Development of an Optimization Framework for the Design of High Speed Planing Craft

High speed planing craft play key roles in supporting several critical maritime activities, e.g., coastal surveillance, reconnaissance, life-saving operations, passenger and high value cargo transport. Despite their significant use, formal optimization frameworks have rarely been proposed to deal with their design challenges. In this thesis, an optimization framework for the preliminary design of high speed planing craft is presented. Several case studies of single- and multi-objective formulations of high speed planing craft design problem are solved using state-of-the-art optimization algorithms. The notion of scenario-based design optimization and innovization, i.e. a means to uncover design relations are also discussed. A modular, extensible design optimization framework that allows the analysis tools to be extended or replaced with the desired level of complexity or with the state-of-the-art analysis tools is proposed in this thesis. A validated 3D mathematical model of high speed planing craft hull form has been identified in this thesis. The use of global parametric transformation that preserves surface fairness and allows for the presence of curve discontinuities is incorporated. A suite of three state-of-the-art optimization algorithms, namely NSGA-II, IDEA and SA-EA is incorporated within the framework. The performances of the algorithms are compared using the case studies. Solutions to single-objective minimization of calm water resistance, resistance in a seaway and multi-objective formulations considering minimization of total resistance, vertical impact acceleration and steady turning diameter have been presented. The capability of the framework to capture design trade-offs is illustrated. The case studies are extended to provide for scenario-based design optimization in order to demonstrate the capability of the framework to solve optimization problems based on the ship's operational profile and operating conditions. A concept of innovization, which allows for the automatic discovery of design rules governing optimum hull forms, is introduced. The relationship gathered through the process of innovization is applied as a cheap pseudo-performance indicator within an optimization formulation, where the results compare favourably with the empirical estimate obtained from experimental data. Such extensions are new contributions to the ship design discipline, in which opens up the possibility of the development of optimum design rules for any particular ship class

EARMO: An Energy-Aware Refactoring Approach for Mobile Apps

The energy consumption of mobile apps is a trending topic and researchers are actively investigating the role of coding practices on energy consumption. Recent studies suggest that design choices can conflict with energy consumption. Therefore, it is important to take into account energy consumption when evolving the design of a mobile app. In this paper, we analyze the impact of eight type of anti-patterns on a testbed of 20 android apps extracted from F-Droid. We propose EARMO, a novel anti-pattern correction approach that accounts for energy consumption when refactoring mobile anti-patterns. We evaluate EARMO using three multiobjective search-based algorithms. The obtained results show that EARMO can generate refactoring recommendations in less than a minute, and remove a median of 84% of anti-patterns. Moreover, EARMO extended the battery life of a mobile phone by up to 29 minutes when running in isolation a refactored multimedia app with default settings (no WiFi, no location services, and minimum screen brightness). Finally, we conducted a qualitative study with developers of our studied apps, to assess the refactoring recommendations made by EARMO. Developers found 68% of refactorings suggested by EARMO to be very relevant.This work has been supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) and Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, México (CONACyT)

The Watchmaker's guide to Artificial Life: On the Role of Death, Modularity and Physicality in Evolutionary Robotics

Photograph used for a newspaper owned by the Oklahoma Publishing Company

A systems engineering approach to model, tune and test synthetic gene circuits

La biología sintética se define como la ingeniería de la biología: el (re)diseño y construcción de nuevas partes, dispositivos y sistemas biológicos para realizar nuevas funciones con fines útiles, que se basan en principios elucidados de la biología y la ingeniería. Para facilitar la construcción rápida, reproducible y predecible de estos sistemas biológicos a partir de conjuntos de componentes es necesario desarrollar nuevos métodos y herramientas. La tesis plantea la optimización multiobjetivo como el marco adecuado para tratar los problemas comunes que surgen en el diseño racional y el ajuste óptimo de los circuitos genéticos sintéticos. Utilizando un enfoque clásico de ingeniería de sistemas, la tesis se centra principalmente en: i) el modelado de circuitos genéticos sintéticos basado en los primeros principios, ii) la estimación de parámetros de modelos a partir de datos experimentales y iii) el ajuste basado en modelos para lograr el desempeño deseado de los circuitos. Se han utilizado dos circuitos genéticos sintéticos de diferente naturaleza y con diferentes objetivos y problemas: un circuito de realimentación de tipo 1 incoherente (I1-FFL) que exhibe la importante propiedad biológica de adaptación, y un circuito de detección de quorum sensing y realimentación (QS/Fb) que comprende dos bucles de realimentación entrelazados -uno intracelular y uno basado en la comunicación de célula a célula- diseñado para regular el nivel medio de expresión de una proteína de interés mientras se minimiza su varianza a través de la población de células. Ambos circuitos han sido analizados in silico e implementados in vivo. En ambos casos, se han desarrollado modelos de estos circuitos basado en primeros principios. Se presta especial atención a ilustrar cómo obtener modelos de orden reducido susceptibles de estimación de parámetros, pero manteniendo el significado biológico. La estimación de los parámetros del modelo a partir de los datos experimentales se considera en diferentes escenarios, tanto utilizando modelos determinísticos como estocásticos. Para el circuito I1-FFL se consideran modelos determinísticos. Aquí, la tesis plantea la utilización de modelos locales utilizando la optimización multiobjetivo para realizar la estimación de parámetros del modelo bajo escenarios con estructura de modelo incompleta. Para el circuito QS/Fb, una estructura controlada por realimentación, el problema tratado es la falta de excitabilidad de las señales. La tesis propone una metodología de estimación en dos etapas utilizando modelos estocásticos. La metodología permite utilizar datos de curso temporal promediados de la población y mediciones de distribución en estado estacionario para una sola célula. El ajuste de circuitos basado en modelos para lograr un desempeño deseado también se aborda mediante la optimización multiobjetivo. Para el circuito QS/Fb se realiza un análisis estocástico completo. La tesis aborda cómo tener en cuenta correctamente tanto el ruido intrínseco como el extrínseco, las dos principales fuentes de ruido en los circuitos genéticos. Se analiza el equilibrio entre ambas fuentes de ruido y el papel que desempeñan en el bucle de realimentación intracelular, y en la realimentación extracelular de toda la población. La principal conclusión es que la compleja interacción entre ambos canales de realimentación obliga al uso de la optimización multiobjetivo para el adecuado ajuste del circuito. En esta tesis además del uso adecuado de herramientas de optimización multiobjetivo, la principal preocupación es cómo derivar directrices para el ajuste in silico de parámetros de circuitos que puedan aplicarse de forma realista in vivo en un laboratorio estándar. Como alternativa al análisis de sensibilidad de parámetros clásico, la tesis propone el uso de técnicas de clustering a lo largo de los frentes de Pareto, relacionando el comprLa biologia sintètica es defineix com l'enginyeria de la biologia: el (re) disseny i construcció de noves parts, dispositius i sistemes biològics per a realitzar noves funcions útils que es basen a principis elucidats de la biologia i l'enginyeria. Per facilitar la construcció ràpida, reproduïble i predictible de aquests sistemes biològics a partir de conjunts de components és necessari desenvolupar nous mètodes i eines. La tesi planteja la optimització multiobjectiu com el marc adequat per a tractar els problemes comuns que apareixen en el disseny racional i l' ajust òptim dels circuits genètics sintètics. Utilitzant un enfocament clàssic d'enginyeria de sistemes, la tesi es centra principalment en: i) el modelatge de circuits genètics sintètics basat en primers principis, ii) l' estimació de paràmetres de models a partir de dades experimentals i iii) l' ajust basat en models per aconseguir el rendiment desitjat dels circuits. S'han utilitzat dos circuits genètics sintètics de diferent naturalesa i amb diferents objectius i problemes: un circuit de prealimentació de tipus 1 incoherent (I1-FFL) que exhibeix la important propietat biològica d'adaptació, i un circuit de quorum sensing i realimentació (QS/Fb) que comprèn dos bucles de realimentació entrellaçats -un intracel·lular i un basat en la comunicació de cèl·lula a cèl·lula- dis-senyat per regular el nivell mitjà d'expressió normal d'una proteïna d'interès mentre es minimitza la seua variació al llarg de la població de cèl·lules. Els dos circuits han estat analitzats in silico i implementats in vivo. En tots dos casos, s'han desenvolupat models basats en primers principis d'aquests circuits. Després es presta especial atenció a delinear com obtenir models d'ordre reduït susceptibles de estimació de paràmetres, però mantenint el significat biològic. L' estimació dels paràmetres del model a partir de les dades experimentals es considera en diferents escenaris, tant utilitzant models determinístics com estocàstics. Per al circuit I1-FFL es consideren models determinístics. La tesi planteja la utilització de models locals utilitzant la optimització multiobjectiu per realitzar l'estimació de parametres del model sota escenaris amb estructura de model incompleta (dinàmica no modelada). Per al circuit de QS/Fb, una estructura controlada per realimentació, el problema tractat és la manca d'excitabilitat dels senyals. La tesi proposa una metodologia de estimació en dues etapes utilitzant models estocàstics. La metodologia permet utilitzar dades de curs temporal promediats de la població i mesures de distribució en estat estacionari d'una sola una cèl·lula. L' ajust de circuits basat en models per aconseguir el rendiment desitjat dels circuits també s' aborda mitjançant la optimització multiobjectiu. Per al circuit QS/Fb, es fa un anàlisi estocàstic complet. La tesi aborda com tenir en compte correctament tant el soroll intrínsec com l' extrínsec, les dues principals fonts de soroll en els circuits genètics sintètics. S' analitza l'equilibri entre dues fonts de soroll i el paper que exerceixen en el bucle de realimentació intracel·lular, les i en la realimentació extracel·lular de tota la població. La principal conclusió es que la complexa interacció entre els dos canals de realimentació fa necessari l' ús de la optimització multiobjectiu per al adequat ajust del circuit. En aquesta tesi, a més de l'ús adequat d'eines d'optimització multiobjectiu, la principal preocupació és com derivar directives per al ajust in silico de paràmetres de circuits que puguin aplicar-se de forma realista en viu en un laboratori estàndard. Així, com a alternativa a l'anàlisi de sensibilitat de paràmetres clàssic, la tesi proposa l'ús de l' tècniques de l'agrupació al llarg dels fronts de Pareto, relacionant el compromís de dessempeny amb les regions en l'espai d'paràmetres.Synthetic biology is defined as the engineering of biology: the deliberate (re)design and construction of novel biological and biologically based parts, devices and systems to perform new functions for useful purposes, that draws on principles elucidated from biology and engineering. Methods and tools are needed to facilitate fast, reproducible and predictable construction of biological systems from sets of biological components. This thesis raises multi-objective optimization as the proper framework to deal with common problems arising in rational design and optimal tuning of synthetic gene circuits. Using a classical systems engineering approach, the thesis mainly addresses: i) synthetic gene circuit modeling based on first principles, ii) model parameters estimation from experimental data and iii) model-based tuning to achieve desired circuit performance. Two gene synthetic circuits of different nature and with different goals and inherent problems have been used throughout the thesis: an Incoherent type 1 feedforward circuit (I1-FFL) that exhibits the important biological property of adaptation, and a Quorum sensing/Feedback circuit (QS/Fb) comprising two intertwined feedback loops -an intracellular one and a cell-to-cell communication-based one-- designed to regulate the mean expression level of a protein of interest while minimizing its variance across the population of cells. Both circuits have been analyzed in silico and implemented in vivo. In both cases, circuit modeling based on first principles has been carried out. Then, special attention is paid to illustrate how to obtain reduced order models amenable for parameters estimation yet keeping biological significance. Model parameters estimation from experimental data is considered in different scenarios, both using deterministic and stochastic models. For the I1-FFL circuit, deterministic models are considered. In this case, the thesis raises ensemble modeling using multi-objective optimization to perform model parameters estimation under scenarios with incomplete model structure (unmodeled dynamics). For the QS/Fb gene circuit, a feedback controlled structure, the lack of excitability of the signals is the problem addressed. The thesis proposes a two-stage estimation methodology using stochastic models. The methodology allows using population averaged time-course data and steady state distribution measurements at the single-cell level. Model-based circuit tuning to achieve desired circuit performance is also addressed using multi-objective optimization. First, for the QS/Fb feedback control circuit, a complete stochastic analysis is performed. Here, the thesis addresses how to correctly take into account both intrinsic and extrinsic noise, the two main sources of noise in gene synthetic circuits. The trade-off between both sources of noise, and the role played by in the intracellular single-cell feedback loop and the extracellular population-wide feedback is analyzed. The main conclusion being that the complex interplay between both feedback channels compel the use of multi-objective optimization for proper tuning of the circuit to achieve desired performance. Thus, the thesis wraps up all the previous results and uses them to address circuit tuning for desired performance. Here, besides the proper use of multi-objective optimization tools, the main concern is how to derive guidelines for circuit parameters tuning in silico that can realistically be applied in vivo in a standard laboratory. Thus, as an alternative to classical parameters sensitivity analysis, the thesis proposes the use of clustering techniques along the optimal Pareto fronts relating the performance trade-offs with regions in the circuits parameters space.This work has been partially supported by the Spanish Government (CICYT DPI2014- 55276-C5-1) and the European Union (FEDER). The author was recipient of the grant Formación de Personal Investigador by the Universitat Politècnica de València, subprogram 1 (FPI/2013-3242). She was also recipient of the competitive grants for pre-doctoral stays Erasmus Student Placement-European Programme 2015, and FPI Mobility program 2016 of the Universitat Politècnica de València. She also received the competitive grant for a pre-doctoral stay Becas de movilidad para Jóvenes Profesores e Investigadores 2016, Programa de Becas Iberoamérica of the Santander Bank.Boada Acosta, YF. (2018). A systems engineering approach to model, tune and test synthetic gene circuits [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/112725TESI

Evolutionary Computation

This book presents several recent advances on Evolutionary Computation, specially evolution-based optimization methods and hybrid algorithms for several applications, from optimization and learning to pattern recognition and bioinformatics. This book also presents new algorithms based on several analogies and metafores, where one of them is based on philosophy, specifically on the philosophy of praxis and dialectics. In this book it is also presented interesting applications on bioinformatics, specially the use of particle swarms to discover gene expression patterns in DNA microarrays. Therefore, this book features representative work on the field of evolutionary computation and applied sciences. The intended audience is graduate, undergraduate, researchers, and anyone who wishes to become familiar with the latest research work on this field

Automated Improvement of Software Design by Search-Based Refactoring

Le coût de maintenance du logiciel est estimé à plus de 70% du coût total du système, en raison de nombreux facteurs, y compris les besoins des nouveaux utilisateurs, l’adoption de nouvelles technologies et la qualité des systèmes logiciels. De ces facteurs, la qualité est celle que nous pouvons contrôler et continuellement améliorer pour empêcher la dégradation de la performance et la réduction de l’efficacité (par exemple, la dégradation de la conception du logiciel). De plus, pour rester compétitive, l’industrie du logiciel a raccourci ses cycles de lancement afin de fournir de nouveaux produits et fonctionnalités plus rapidement, ce qui entraîne une pression accrue sur les équipes de développeurs et une accélération de l’évolution de la conception du système. Une façon d’empêcher la dégradation du logiciel est l’identification et la correction des anti-patrons qui sont des indicateurs de mauvaise qualité de conception. Pour améliorer la qualité de la conception et supprimer les anti-patrons, les développeurs effectuent de petites transformations préservant le comportement (c.-à-d., refactoring). Le refactoring manuel est coûteux, car il nécessite (1) d’identifier les entités de code qui doivent être refactorisées ; (2) générer des opérations de refactoring pour les classes identifiées à l’étape précédente ; (3) trouver le bon ordre d’application des refactorings générés, pour maximiser le bénéfice pour la qualité du code et minimiser les conflits. Ainsi, les chercheurs et les praticiens ont formulé le refactoring comme un problème d’optimisation et utilisent des techniques basées sur la recherche pour proposer des approches (semi) automatisées pour le résoudre. Dans cette thèse, je propose plusieurs méthodes pour résoudre les principaux problèmes des outils existants, afin d’aider les développeurs dans leurs activités de maintenance et d’assurance qualité. Ma thèse est qu’il est possible d’améliorer le refactoring automatisé en considérant de nouvelles dimensions : (1) le contexte de tâche du développeur pour prioriser le refactoring des classes pertinentes ; (2) l’effort du test pour réduire le coût des tests après le refactoring ; (3) l’identification de conflit entre opérations de refactoring afin de réduire le coût de refactoring ; et (4) l’efficacité énergétique pour améliorer la consommation d’énergie des applications mobiles après refactoring.----------ABSTRACT: Software maintenance cost is estimated to be more than 70% of the total cost of system, because of many factors, including new user’s requirements, the adoption of new technologies and the quality of software systems. From these factors, quality is the one that we can control and continually improved to prevent degradation of performance and reduction of effectiveness (a.k.a. design decay). Moreover, to stay competitive, the software industry has shortened its release cycles to deliver new products and features faster, which results in more pressure on developer teams and the acceleration of system’s design evolution. One way to prevent design decay is the identification and correction of anti-patterns which are indicators of poor design quality. To improve design quality and remove anti-patterns, developers perform small behavior-preserving transformations (a.k.a. refactoring). Manual refactoring is expensive, as it requires to (1) identify the code entities that need to be refactored; (2) generate refactoring operations for classes identified in the previous step; (3) find the correct order of application of the refactorings generated, to maximize the quality effect and to minimize conflicts. Hence, researchers and practitioners have formulated refactoring as an optimization problem and use search-based techniques to propose (semi)automated approaches to solve it. In this dissertation, we propose several approaches to tackle some of the major issues in existing refactoring tools, to assist developers in their maintenance and quality assurance activities

From metaheuristics to learnheuristics: Applications to logistics, finance, and computing

Un gran nombre de processos de presa de decisions en sectors estratègics com el transport i la producció representen problemes NP-difícils. Sovint, aquests processos es caracteritzen per alts nivells d'incertesa i dinamisme. Les metaheurístiques són mètodes populars per a resoldre problemes d'optimització difícils en temps de càlcul raonables. No obstant això, sovint assumeixen que els inputs, les funcions objectiu, i les restriccions són deterministes i conegudes. Aquests constitueixen supòsits forts que obliguen a treballar amb problemes simplificats. Com a conseqüència, les solucions poden conduir a resultats pobres. Les simheurístiques integren la simulació a les metaheurístiques per resoldre problemes estocàstics d'una manera natural. Anàlogament, les learnheurístiques combinen l'estadística amb les metaheurístiques per fer front a problemes en entorns dinàmics, en què els inputs poden dependre de l'estructura de la solució. En aquest context, les principals contribucions d'aquesta tesi són: el disseny de les learnheurístiques, una classificació dels treballs que combinen l'estadística / l'aprenentatge automàtic i les metaheurístiques, i diverses aplicacions en transport, producció, finances i computació.Un gran número de procesos de toma de decisiones en sectores estratégicos como el transporte y la producción representan problemas NP-difíciles. Frecuentemente, estos problemas se caracterizan por altos niveles de incertidumbre y dinamismo. Las metaheurísticas son métodos populares para resolver problemas difíciles de optimización de manera rápida. Sin embargo, suelen asumir que los inputs, las funciones objetivo y las restricciones son deterministas y se conocen de antemano. Estas fuertes suposiciones conducen a trabajar con problemas simplificados. Como consecuencia, las soluciones obtenidas pueden tener un pobre rendimiento. Las simheurísticas integran simulación en metaheurísticas para resolver problemas estocásticos de una manera natural. De manera similar, las learnheurísticas combinan aprendizaje estadístico y metaheurísticas para abordar problemas en entornos dinámicos, donde los inputs pueden depender de la estructura de la solución. En este contexto, las principales aportaciones de esta tesis son: el diseño de las learnheurísticas, una clasificación de trabajos que combinan estadística / aprendizaje automático y metaheurísticas, y varias aplicaciones en transporte, producción, finanzas y computación.A large number of decision-making processes in strategic sectors such as transport and production involve NP-hard problems, which are frequently characterized by high levels of uncertainty and dynamism. Metaheuristics have become the predominant method for solving challenging optimization problems in reasonable computing times. However, they frequently assume that inputs, objective functions and constraints are deterministic and known in advance. These strong assumptions lead to work on oversimplified problems, and the solutions may demonstrate poor performance when implemented. Simheuristics, in turn, integrate simulation into metaheuristics as a way to naturally solve stochastic problems, and, in a similar fashion, learnheuristics combine statistical learning and metaheuristics to tackle problems in dynamic environments, where inputs may depend on the structure of the solution. The main contributions of this thesis include (i) a design for learnheuristics; (ii) a classification of works that hybridize statistical and machine learning and metaheuristics; and (iii) several applications for the fields of transport, production, finance and computing