutions optimales ou quasi-optimales avec des écarts d’optimalité mathématiquement prouvée. Pour ce faire, nous avons recours à la technique de génération de colonnes afin de résoudre les problèmes inhérents à la programmation linéaire de grande envergure. Concernant la question de l’approvisionnement dans les réseaux optiques, nous proposons un nouveau modèle de programmation linéaire en nombres entiers (ILP - Integer Linear Programming) au problème RWA afin de maximiser le nombre de requêtes acceptées (GoS - Grade of Service). Le modèle résultant constitue celui de l’optimisation d’un ILP de grande taille, ce qui permet d’obtenir la solution exacte des instances RWA assez grandes, en supposant que tous les noeuds soient asymétriques et accompagnés d’une matrice de connectivité de commutation donnée. Ensuite, nous modifions le modèle et proposons une solution au problème RWA afin de trouver la meilleure matrice de commutation pour un nombre donné de ports et de connexions de commutation, tout en satisfaisant/maximisant la qualité d’écoulement du trafic GoS. Relativement à la protection des réseaux d’un domaine simple, nous proposons des solutions favorisant la protection contre les pannes multiples. En effet, nous développons la protection d’un réseau d’un domaine simple contre des pannes multiples, en utilisant les p-cycles de protection avec un chemin indépendant des pannes (FIPP - Failure Independent Path Protecting) et de la protection avec un chemin dépendant des pannes (FDPP - Failure Dependent Path-Protecting). Nous proposons ensuite une nouvelle formulation en termes de modèles de flots pour les p-cycles FDPP soumis à des pannes multiples. Le nouveau modèle soulève un problème de taille, qui a un nombre exponentiel de contraintes en raison de certaines contraintes d’élimination de sous-tour. Par conséquent, afin de résoudre efficacement ce problème, on examine : (i) une décomposition hiérarchique du problème auxiliaire dans le modèle de décomposition, (ii) des heuristiques pour gérer efficacement le grand nombre de contraintes. À propos de la protection dans les réseaux multidomaines, nous proposons des systèmes de protection contre les pannes d’un lien. Tout d’abord, un modèle d’optimisation est proposé pour un système de protection centralisée, en supposant que la gestion du réseau soit au courant de tous les détails des topologies physiques des domaines. Nous proposons ensuite un modèle distribué de l’optimisation de la protection dans les réseaux optiques multidomaines, une formulation beaucoup plus réaliste car elle est basée sur l’hypothèse d’une gestion de réseau distribué. Ensuite, nous ajoutons une bande pasiv sante partagée afin de réduire le coût de la protection. Plus précisément, la bande passante de chaque lien intra-domaine est partagée entre les p-cycles FIPP et les p-cycles dans une première étude, puis entre les chemins pour lien/chemin de protection dans une deuxième étude. Enfin, nous recommandons des stratégies parallèles aux solutions de grands réseaux optiques multidomaines. Les résultats de l’étude permettent d’élaborer une conception efficace d’un système de protection pour un très large réseau multidomaine (45 domaines), le plus large examiné dans la littérature, avec un système à la fois centralisé et distribué.

Building binary-tree-based multiclass classifiers using separability measures

Various popular machine learning techniques, like support vector machines, are originally conceived for the solution of two-class (binary) classification problems. However, a large number of real problems present more than two classes. A common approach to generalize binary learning techniques to solve problems with more than two classes, also known as multiclass classification problems, consists of hierarchically decomposing the multiclass problem into multiple binary sub-problems, whose outputs are combined to define the predicted class. This strategy results in a tree of binary classifiers, where each internal node corresponds to a binary classifier distinguishing two groups of classes and the leaf nodes correspond to the problem classes. This paper investigates how measures of the separability between classes can be employed in the construction of binary-tree-based multiclass classifiers, adapting the decompositions performed to each particular multiclass problem. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Fiedler trees for multiscale surface analysis

In this work we introduce a new hierarchical surface decomposition method for multiscale analysis of surface meshes. In contrast to other multiresolution methods, our approach relies on spectral properties of the surface to build a binary hierarchical decomposition. Namely, we utilize the first nontrivial eigenfunction of the Laplace-Beltrami operator to recursively decompose the surface. For this reason we coin our surface decomposition the Fiedler tree. Using the Fiedler tree ensures a number of attractive properties, including: mesh-independent decomposition, well-formed and nearly equi-areal surface patches, and noise robustness. We show how the evenly distributed patches can be exploited for generating multiresolution high quality uniform meshes. Additionally, our decomposition permits a natural means for carrying out wavelet methods, resulting in an intuitive method for producing feature-sensitive meshes at multiple scales. Published by Elsevier Ltd.

A REACHABILITY TREE FOR STATECHARTS AND ANALYSIS OF SOME PROPERTIES

Statecharts are an extension to finite state machines with capability for expressing hierarchical decomposition and parallelism. They also have a mechanism called history, to remember the last visit to a superstate. An algorithm to create a reachability tree for statecharts is presented. Also shown is how to use this tree to analyse dynamic properties of statecharts; reachability from any state configuration, usage of transitions, reinitiability, deadlocks, and valid sequence of events. Owing to its powerful notation, building a reachability tree for statecharts presents some difficulties, and we show how these problems were solved in the tree we propose.

The stability of P in coral reef fishes

The constancy of phenotypic variation and covariation is an assumption that underlies most recent investigations of past selective regimes and attempts to predict future responses to selection. Few studies have tested this assumption of constancy despite good reasons to expect that the pattern of phenotypic variation and covariation may vary in space and time. We compared phenotypic variance-covariance matrices (P) estimated for Populations of six species of distantly related coral reef fishes sampled at two locations on Australia's Great Barrier Reef separated by more than 1000 km. The intraspecific similarity between these matrices was estimated using two methods: matrix correlation and common principal component analysis. Although there was no evidence of equality between pairs of P, both statistical approaches indicated a high degree of similarity in morphology between the two populations for each species. In general, the hierarchical decomposition of the variance-covariance structure of these populations indicated that all principal components of phenotypic variance-covariance were shared but that they differed in the degree of variation associated with each of these components. The consistency of this pattern is remarkable given the diversity of morphologies and life histories encompassed by these species. Although some phenotypic instability was indicated, these results were consistent with a generally conserved pattern of multivariate selection between populations.

An expert model approach to assess the potential of non-wood forest products for forest owners

Mestrado em Engenharia Florestal e dos Recursos Naturais - Instituto Superior de Agronomia - UL

Hierarchical demand response using dantzig-wolfe decomposition

Demand Side Management (DSM) programmes are designed to shift electrical loads from peak times. Demand Response (DR) algorithms automate this process for controllable loads. DR can be implemented explicitly in terms of Peak to Average Ratio Reduction (PARR), in which case the maximum peak load is minimised over a prediction horizon by manipulating the amount of energy given to controllable loads at different times. A hierarchical predictive PARR algorithm is presented here based on Dantzig-Wolfe decomposition. © 2013 IEEE.

Hierarchical Demand Response for Peak Reduction using Dantzig‐Wolfe Decomposition

Demand Response (DR) algorithms manipulate the energy consumption schedules of controllable loads so as to satisfy grid objectives. Implementation of DR algorithms using a centralised agent can be problematic for scalability reasons, and there are issues related to the privacy of data and robustness to communication failures. Thus it is desirable to use a scalable decentralised algorithm for the implementation of DR. In this paper, a hierarchical DR scheme is proposed for Peak Minimisation (PM) based on Dantzig-Wolfe Decomposition (DWD). In addition, a Time Weighted Maximisation option is included in the cost function which improves the Quality of Service for devices seeking to receive their desired energy sooner rather than later. The paper also demonstrates how the DWD algorithm can be implemented more efficiently through the calculation of the upper and lower cost bounds after each DWD iteration.