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Contributions to the development of the CRO-SL algorithm: Engineering applications problems
This Ph.D. thesis discusses advanced design issues of the evolutionary-based
algorithm \textit{"Coral Reef Optimization"}, in its Substrate-Layer (CRO-SL)
version, for optimization problems in Engineering Applications. The problems
that can be tackled with meta-heuristic approaches is very wide and varied, and
it is not exclusive of engineering. However we focus the Thesis on it area, one
of the most prominent in our time. One of the proposed application is battery
scheduling problem in Micro-Grids (MGs). Specifically, we consider an MG that
includes renewable distributed generation and different loads, defined by its
power profiles, and is equipped with an energy storage device (battery) to
address its programming (duration of loading / discharging and occurrence) in a
real scenario with variable electricity prices. Also, we discuss a problem of
vibration cancellation over structures of two and four floors, using Tuned Mass
Dampers (TMD's). The optimization algorithm will try to find the best solution
by obtaining three physical parameters and the TMD location. As another related
application, CRO-SL is used to design Multi-Input-Multi-Output Active Vibration
Control (MIMO-AVC) via inertial-mass actuators, for structures subjected to
human induced vibration. In this problem, we will optimize the location of each
actuator and tune control gains. Finally, we tackle the optimization of a
textile modified meander-line Inverted-F Antenna (IFA) with variable width and
spacing meander, for RFID systems. Specifically, the CRO-SL is used to obtain
an optimal antenna design, with a good bandwidth and radiation pattern, ideal
for RFID readers. Radio Frequency Identification (RFID) has become one of the
most numerous manufactured devices worldwide due to a reliable and inexpensive
means of locating people. They are used in access and money cards and product
labels and many other applications.Comment: arXiv admin note: text overlap with arXiv:1806.02654 by other author
Contributions to the development of the CRO-SL algorithm: Engineering applications problems
Esta tesis doctoral aborda el diseño del algoritmo evolutivo Coral Reef Optimization, en su versión Substrate-Layer, para la optimización de problemas en diferentes ámbitos de la ingenierÃa. Los algoritmos evolutivos han sido ampliamente aplicados a problemas de optimización difÃcilmente abordables de manera analÃtica, ya sea por tener espacios de búsqueda enormes o por ser no lineales. Si bien la ejecución de estos algoritmos no supone un gran coste computacional hoy en dÃa, sà lo supone las funciones de coste que constantemente deben evaluar. La creciente capacidad de procesamiento en la tecnologÃa le abre las puertas al abordaje de problemas temporalmente costosos por medio de la metaheurÃstica. Uno de los inconvenientes de esta, es que no hay forma de saber a priori cuál de ellos es mejor para un problema especÃfico, y sea cual sea la elección, la ejecución del mismo no te asegura que vayas a obtener el óptimo. Es por este motivo por el cual se ha elegido el algoritmo CRO-SL, ya que permite combinar los procesos de búsqueda más potentes, ayudándose entre ellos para alcanzar el óptimo global.
La problemática a la que se puede aplicar la metaheurÃstica es muy variada y no tiene por qué ser exclusiva de la ingenierÃa, sin embargo en esta tesis sà vamos a centrarla en ella. Una de las aplicaciones que vamos a ver es el diseño de una antena de tipo F invertida (IFA), para sistemas de IDentificación por Radio-Frecuencia (RFID). Estas han sido muy utilizadas en productos a lo largo de todo el mundo tanto en tarjetas de crédito como en etiquetas de productos debido a su pequeño tamaño y a una fabricación sencilla y barata. En concreto, en este trabajo se usarán como conductores láminas de cobre y como dieléctrico, fieltro. Se pretende asÃ, diseñar el ancho y el espaciamiento de estas tiras de cobre para que emita en un ancho de banda determinado con una calidad determinada. También se abordará un problema de control de vibración en estructuras de dos y cuatro pisos mediante el uso de elementos amortiguadores pasivos, TMD's(Tunned Mass Dampers). Esta aplicación viene motivada por la necesidad de mitigar las vibraciones procedentes de la tierra, como pudiera ser en un terremoto. En este caso el algoritmo no sólo intentará optimizar las caracterÃsticas fÃsicas de los TMD's sino también su colocación dentro del edificio. En tercer lugar, se realizará un control activo de las vibraciones que generamos los humanos al caminar en una estructura civil, mediante el uso de actuadores de masa inercial. En este problema se tratará de optimizar la localización de los actuadores asà como sintonizar las ganancias de control. Por último veremos un problema de optimización de planificación de las baterÃas en micro-redes(MG). EspecÃficamente, consideramos una MG que incluye generación renovable y diferentes cargas, definidas por sus perfiles de potencia, y está equipada con un dispositivo de almacenamiento de energÃa (baterÃa) para abordar su programación (duración de carga / descarga y ocurrencia) en un escenario real de precios variables de electricidad.
Mediante la aplicación del CRO-SL a estos problemas se pretende cumplir dos objetivos. El primero es comprobar la aptitud del propio algoritmo en las aplicaciones mencionadas. Para ello además se realizarán experimentos con los algoritmos más populares y los resultados podrán ser comparados entre sÃ. El segundo es promover el uso del CRO-SL como herramienta de comparación entre métodos de exploración. Algunos de los algoritmos metaheurÃsticos se basan en la iteración de un proceso de búsqueda sobre una población de individuos codificados, que encarnan la solución a un determinado problema. El CRO-SL toma prestado la forma en la que otros algoritmos cambian a sus individuos, y forma nuevas soluciones de manera paralela. Entre los algoritmos evolutivos más conocidos que vamos a ver durante el desarrollo de esta tesis se encuentran los algoritmos Harmony Search, Differential Evolution y Genetic Algorithm. Además se verán otro tipo de mutaciones como la de tipo Gaussiana, mutación simple o cruce multipunto. Por último, durante el desarrollo de esta tesis también se ha probado una nueva forma de búsqueda basada en atractores extraños. Gracias a la capacidad de comparación del CRO-SL podremos ver si esta nueva forma de búsqueda es útil o no
On Comparative Algorithmic Pathfinding in Complex Networks for Resource-Constrained Software Agents
Software engineering projects that utilize inappropriate pathfinding algorithms carry a
significant risk of poor runtime performance for customers. Using social network theory,
this experimental study examined the impact of algorithms, frameworks, and map
complexity on elapsed time and computer memory consumption. The 1,800 2D map
samples utilized were computer random generated and data were collected and processed
using Python language scripts. Memory consumption and elapsed time results for each of
the 12 experimental treatment groups were compared using factorial MANOVA to
determine the impact of the 3 independent variables on elapsed time and computer
memory consumption. The MANOVA indicated a significant factor interaction between
algorithms, frameworks, and map complexity upon elapsed time and memory
consumption, F(4, 3576) = 94.09, p \u3c .001, h2 = .095. The main effects of algorithms,
F(4, 3576) = 885.68, p \u3c .001, h2 = .498; and frameworks, F(2, 1787) = 720,360.01, p
.001, h2 = .999; and map complexity, F(2, 1787) = 112,736.40, p \u3c .001, h2 = .992, were
also all significant. This study may contribute to positive social change by providing
software engineers writing software for complex networks, such as analyzing terrorist
social networks, with empirical pathfinding algorithm results. This is crucial to enabling
selection of appropriately fast, memory-efficient algorithms that help analysts identify
and apprehend criminal and terrorist suspects in complex networks before the next attack