The synergistic effect of operational research and big data analytics in greening container terminal operations: a review and future directions

Container Terminals (CTs) are continuously presented with highly interrelated, complex, and uncertain planning tasks. The ever-increasing intensity of operations at CTs in recent years has also resulted in increasing environmental concerns, and they are experiencing an unprecedented pressure to lower their emissions. Operational Research (OR), as a key player in the optimisation of the complex decision problems that arise from the quay and land side operations at CTs, has been therefore presented with new challenges and opportunities to incorporate environmental considerations into decision making and better utilise the ‘big data’ that is continuously generated from the never-stopping operations at CTs. The state-of-the-art literature on OR's incorporation of environmental considerations and its interplay with Big Data Analytics (BDA) is, however, still very much underdeveloped, fragmented, and divergent, and a guiding framework is completely missing. This paper presents a review of the most relevant developments in the field and sheds light on promising research opportunities for the better exploitation of the synergistic effect of the two disciplines in addressing CT operational problems, while incorporating uncertainty and environmental concerns efficiently. The paper finds that while OR has thus far contributed to improving the environmental performance of CTs (rather implicitly), this can be much further stepped up with more explicit incorporation of environmental considerations and better exploitation of BDA predictive modelling capabilities. New interdisciplinary research at the intersection of conventional CT optimisation problems, energy management and sizing, and net-zero technology and energy vectors adoption is also presented as a prominent line of future research

Past, Present, and Future of Simultaneous Localization And Mapping: Towards the Robust-Perception Age

Simultaneous Localization and Mapping (SLAM)consists in the concurrent construction of a model of the environment (the map), and the estimation of the state of the robot moving within it. The SLAM community has made astonishing progress over the last 30 years, enabling large-scale real-world applications, and witnessing a steady transition of this technology to industry. We survey the current state of SLAM. We start by presenting what is now the de-facto standard formulation for SLAM. We then review related work, covering a broad set of topics including robustness and scalability in long-term mapping, metric and semantic representations for mapping, theoretical performance guarantees, active SLAM and exploration, and other new frontiers. This paper simultaneously serves as a position paper and tutorial to those who are users of SLAM. By looking at the published research with a critical eye, we delineate open challenges and new research issues, that still deserve careful scientific investigation. The paper also contains the authors' take on two questions that often animate discussions during robotics conferences: Do robots need SLAM? and Is SLAM solved

Global stabilization of a reaction wheel pendulum: A discrete-inverse optimal formulation approach via a control lyapunov function

This paper deals with the global stabilization of the reaction wheel pendulum (RWP) in the discrete-time domain. The discrete-inverse optimal control approach via a control Lyapunov function (CLF) is employed to make the stabilization task. The main advantages of using this control methodology can be summarized as follows: (i) it guarantees exponential stability in closed-loop operation, and (ii) the inverse control law is optimal since it minimizes the cost functional of the system. Numerical simulations demonstrate that the RWP is stabilized with the discrete-inverse optimal control approach via a CLF with different settling times as a function of the control gains. Furthermore, parametric uncertainties and comparisons with nonlinear controllers such as passivity-based and Lyapunov-based approaches developed in the continuous-time domain have demonstrated the superiority of the proposed discrete control approach. All of these simulations have been implemented in the MATLAB software

Quasi second-order methods for PDE-constrained forward and inverse problems

La conception assistée par ordinateur (CAO), les effets visuels, la robotique et de nombreux autres domaines tels que la biologie computationnelle, le génie aérospatial, etc. reposent sur la résolution de problèmes mathématiques. Dans la plupart des cas, des méthodes de calcul sont utilisées pour résoudre ces problèmes. Le choix et la construction de la méthode de calcul ont un impact important sur les résultats et l'efficacité du calcul. La structure du problème peut être utilisée pour créer des méthodes, qui sont plus rapides et produisent des résultats qualitativement meilleurs que les méthodes qui n'utilisent pas la structure. Cette thèse présente trois articles avec trois nouvelles méthodes de calcul s'attaquant à des problèmes de simulation et d'optimisation contraints par des équations aux dérivées partielles (EDP). Dans le premier article, nous abordons le problème de la dissipation d'énergie des solveurs fluides courants dans les effets visuels. Les solveurs de fluides sont omniprésents dans la création d'effets dans les courts et longs métrages d'animation. Nous présentons un schéma d'intégration temporelle pour la dynamique des fluides incompressibles qui préserve mieux l'énergie comparé aux nombreuses méthodes précédentes. La méthode présentée présente une faible surcharge et peut être intégrée à un large éventail de méthodes existantes. L'amélioration de la conservation de l'énergie permet la création d'animations nettement plus dynamiques. Nous abordons ensuite la conception computationelle dont le but est d'exploiter l'outils computationnel dans le but d'améliorer le processus de conception. Plus précisément, nous examinons l'analyse de sensibilité, qui calcule les sensibilités du résultat de la simulation par rapport aux paramètres de conception afin d'optimiser automatiquement la conception. Dans ce contexte, nous présentons une méthode efficace de calcul de la direction de recherche de Gauss-Newton, en tirant parti des solveurs linéaires directs épars modernes. Notre méthode réduit considérablement le coût de calcul du processus d'optimisation pour une certaine classe de problèmes de conception inverse. Enfin, nous examinons l'optimisation de la topologie à l'aide de techniques d'apprentissage automatique. Nous posons deux questions : Pouvons-nous faire de l'optimisation topologique sans maillage et pouvons-nous apprendre un espace de solutions d'optimisation topologique. Nous appliquons des représentations neuronales implicites et obtenons des résultats structurellement sensibles pour l'optimisation topologique sans maillage en guidant le réseau neuronal pendant le processus d'optimisation et en adaptant les méthodes d'optimisation topologique par éléments finis. Notre méthode produit une représentation continue du champ de densité. De plus, nous présentons des espaces de solution appris en utilisant la représentation neuronale implicite.Computer-aided design (CAD), visual effects, robotics and many other fields such as computational biology, aerospace engineering etc. rely on the solution of mathematical problems. In most cases, computational methods are used to solve these problems. The choice and construction of the computational method has large impact on the results and the computational efficiency. The structure of the problem can be used to create methods, that are faster and produce qualitatively better results than methods that do not use the structure. This thesis presents three articles with three new computational methods tackling partial differential equation (PDE) constrained simulation and optimization problems. In the first article, we tackle the problem of energy dissipation of common fluid solvers in visual effects. Fluid solvers are ubiquitously used to create effects in animated shorts and feature films. We present a time integration scheme for incompressible fluid dynamics which preserves energy better than many previous methods. The presented method has low overhead and can be integrated into a wide range of existing methods. The improved energy conservation leads to noticeably more dynamic animations. We then move on to computational design whose goal is to harnesses computational techniques for the design process. Specifically, we look at sensitivity analysis, which computes the sensitivities of the simulation result with respect to the design parameters to automatically optimize the design. In this context, we present an efficient way to compute the Gauss-Newton search direction, leveraging modern sparse direct linear solvers. Our method reduces the computational cost of the optimization process greatly for a certain class of inverse design problems. Finally, we look at topology optimization using machine learning techniques. We ask two questions: Can we do mesh-free topology optimization and can we learn a space of topology optimization solutions. We apply implicit neural representations and obtain structurally sensible results for mesh-free topology optimization by guiding the neural network during optimization process and adapting methods from finite element based topology optimization. Our method produces a continuous representation of the density field. Additionally, we present learned solution spaces using the implicit neural representation

Stochastic Control for Cooperative Cyber-Physical Networking

Die stetig fortschreitende Digitalisierung erlaubt einen immer autonomeren und intelligenteren Betrieb von Produktions- und Fertigungslinien, was zu einer stärker werdenden Verzahnung der physikalischen Prozesse und der Software-Komponenten zum Überwachen, Steuern und Messen führt. Cyber-physische Systeme (CPS) spielen hierbei eine Schlüsselrolle, indem sie sowohl die physikalischen als auch die Software-Komponenten zu einem verteilten System zusammenfassen, innerhalb dessen Umgebungszustände, Messwerte und Steuerbefehle über ein Kommunikationsnetzwerk ausgetauscht werden. Die Verfügbarkeit von kostengünstigen Geräten und die Möglichkeit bereits existierende Infrastruktur zu nutzen sorgen dafür, dass auch innerhalb von CPS zunehmend auf den Einsatz von Standard-Netzen auf Basis von IEEE 802.3 (Ethernet) und IEEE 802.11 (WLAN) gesetzt wird. Nachteilig bei der Nutzung von Standard-Netzen sind jedoch auftretende Dienstgüte-Schwankungen, welche aus der gemeinsamen Nutzung der vorhandenen Infrastruktur resultieren und für die Endsysteme in Form von sich ändernden Latenzen und Daten- und Paketverlustraten sichtbar werden. Regelkreise sind besonders anfällig für Dienstgüte-Schwankungen, da sie typischerweise isochrone Datenübertragungen mit festen Latenzen benötigen, um die gewünschte Regelgüte zu garantieren. Für die Vernetzung der einzelnen Komponenten, das heißt von Sensorik, Aktorik und Regler, setzt man daher klassischerweise auf Lösungen, die diese Anforderungen erfüllen. Diese Lösungen sind jedoch relativ teuer und unflexibel, da sie den Einsatz von spezialisierten Netzwerken wie z.B. Feldbussen benötigen oder über komplexe, speziell entwickelte Kommunikationsprotokolle realisiert werden wie sie beispielsweise die Time-Sensitive Networking (TSN) Standards definieren. Die vorliegende Arbeit präsentiert Ergebnisse des interdisziplinären Forschungsprojekts CoCPN:Cooperative Cyber-Physical Networking, das ein anderes Konzept verfolgt und explizit auf CPS abzielt, die Standard-Netze einsetzen. CoCPN benutzt einen neuartigen, kooperativen Ansatz um i) die Elastizität von Regelkreisen innerhalb solcher CPS zu erhöhen, das heißt sie in die Lage zu versetzen, mit den auftretenden Dienstgüte-Schwankungen umzugehen, und ii) das Netzwerk über die Anforderungen der einzelnen Regler in Kenntnis zu setzen. Kern von CoCPN ist eine verteilte Architektur für CPS, welche es den einzelnen Regelkreisen ermöglicht, die verfügbare Kommunikations-Infrastruktur gemeinsam zu nutzen. Im Gegensatz zu den oben genannten Lösungen benötigt CoCPN dafür keine zentrale Instanz mit globaler Sicht auf das Kommunikationssystem, sodass eine enge Kopplung an die Anwendungen vermieden wird. Stattdessen setzt CoCPN auf eine lose Kopplung zwischen Netzwerk und Regelkreisen, realisiert in Form eines Austauschs von Meta-Daten über den sog. CoCPN-Translator. CoCPN implementiert ein Staukontrollverfahren, welches den typischen Zusammenhang zwischen erreichbarer Regelgüte und Senderate ausnutzt: die erreichbare Regelgüte steigt mit der Senderate und umgekehrt. Durch Variieren der zu erreichenden Regelgüte kann das Sendeverhalten der Regler so eingestellt werden, dass die vorhandenen Kommunikations-Ressourcen optimal ausgenutzt und gleichzeitig Stausituationen vermieden werden. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den regelungstechnischen Fragestellungen innerhalb von CoCPN. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Entwurf und der Analyse von Algorithmen, die auf Basis der über den CoCPN-Translator ausgetauschten Meta-Daten die notwendige Elastizität liefern und es dadurch den Reglern ermöglichen, schnell auf Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte zu reagieren. Dazu ist es notwendig, dass den Reglern ein Modell zur Verfügung gestellt wird, dass die Auswirkungen von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte erfasst. Im ersten Teil der Arbeit wird eine Erweiterung eines existierenden Modellierungs-Ansatzes vorgestellt, dessen Grundidee es ist, sowohl die Dynamik der Regelstrecke als auch den Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten durch ein hybrides System darzustellen. Hybride Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl kontinuierlich- als auch diskretwertige Zustandsvariablen besitzen. Unsere vorgestellte Erweiterung ist in der Lage, Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte abzubilden und ist nicht auf eine bestimmte probabilistische Darstellung der auftretenden Verzögerungen und Paketverluste beschränkt. Zusätzlich verzichtet unsere Erweiterung auf die in der Literatur übliche Annahme, dass Quittungen für empfangene Datenpakete stets fehlerfrei und mit vernachlässigbarer Latenz übertragen werden. Verglichen mit einem Großteil der verwandten Arbeiten, ermöglichen uns die genannten Eigenschaften daher eine realistischere Berücksichtigung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte. Mit dem entwickelten Modell kann der Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte prädiziert werden. Auf Basis dieser Prädiktion können Stellgrößen dann mit Methoden der stochastischen modellprädiktiven Regelung (stochastic model predictive control) berechnet werden. Unsere realistischere Betrachtung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte führt hierbei zu einer gegenseitigen Abhängigkeit von Regelung und Schätzung. Zur Berechnung der Stellgrößen muss der Regler den Zustand der Strecke aus den empfangenen Messungen schätzen. Die Qualität dieser Schätzungen hängt von den berechneten Stellgrößen und deren Auswirkung auf die Regelstrecke ab. Umgekehrt beeinflusst die Qualität der Schätzungen aber maßgeblich die Qualität der Stellgrößen: Ist der Schätzfehler gering, kann der Regler bessere Entscheidungen treffen. Diese gegenseitige Abhängigkeit macht die Berechnung von optimalen Stellgrößen unmöglich und bedingt daher die Fokussierung auf das Erforschen von approximativen Ansätzen. Im zweiten Teil dieser Arbeit stellen wir zwei neuartige Verfahren für die stochastische modellprädiktive Regelung über Netzwerke vor. Im ersten Verfahren nutzen wir aus, dass bei hybriden System oft sogenannte multiple model-Algorithmen zur Zustandsschätzung verwendet werden, welche den geschätzten Zustand in Form einer Gaußmischdichte repräsentieren. Auf Basis dieses Zusammenhangs und einer globalen Approximation der Kostenfunktion leiten wir einen Algorithmus mit geringer Komplexität zur Berechnung eines (suboptimalen) Regelgesetzes her. Dieses Regelgesetz ist nichtlinear und ergibt sich aus der gewichteten Kombination mehrerer unterlagerter Regelgesetze. Jedes dieser unterlagerten Regelgesetze lässt sich dabei als lineare Funktion genau einer der Komponenten der Gaußmischdichte darstellen. Unser zweites vorgestelltes Verfahren besitzt gegensätzliche Eigenschaften. Das resultierende Regelgesetz ist linear und basiert auf einer Approximation der Kostenfunktion, welche wir nur lokal, das heißt nur in der Umgebung einer erwarteten Trajektorie des geregelten Systems, berechnen. Diese Trajektorie wird hierbei durch die Prädiktion einer initialen Zustandsschätzung über den Optimierungshorizont gewonnen. Zur Berechnung des Regelgesetzes schlagen wir dann einen iterativen Algorithmus vor, welcher diese Approximation durch wiederholtes Optimieren der System-Trajektorie verbessert. Simulationsergebnisse zeigen, dass unsere neuartigen Verfahren eine signifikant höhere Regelgüte erzielen können als verwandte Ansätze aus der Literatur. Der dritte Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich erneut mit dem hybriden System aus dem ersten Teil. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Netzwerk-Modelle, das heißt die verwendeten probabilistischen Beschreibungen der Verzögerungen und Paketverluste, werden vom CoCPN-Translator auf Grundlage von im Netzwerk gesammelten Status-Informationen erzeugt. Diese Status-Informationen bilden jedoch stets nur Ausschnitte ab und können nie exakt den "Zustand” des Netzwerks repräsentieren. Dementsprechend können die resultierenden Netzwerk-Modelle nicht als fehlerfrei erachtet werden. In diesem Teil der Arbeit untersuchen wir daher den Einfluss möglicher Fehler in den Netzwerk-Modellen auf die zu erwartende Regelgüte. Weiterhin gehen wir der Frage nach der Existenz von Reglern, die robust gegenüber solchen Fehlern und Unsicherheiten sind, nach. Dazu zeigen wir zunächst, dass sich Fehler in den Netzwerk-Modellen immer als eine polytopische Parameter-Unsicherheit im hybriden System aus dem ersten Teil manifestieren. Für solche polytopischen hybride System leiten wir dann eine sowohl notwendige als auch hinreichende Stabilitätsbedingung her, was einen signifikanten Beitrag zur Theorie der hybriden Systeme darstellt. Die Auswertung dieser Bedingung erfordert es zu bestimmen, ob der gemeinsame Spektralradius (joint spectral radius) einer Menge von Matrizen kleiner als eins ist. Dieses Entscheidungsproblem ist bekanntermaßen NP-schwer, was die Anwendbarkeit der Stabilitätsbedingung stark limitiert. Daher präsentieren wir eine hinreichende Stabilitätsbedingung, die in polynomieller Zeit überprüft werden kann, da sie auf der Erfüllbarkeit von linearen Matrixungleichungen basiert. Schließlich zeigen wir, dass die Existenz eines Reglers, der die Stabilität des betrachteten polytopischen hybriden Systems garantiert, von der Erfüllbarkeit einer ähnlichen Menge von Matrixungleichungen bestimmt wird. Diese Ungleichungen sind weniger restriktiv als die bisher in der Literatur bekannten, was die Synthese von weniger konservativen Reglern erlaubt. Schließlich zeigen wir im letzten Teil dieser Arbeit die Anwendbarkeit des kooperativen Konzepts von CoCPN in Simulations-Szenarien, in denen stark ausgelastete Netzwerk-Ressourcen mit anderen Anwendungen geteilt werden müssen. Wir demonstrieren, dass insbesondere das Zusammenspiel unserer modellprädiktiven Verfahren mit dem Staukontrollverfahren von CoCPN einen zuverlässigen Betrieb der Regelkreise ohne unerwünschte Einbußen der Regelgüte auch dann ermöglicht, wenn sich die Kommunikationsbedingungen plötzlich und unvorhergesehen ändern. Insgesamt stellt unsere Arbeit somit einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einem flächendeckenden Einsatz von Standard-Netzen als flexible und adaptive Basis für industrielle CPS dar

Evolutionary squeaky wheel optimization: a new framework for analysis

Squeaky wheel optimization (SWO) is a relatively new metaheuristic that has been shown to be effective for many real-world problems. At each iteration SWO does a complete construction of a solution starting from the empty assignment. Although the construction uses information from previous iterations, the complete rebuilding does mean that SWO is generally effective at diversification but can suffer from a relatively weak intensification. Evolutionary SWO (ESWO) is a recent extension to SWO that is designed to improve the intensification by keeping the good components of solutions and only using SWO to reconstruct other poorer components of the solution. In such algorithms a standard challenge is to understand how the various parameters affect the search process. In order to support the future study of such issues, we propose a formal framework for the analysis of ESWO. The framework is based on Markov chains, and the main novelty arises because ESWO moves through the space of partial assignments. This makes it significantly different from the analyses used in local search (such as simulated annealing) which only move through complete assignments. Generally, the exact details of ESWO will depend on various heuristics; so we focus our approach on a case of ESWO that we call ESWO-II and that has probabilistic as opposed to heuristic selection and construction operators. For ESWO-II, we study a simple problem instance and explicitly compute the stationary distribution probability over the states of the search space. We find interesting properties of the distribution. In particular, we find that the probabilities of states generally, but not always, increase with their fitness. This nonmonotonocity is quite different from the monotonicity expected in algorithms such as simulated annealing