Enhancing and developing the practical optimisation capabilities and intelligence of automatic design software

In the modern engineering design cycle the use of computational tools becomes a neces- sity. The complexity of the engineering systems under consideration for design increases dramatically as the demands for advanced and innovative design concepts and engineering products is expanding. At the same time the advancements in the available technology in terms of computational resources and power, as well as the intelligence of the design software, accommodate these demands and make them a viable approach towards the chal- lenge of real-world engineering problems. This class of design optimisation problems is by nature multi-disciplinary. In the present work we establish enhanced optimisation capabil- ities within the Nimrod/O tool for massively distributed execution of computational tasks through cluster and computational grid resources, and develop the potential to combine and benefit from all the possible available technological advancements, both software and hardware. We develop the interface between a Free Form Deformation geometry manage- ment in-house code with the 2D airfoil aerodynamic efficiency evaluation tool XFoil, and the well established multi-objective heuristic optimisation algorithm NSGA-II. A simple airfoil design problem has been defined to demonstrate the functionality of the design sys- tem, but also to accommodate a framework for future developments and testing with other state-of-the-art optimisation algorithms such as the Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA) and the Multi-Objective Tabu Search (MOTS) techniques. Ultimately, heav- ily computationally expensive industrial design cases can be realised within the presented framework that could not be investigated before. © 2012 by the authors. Published by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc.

Enhancing and developing the practical optimisation capabilities and intelligence of automatic design software

In the modern engineering design cycle the use of computational tools becomes a necessity. The complexity of the engineering systems under consideration for design increases dramatically as the demands for advanced and innovative design concepts and engineering products is expanding. At the same time the advancements in the available technology in terms of computational resources and power, as well as the intelligence of the design software, accommodate these demands and make them a viable approach towards the challenge of real-world engineering problems. This class of design optimisation problems is by nature multi-disciplinary. In the present work we establish enhanced optimisation capabilities within the Nimrod/O tool for massively distributed execution of computational tasks through cluster and computational grid resources, and develop the potential to combine and benefit from all the possible available technological advancements, both software and hardware. We develop the interface between a Free Form Deformation geometry management in-house code with the 2D airfoil aerodynamic efficiency evaluation tool XFoil, and the well established multi-objective heuristic optimisation algorithm NSGA-II. A simple airfoil design problem has been defined to demonstrate the functionality of the design system, but also to accommodate a framework for future developments and testing with other state-of-the-art optimisation algorithms such as the Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA) and the Multi-Objective Tabu Search (MOTS) techniques. Ultimately, heavily computationally expensive industrial design cases can be realised within the presented framework that could not be investigated before. ©2012 AIAA.

Can Graduating Students Design Software Systems?

Eckerdal, A. Ratcliffe, M. McCartney, R. Mostr?m, J.E. Zander, C. Can Graduating Students Design Software Systems? Proc. 37th SIGCSE Technical Symposium on Computer Science Education. 2006

Low genetic diversity in a marine nature reserve: re-evaluating diversity criteria in reserve design

Little consideration has been given to the genetic composition of populations associated with marine reserves, as reserve designation is generally to protect specific species, communities or habitats. Nevertheless, it is important to conserve genetic diversity since it provides the raw material for the maintenance of species diversity over longer, evolutionary time-scales and may also confer the basis for adaptation to environmental change. Many current marine reserves are small in size and isolated to some degree (e.g. sea loughs and offshore islands). While such features enable easier management, they may have important implications for the genetic structure of protected populations, the ability of populations to recover from local catastrophes and the potential for marine reserves to act as sources of propagules for surrounding areas. Here, we present a case study demonstrating genetic differentiation, isolation, inbreeding and reduced genetic diversity in populations of the dogwhelk Nucella lapillus in Lough Hyne Marine Nature Reserve (an isolated sea lough in southern Ireland), compared with populations on the local adjacent open coast and populations in England, Wales and France. Our study demonstrates that this sea lough is isolated from open coast populations, and highlights that there may be long-term genetic consequences of selecting reserves on the basis of isolation and ease of protection.

Performance evaluation of asphalt pavements using the Incremental-Recursive procedure of the Mechanistic-Empirical design software CalME

Il concetto di “sostenibilità” si riferisce allo sviluppo dei sistemi umani attraverso il più piccolo impatto possibile sul sistema ambientale. Le opere che si inseriscono bene nel contesto ambientale circostante e le pratiche che rispettano le risorse in maniera tale da permettere una crescita e uno sviluppo a lungo termine senza impattare sull’ambiente sono indispensabili in una società moderna. I progressi passati, presenti e futuri che hanno reso i conglomerati bituminosi materiali sostenibili dal punto di vista ambientale sono particolarmente importanti data la grande quantità di conglomerato usato annualmente in Europa e negli Stati Uniti. I produttori di bitume e di conglomerato bituminoso stanno sviluppando tecniche innovative per ridurre l’impatto ambientale senza compromettere le prestazioni meccaniche finali. Un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” (WMA), pur sviluppando le stesse caratteristiche meccaniche, richiede un temperatura di produzione minore rispetto a quella di un tradizionale conglomerato bituminoso a caldo (HMA). L’abbassamento della temperature di produzione riduce le emissioni nocive. Questo migliora le condizioni dei lavoratori ed è orientato verso uno sviluppo sostenibile. L’obbiettivo principale di questa tesi di laurea è quello di dimostrare il duplice valore sia dal punto di vista dell’eco-compatibilità sia dal punto di vista meccanico di questi conglomerati bituminosi ad “alta lavorabilità”. In particolare in questa tesi di laurea è stato studiato uno SMA ad “alta lavorabilità” (PGGWMA). L’uso di materiali a basso impatto ambientale è la prima fase verso un progetto ecocompatibile ma non può che essere il punto di partenza. L’approccio ecocompatibile deve essere esteso anche ai metodi di progetto e alla caratterizzazione di laboratorio dei materiali perché solo in questo modo è possibile ricavare le massime potenzialità dai materiali usati. Un’appropriata caratterizzazione del conglomerato bituminoso è fondamentale e necessaria per una realistica previsione delle performance di una pavimentazione stradale. La caratterizzazione volumetrica (Mix Design) e meccanica (Deformazioni Permanenti e Comportamento a fatica) di un conglomerato bituminoso è una fase importante. Inoltre, al fine di utilizzare correttamente i materiali, un metodo di progetto avanzato ed efficiente, come quello rappresentato da un approccio Empirico-Meccanicistico (ME), deve essere utilizzato. Una procedura di progetto Empirico-Meccanicistica consiste di un modello strutturale capace di prevedere gli stati di tensione e deformazione all’interno della pavimentazione sotto l’azione del traffico e in funzione delle condizioni atmosferiche e di modelli empirici, calibrati sul comportamento dei materiali, che collegano la risposta strutturale alle performance della pavimentazione. Nel 1996 in California, per poter effettivamente sfruttare i benefici dei continui progressi nel campo delle pavimentazioni stradali, fu iniziato un estensivo progetto di ricerca mirato allo sviluppo dei metodi di progetto Empirico - Meccanicistici per le pavimentazioni stradali. Il risultato finale fu la prima versione del software CalME che fornisce all’utente tre approcci diversi di l’analisi e progetto: un approccio Empirico, uno Empirico - Meccanicistico classico e un approccio Empirico - Meccanicistico Incrementale - Ricorsivo. Questo tesi di laurea si concentra sulla procedura Incrementale - Ricorsiva del software CalME, basata su modelli di danno per quanto riguarda la fatica e l’accumulo di deformazioni di taglio dai quali dipendono rispettivamente la fessurazione superficiale e le deformazioni permanenti nella pavimentazione. Tale procedura funziona per incrementi temporali successivi e, usando i risultati di ogni incremento temporale, ricorsivamente, come input dell’incremento temporale successivo, prevede le condizioni di una pavimentazione stradale per quanto riguarda il modulo complesso dei diversi strati, le fessurazioni superficiali dovute alla fatica, le deformazioni permanenti e la rugosità superficiale. Al fine di verificare le propreità meccaniche del PGGWMA e le reciproche relazioni in termini di danno a fatica e deformazioni permanenti tra strato superficiale e struttura della pavimentazione per fissate condizioni ambientali e di traffico, è stata usata la procedura Incrementale – Ricorsiva del software CalME. Il conglomerato bituminoso studiato (PGGWMA) è stato usato in una pavimentazione stradale come strato superficiale di 60 mm di spessore. Le performance della pavimentazione sono state confrontate a quelle della stessa pavimentazione in cui altri tipi di conglomerato bituminoso sono stati usati come strato superficiale. I tre tipi di conglomerato bituminoso usati come termini di paragone sono stati: un conglomerato bituminoso ad “alta lavorabilità” con granulometria “chiusa” non modificato (DGWMA), un conglomerato bituminoso modificato con polverino di gomma con granulometria “aperta” (GGRAC) e un conglomerato bituminoso non modificato con granulometria “chiusa” (DGAC). Nel Capitolo I è stato introdotto il problema del progetto ecocompatibile delle pavimentazioni stradali. I materiali a basso impatto ambientale come i conglomerati bituminosi ad “alta lavorabilità” e i conglomerati bituminosi modificati con polverino di gomma sono stati descritti in dettaglio. Inoltre è stata discussa l’importanza della caratterizzazione di laboratorio dei materiali e il valore di un metodo razionale di progetto delle pavimentazioni stradali. Nel Capitolo II sono stati descritti i diversi approcci progettuali utilizzabili con il CalME e in particolare è stata spiegata la procedura Incrementale – Ricorsiva. Nel Capitolo III sono state studiate le proprietà volumetriche e meccaniche del PGGWMA. Test di Fatica e di Deformazioni Permanenti, eseguiti rispettivamente con la macchina a fatica per flessione su quattro punti e il Simple Shear Test device (macchina di taglio semplice), sono stati effettuati su provini di conglomerato bituminoso e i risultati dei test sono stati riassunti. Attraverso questi dati di laboratorio, i parametri dei modelli della Master Curve, del danno a fatica e dell’accumulo di deformazioni di taglio usati nella procedura Incrementale – Ricorsiva del CalME sono stati valutati. Infine, nel Capitolo IV, sono stati presentati i risultati delle simulazioni di pavimentazioni stradali con diversi strati superficiali. Per ogni pavimentazione sono stati analizzati la fessurazione superficiale complessiva, le deformazioni permanenti complessive, il danno a fatica e la profondità delle deformazioni in ognuno degli stati legati.

Accounting for uncertainty in marine reserve design

Ecosystems and the species and communities within them are highly complex systems that defy predictions with any degree of certainty. Managing and conserving these systems in the face of uncertainty remains a daunting challenge, particularly with respect to developing networks of marine reserves. Here we review several modelling frameworks that explicitly acknowledge and incorporate uncertainty, and then use these methods to evaluate reserve spacing rules given increasing levels of uncertainty about larval dispersal distances. Our approach finds similar spacing rules as have been proposed elsewhere - roughly 20-200 km - but highlights several advantages provided by uncertainty modelling over more traditional approaches to developing these estimates. In particular, we argue that uncertainty modelling can allow for (1) an evaluation of the risk associated with any decision based on the assumed uncertainty; (2) a method for quantifying the costs and benefits of reducing uncertainty; and (3) a useful tool for communicating to stakeholders the challenges in managing highly uncertain systems. We also argue that incorporating rather than avoiding uncertainty will increase the chances of successfully achieving conservation and management goals.

Sensitivity of marine-reserve design to the spatial resolution of socioeconomic data

Socioeconomic considerations should have an important place in reserve design, Systematic reserve-selection tools allow simultaneous optimization for ecological objectives while minimizing costs but are seldom used to incorporate socioeconomic costs in the reserve-design process. The sensitivity of this process to biodiversity data resolution has been studied widely but the issue of socioeconomic data resolution has not previously been considered. We therefore designed marine reserves for biodiversity conservation with the constraint of minimizing commercial fishing revenue losses and investigated how economic data resolution affected the results. Incorporating coarse-resolution economic data from official statistics generated reserves that were only marginally less costly to the fishery than those designed with no attempt to minimize economic impacts. An intensive survey yielded fine-resolution data that, when incorporated in the design process, substantially reduced predicted fishery losses. Such an approach could help minimize fisher displacement because the least profitable grounds are selected for the reserve. Other work has shown that low-resolution biodiversity data can lead to underestimation of the conservation value of some sites, and a risk of overlooking the most valuable areas, and we have similarly shown that low-resolution economic data can cause underestimation of the profitability of some sites and a risk of inadvertently including these in the reserve. Detailed socioeconomic data are therefore an essential input for the design of cost-effective reserve networks.