Variable-fidelity electromagnetic simulations and co-kriging for accurate modeling of antennas

Accurate and fast models are indispensable in contemporary antenna design. In this paper, we describe the low-cost antenna modeling methodology involving variable-fidelity electromagnetic (EM) simulations and co-Kriging. Our approach exploits sparsely sampled accurate (high-fidelity) EM data as well as densely sampled coarse-discretization (low-fidelity) EM simulations that are accommodated into one model using the co-Kriging technique. By using coarse-discretization simulations, the computational cost of creating the antenna model is greatly reduced compared to conventional approaches, where high-fidelity simulations are directly used to set up the model. At the same time, the modeling accuracy is not compromised. The proposed technique is demonstrated using three examples of antenna structures. Comparisons with conventional modeling based on high-fidelity data approximation, as well as applications for antenna design, are also discussed

Cost-efficient modeling of antenna structures using Gradient Enhanced Kriging

Reliable yet fast surrogate models are indispensable in the design of contemporary antenna structures. Data-driven models, e.g., based on Gaussian Processes or support-vector regression, offer sufficient flexibility and speed, however, their setup cost is large and grows very quickly with the dimensionality of the design space. In this paper, we propose cost-efficient modeling of antenna structures using Gradient-Enhanced Kriging. In our approach, the training data set contains, apart from the EM-simulation responses of the structure at hand, also derivative data at the respective training locations obtained at little extra cost using adjoint sensitivity techniques. We demonstrate that introduction of the derivative information into the model allows for considerable reduction of the model setup cost (in terms of the number of training points required) without compromising its predictive power. The Gradient-Enhanced Kriging technique is illustrated using a dielectric resonator antenna structure. Comparison with conventional Kriging interpolation is also provided

An adaptive neuro fuzzy inference system to model the uniaxial compressive strength of cemented hydraulic backfill

Purpose. The purpose of this paper is to develop the models for predicting the uniaxial compressive strength (UCS) of cemented hydraulic backfill (CHB), a widely used technique for filling underground voids created by mining operations as it provides the high strength required for safe and economical working environment and allows the use of waste rock from mining operations as well as tailings from mineral processing plants as ingredients. Methods. In this study, different modelling techniques such as conventional linear, nonlinear multiple regression and one of the evolving soft computing methods, adaptive neuro fuzzy inference system (ANFIS), were used for the prediction of UCS, the main criterion used to design backfill recipe. Findings. Statistical performance indices used to evaluate the efficiency of the developed models indicated that the ANFIS model can effectively be implemented for designing CHB with desired UCS. As proved by the performance indicators ANFIS model gives more compatible results with the expert opinion and current literature than conventional modelling techniques. Originality. In order to construct the models a very large database, containing more than 1600 UCS test results, was used. In addition to widely used conventional regression based modelling techniques, one of the evolving soft computing methods, ANFIS was employed. Numerical examples showing the implementation of constructed models were provided. Practical implementation. As proved by the statistical performance indicators, the developed models can be used for a reliable prediction of the UCS of CHB. However, more accurate results can be achieved by expanding the database and by constructing improved models using the algorithm presented in this paper.Мета. Побудова моделей для прогнозування межі міцності при одноосьовому стисканні цементної гідравлічної закладки для заповнення вироблених просторів шахт. Методика. Для досягнення поставленої мети були використані різні методи моделювання: лінійна та нелінійна множинна регресія, а також порівняно недавно став популярним метод програмування – адаптивне нейронечітке логічне виведення (ANFIS). За їх допомогою було спрогнозовано зміну міцності на одноосьове стискання, що є ключовим показником для визначення складу закладної суміші. Для побудови моделей використана значна база даних, яка включає результати більш ніж 1600 випробувань на одноосьове стискання. Лабораторними дослідженнями також визначалися властивості закладних матеріалів і суміші. Результати. Модель ANFIS дала найкращу продуктивність з урахуванням статистичних показників ефективності, таких як середня абсолютна процентна похибка і змінний обліковий запис. Статистичні показники продуктивності, які використовуються для оцінки ефективності розроблених моделей, свідчать, що моделювання за допомогою ANFIS дозволяє отримати результати, які більше відповідають експертній оцінці та даним з сучасної літератури, ніж інформація, отримана за допомогою традиційного моделювання. Встановлено, що на відміну від регресивного моделювання, ANFIS не вимагає заздалегідь визначених математичних рівнянь для взаємозв’язку між вхідними та вихідними змінними і використовує наданий набір даних для ефективного визначення структури моделі. Наукова новизна. Вперше для прогнозування міцності при одноосьовому стисканні були використані не лише традиційні способи моделювання, засновані на регресії, а й інноваційний метод програмування – адаптивне нейронечітке логічне виведення ANFIS. У статті наведені чисельні приклади впровадження нових побудованих моделей. Практична значимість. Статистичні індикатори продуктивності показали, що розроблені моделі можуть бути використані для надійного прогнозування міцності при одноосьовому стисканні й оптимальної рецептури закладної суміші. Однак, щоб отримати більш точні результати, необхідно мати більш широку базу даних і створити більш досконалі моделі на основі алгоритму, запропонованому в даній статті.Цель. Построение моделей для прогнозирования предела прочности при одноосном сжатии цементной гидравлической закладки для заполнения выработанных пространств шахт. Методика. Для достижения поставленной цели были использованы различные методы моделирования: линейная и нелинейная множественная регрессия, а также сравнительно недавно ставший популярным метод программирования – адаптивный нейронечеткий логический вывод (ANFIS). С их помощью было спрогнозировано изменение прочности на одноосное сжатие, что является ключевым показателем для определения состава закладочной смеси. Для построения моделей использована обширная база данных, которая включает результаты более чем 1600 испытаний на одноосное сжатие. Лабораторными исследованиями также определялись свойства закладочных материалов и смеси. Результаты. Модель ANFIS дала наилучшую производительность с учетом статистических показателей эффективности, таких как средняя абсолютная процентная погрешность и переменная учетная запись. Статистические показатели производительности, используемые для оценки эффективности разработанных моделей, свидетельствуют, что моделирование с помощью ANFIS позволяет получить результаты, которые более соответствуют экспертной оценке и данным из современной литературы, чем информация, полученная при помощи традиционного моделирования. Установлено, что в отличие от регрессионного моделирования, ANFIS не требует заранее определенных математических уравнений для взаимосвязи между входными и выходными переменными и использует предоставленный набор данных для эффективного определения структуры модели. Научная новизна. Впервые для прогнозирования прочности при одноосном сжатии были использованы не только традиционные способы моделирования, основанные на регрессии, но и инновационный метод программирования – адаптивный нейронечеткий логический вывод ANFIS. В статье приведены численные примеры внедрения новых построенных моделей. Практическая значимость. Статистические индикаторы производительности показали, что разработанные модели могут быть использованы для надежного прогнозирования прочности при одноосном сжатии и оптимальной рецептуры закладочной смеси. Однако, чтобы получить более точные результаты, необходимо иметь более широкую базу данных и создать более совершенные модели на основе алгоритма, предложенного в данной статье.The authors thank the staff and the managers of Jinfeng underground gold mine for their helps and cooperation during field and laboratory studies. The company is also acknowledged for the permission to use and publish the data

Meta-heuristic algorithms in car engine design: a literature survey

Meta-heuristic algorithms are often inspired by natural phenomena, including the evolution of species in Darwinian natural selection theory, ant behaviors in biology, flock behaviors of some birds, and annealing in metallurgy. Due to their great potential in solving difficult optimization problems, meta-heuristic algorithms have found their way into automobile engine design. There are different optimization problems arising in different areas of car engine management including calibration, control system, fault diagnosis, and modeling. In this paper we review the state-of-the-art applications of different meta-heuristic algorithms in engine management systems. The review covers a wide range of research, including the application of meta-heuristic algorithms in engine calibration, optimizing engine control systems, engine fault diagnosis, and optimizing different parts of engines and modeling. The meta-heuristic algorithms reviewed in this paper include evolutionary algorithms, evolution strategy, evolutionary programming, genetic programming, differential evolution, estimation of distribution algorithm, ant colony optimization, particle swarm optimization, memetic algorithms, and artificial immune system

Online Tool Condition Monitoring Based on Parsimonious Ensemble+

Accurate diagnosis of tool wear in metal turning process remains an open challenge for both scientists and industrial practitioners because of inhomogeneities in workpiece material, nonstationary machining settings to suit production requirements, and nonlinear relations between measured variables and tool wear. Common methodologies for tool condition monitoring still rely on batch approaches which cannot cope with a fast sampling rate of metal cutting process. Furthermore they require a retraining process to be completed from scratch when dealing with a new set of machining parameters. This paper presents an online tool condition monitoring approach based on Parsimonious Ensemble+, pENsemble+. The unique feature of pENsemble+ lies in its highly flexible principle where both ensemble structure and base-classifier structure can automatically grow and shrink on the fly based on the characteristics of data streams. Moreover, the online feature selection scenario is integrated to actively sample relevant input attributes. The paper presents advancement of a newly developed ensemble learning algorithm, pENsemble+, where online active learning scenario is incorporated to reduce operator labelling effort. The ensemble merging scenario is proposed which allows reduction of ensemble complexity while retaining its diversity. Experimental studies utilising real-world manufacturing data streams and comparisons with well known algorithms were carried out. Furthermore, the efficacy of pENsemble was examined using benchmark concept drift data streams. It has been found that pENsemble+ incurs low structural complexity and results in a significant reduction of operator labelling effort.Comment: this paper has been published by IEEE Transactions on Cybernetic

Evaluation of fuzzy inference systems using fuzzy least squares

Efforts to develop evaluation methods for fuzzy inference systems which are not based on crisp, quantitative data or processes (i.e., where the phenomenon the system is built to describe or control is inherently fuzzy) are just beginning. This paper suggests that the method of fuzzy least squares can be used to perform such evaluations. Regressing the desired outputs onto the inferred outputs can provide both global and local measures of success. The global measures have some value in an absolute sense, but they are particularly useful when competing solutions (e.g., different numbers of rules, different fuzzy input partitions) are being compared. The local measure described here can be used to identify specific areas of poor fit where special measures (e.g., the use of emphatic or suppressive rules) can be applied. Several examples are discussed which illustrate the applicability of the method as an evaluation tool