Diversification Across Mining Pools: Optimal Mining Strategies under PoW

Mining is a central operation of all proof-of-work (PoW) based cryptocurrencies. The vast majority of miners today participate in "mining pools" instead of "solo mining" in order to lower risk and achieve a more steady income. However, this rise of participation in mining pools negatively affects the decentralization levels of most cryptocurrencies. In this work, we look into mining pools from the point of view of a miner: We present an analytical model and implement a computational tool that allows miners to optimally distribute their computational power over multiple pools and PoW cryptocurrencies (i.e. build a mining portfolio), taking into account their risk aversion levels. Our tool allows miners to maximize their risk-adjusted earnings by diversifying across multiple mining pools which enhances PoW decentralization. Finally, we run an experiment in Bitcoin historical data and demonstrate that a miner diversifying over multiple pools, as instructed by our model/tool, receives a higher overall Sharpe ratio (i.e. average excess reward over its standard deviation/volatility).Comment: 13 pages, 16 figures. Presented at WEIS 201

Gaining Insight into Determinants of Physical Activity using Bayesian Network Learning

Contains fulltext : 228326pre.pdf (preprint version ) (Open Access) Contains fulltext : 228326pub.pdf (publisher's version ) (Open Access)BNAIC/BeneLearn 202

μGIM - Microgrid intelligent management system based on a multi-agent approach and the active participation of end-users

[ES] Los sistemas de potencia y energía están cambiando su paradigma tradicional, de sistemas centralizados a sistemas descentralizados. La aparición de redes inteligentes permite la integración de recursos energéticos descentralizados y promueve la gestión inclusiva que involucra a los usuarios finales, impulsada por la gestión del lado de la demanda, la energía transactiva y la respuesta a la demanda. Garantizar la escalabilidad y la estabilidad del servicio proporcionado por la red, en este nuevo paradigma de redes inteligentes, es más difícil porque no hay una única sala de operaciones centralizada donde se tomen todas las decisiones. Para implementar con éxito redes inteligentes, es necesario combinar esfuerzos entre la ingeniería eléctrica y la ingeniería informática. La ingeniería eléctrica debe garantizar el correcto funcionamiento físico de las redes inteligentes y de sus componentes, estableciendo las bases para un adecuado monitoreo, control, gestión, y métodos de operación. La ingeniería informática desempeña un papel importante al proporcionar los modelos y herramientas computacionales adecuados para administrar y operar la red inteligente y sus partes constituyentes, representando adecuadamente a todos los diferentes actores involucrados. Estos modelos deben considerar los objetivos individuales y comunes de los actores que proporcionan las bases para garantizar interacciones competitivas y cooperativas capaces de satisfacer a los actores individuales, así como cumplir con los requisitos comunes con respecto a la sostenibilidad técnica, ambiental y económica del Sistema. La naturaleza distribuida de las redes inteligentes permite, incentiva y beneficia enormemente la participación activa de los usuarios finales, desde actores grandes hasta actores más pequeños, como los consumidores residenciales. Uno de los principales problemas en la planificación y operación de redes eléctricas es la variación de la demanda de energía, que a menudo se duplica más que durante las horas pico en comparación con la demanda fuera de pico. Tradicionalmente, esta variación dio como resultado la construcción de plantas de generación de energía y grandes inversiones en líneas de red y subestaciones. El uso masivo de fuentes de energía renovables implica mayor volatilidad en lo relativo a la generación, lo que hace que sea más difícil equilibrar el consumo y la generación. La participación de los actores de la red inteligente, habilitada por la energía transactiva y la respuesta a la demanda, puede proporcionar flexibilidad en desde el punto de vista de la demanda, facilitando la operación del sistema y haciendo frente a la creciente participación de las energías renovables. En el ámbito de las redes inteligentes, es posible construir y operar redes más pequeñas, llamadas microrredes. Esas son redes geográficamente limitadas con gestión y operación local. Pueden verse como áreas geográficas restringidas para las cuales la red eléctrica generalmente opera físicamente conectada a la red principal, pero también puede operar en modo isla, lo que proporciona independencia de la red principal. Esta investigación de doctorado, realizada bajo el Programa de Doctorado en Ingeniería Informática de la Universidad de Salamanca, aborda el estudio y el análisis de la gestión de microrredes, considerando la participación activa de los usuarios finales y la gestión energética de lascarga eléctrica y los recursos energéticos de los usuarios finales. En este trabajo de investigación se ha analizado el uso de conceptos de ingeniería informática, particularmente del campo de la inteligencia artificial, para apoyar la gestión de las microrredes, proponiendo un sistema de gestión inteligente de microrredes (μGIM) basado en un enfoque de múltiples agentes y en la participación activa de usuarios. Esta solución se compone de tres sistemas que combinan hardware y software: el emulador de virtual a realidad (V2R), el enchufe inteligente de conciencia ambiental de Internet de las cosas (EnAPlug), y la computadora de placa única para energía basada en el agente (S4E) para permitir la gestión del lado de la demanda y la energía transactiva. Estos sistemas fueron concebidos, desarrollados y probados para permitir la validación de metodologías de gestión de microrredes, es decir, para la participación de los usuarios finales y para la optimización inteligente de los recursos. Este documento presenta todos los principales modelos y resultados obtenidos durante esta investigación de doctorado, con respecto a análisis de vanguardia, concepción de sistemas, desarrollo de sistemas, resultados de experimentación y descubrimientos principales. Los sistemas se han evaluado en escenarios reales, desde laboratorios hasta sitios piloto. En total, se han publicado veinte artículos científicos, de los cuales nueve se han hecho en revistas especializadas. Esta investigación de doctorado realizó contribuciones a dos proyectos H2020 (DOMINOES y DREAM-GO), dos proyectos ITEA (M2MGrids y SPEAR), tres proyectos portugueses (SIMOCE, NetEffiCity y AVIGAE) y un proyecto con financiación en cascada H2020 (Eco-Rural -IoT)

Mission programming for flying ensembles: combining planning with self-organization

The application of autonomous mobile robots can improve many situations of our daily lives. Robots can enhance working conditions, provide innovative techniques for different research disciplines, and support rescue forces in an emergency. In particular, flying robots have already shown their potential in many use-cases when cooperating in ensembles. Exploiting this potential requires sophisticated measures for the goal-oriented, application-specific programming of flying ensembles and the coordinated execution of so defined programs. Because different goals require different robots providing different capabilities, several software approaches emerged recently that focus on specifically designed robots. These approaches often incorporate autonomous planning, scheduling, optimization, and reasoning attributable to classic artificial intelligence. This allows for the goal-oriented instruction of ensembles, but also leads to inefficiencies if ensembles grow large or face uncertainty in the environment. By leaving the detailed planning of executions to individuals and foregoing optimality and goal-orientation, the selforganization paradigm can compensate for these drawbacks by scalability and robustness. In this thesis, we combine the advantageous properties of autonomous planning with that of self-organization in an approach to Mission Programming for Flying Ensembles. Furthermore, we overcome the current way of thinking about how mobile robots should be designed. Rather than assuming fixed-design robots, we assume that robots are modifiable in terms of their hardware at run-time. While using such robots enables their application in many different use cases, it also requires new software approaches for dealing with this flexible design. The contributions of this thesis thus are threefold. First, we provide a layered reference architecture for physically reconfigurable robot ensembles. Second, we provide a solution for programming missions for ensembles consisting of such robots in a goal-oriented fashion that provides measures for instructing individual robots or entire ensembles as desired in the specific use case. Third, we provide multiple self-organization mechanisms to deal with the system’s flexible design while executing such missions. Combining different self-organization mechanisms ensures that ensembles satisfy the static requirements of missions. We provide additional self-organization mechanisms for coordinating the execution in ensembles ensuring they meet the dynamic requirements of a mission. Furthermore, we provide a solution for integrating goal-oriented swarm behavior into missions using a general pattern we have identified for trajectory-modification-based swarm behavior. Using that pattern, we can modify, quantify, and further process the emergent effect of varying swarm behavior in a mission by changing only the parameters of its implementation. We evaluate results theoretically and practically in different case studies by deploying our techniques to simulated and real hardware.Der Einsatz von autonomen mobilen Robotern kann viele Abläufe unseres täglichen Lebens erleichtern. Ihr Einsatz kann Arbeitsbedingungen verbessern, als innovative Technik für verschiedene Forschungsdisziplinen dienen oder Rettungskräfte im Einsatz unterstützen. Insbesondere Flugroboter haben ihr Potenzial bereits in vielerlei Anwendungsfällen gezeigt, gerade wenn mehrere in Ensembles eingesetzt werden. Das Potenzial fliegender Ensembles zielgerichtet und anwendungsspezifisch auszuschöpfen erfordert ausgefeilte Programmiermethoden und Koordinierungsverfahren. Zu diesem Zweck sind zuletzt viele unterschiedliche und auf speziell entwickelte Roboter zugeschnittene Softwareansätze entstanden. Diese verwenden oft klassische Planungs-, Scheduling-, Optimierungs- und Reasoningverfahren. Während dies vor allem den zielgerichteten Einsatz von Ensembles ermöglicht, ist es jedoch auch oft ineffizient, wenn die Ensembles größer oder deren Einsatzumgebungen unsicher werden. Die genannten Nachteile können durch das Paradigma der Selbstorganisation kompensiert werden: Falls Anwendungen nicht zwangsläufig auf Optimalität und strikte Zielorientierung ausgelegt sind, kann so Skalierbarkeit und Robustheit im System erreicht werden. In dieser Arbeit werden die vorteilhaften Eigenschaften klassischer Planungstechniken mit denen der Selbstorganisation in einem Ansatz zur Missionsprogrammierung für fliegende Ensembles kombiniert. In der dafür entwickelten Lösung wird von der aktuell etablierten Ansicht einer unveränderlichen Roboterkonstruktion abgewichen. Stattdessen wird die Hardwarezusammenstellung der Roboter als zur Laufzeit modifizierbar angesehen. Der Einsatz solcher Roboter erfordert neue Softwareansätze um mit genannter Flexibilität umgehen zu können. Die hier vorgestellten Beiträge zu diesem Thema lassen sich in drei Punkten zusammenfassen: Erstens wird eine Schichtenarchitektur als Referenz für physikalisch konfigurierbare Roboterensembles vorgestellt. Zweitens wird eine Lösung zur zielorientierten Missions-Programmierung für derartige Ensembles präsentiert, mit der sowohl einzelne Roboter als auch ganze Ensembles instruiert werden können. Drittens werden mehrere Selbstorganisationsmechanismen vorgestellt, die die autonome Ausführung so erstellter Missionen ermöglichen. Durch die Kombination verschiedener Selbstorganisationsmechanismen wird sichergestellt, dass Ensembles die missionsspezifischen Anforderungen erfüllen. Zusätzliche Selbstorganisationsmechanismen ermöglichen die koordinierte Ausführung der Missionen durch die Ensembles. Darüber hinaus bietet diese Lösung die Möglichkeit der Integration zielorientierten Schwarmverhaltens. Durch ein allgemeines algorithmisches Verfahren für auf Trajektorien-Modifikation basierendes Schwarmverhalten können allein durch die Änderung des Parametersatzes unterschiedliche emergente Effekte in einer Mission erzielt, quantifiziert und weiterverarbeitet werden. Zur theoretischen und praktischen Evaluierung der Ergebnisse dieser Arbeit wurden die vorgestellten Techniken in verschiedenen Fallstudien auf simulierter sowie realer Hardware zum Einsatz gebracht

Virtual Reality Games for Motor Rehabilitation

This paper presents a fuzzy logic based method to track user satisfaction without the need for devices to monitor users physiological conditions. User satisfaction is the key to any product’s acceptance; computer applications and video games provide a unique opportunity to provide a tailored environment for each user to better suit their needs. We have implemented a non-adaptive fuzzy logic model of emotion, based on the emotional component of the Fuzzy Logic Adaptive Model of Emotion (FLAME) proposed by El-Nasr, to estimate player emotion in UnrealTournament 2004. In this paper we describe the implementation of this system and present the results of one of several play tests. Our research contradicts the current literature that suggests physiological measurements are needed. We show that it is possible to use a software only method to estimate user emotion

Connected Vehicles at Signalized Intersections: Traffic Signal Timing Estimation and Optimization

Summary: While traffic signals ensure safety of conflicting movements at intersections, they also cause much delay, wasted fuel, and tailpipe emissions. Frequent stops and goes induced by a series of traffic lights often frustrates passengers. However, the connectivity provided by connected vehicles applications can improve this situation. A uni-directional traffic signal to vehicle communication can be used to guide the connected vehicles to arrive at green which increases their energy efficiency; and in the first part of the dissertation, we propose a traffic signal phase and timing estimator as a complementary solution in situations where timing information is not available directly from traffic signals or a city’s Traffic Management Center. Another approach for improving the intersection flow is optimizing the timing of traditional traffic signals informed by uni-directional communication from connected vehicles. Nevertheless, one can expect further increase in energy efficiency and intersection flow with bi-directional vehicle-signal communication where signals adjust their timings and vehicles their speeds. Autonomous vehicles can further benefit from traffic signal information because they not only process the incoming information rather effortlessly but also can precisely control their speed and arrival time at a green light. The situation can get even better with 100%penetration of autonomous vehicles since a physical traffic light is not needed anymore. However, the optimal scheduling of the autonomous vehicle arrivals at such intersections remains an open problem. The second part of the dissertation attempts to address the scheduling problem formulation and to show its benefits in microsimulation as well as experiments. Intellectual Merit: In the first part of this research, we study the statistical patterns hidden in the connected vehicle historical data stream in order to estimate a signal’s phase and timing (SPaT). The estimated SPaT data communicated in real-time to connected vehicles can help drivers plan over time the best vehicle velocity profile and route of travel. We use low-frequency probe data streams to show what the minimum achievable is in estimating SPaT. We use a public feed of bus location and velocity data in the city of San Francisco as an example data source. We show it is possible to estimate, fairly accurately, cycle times and duration of reds for pre-timed traffic lights traversed by buses using a few days worth of aggregated bus data. Furthermore, we also estimate the start of greens in real-time by monitoring movement of buses across intersections. The results are encouraging, given that each bus sends an update only sporadically (≈ every 200 meters) and that bus passages are infrequent (every 5-10 minutes). The accuracy of the SPaT estimations are ensured even in presence of queues; this is achieved by extending our algorithms to include the influence of queue delay. A connected vehicle test bed is implemented in collaboration with industry. Our estimated SPaT information is communicated uni-directionally to a connected test vehicle for those traffic signals which are not connected. In the second part of the dissertation, another test bed, but with bi-directional communication capability, is implemented to transfer the connected vehicle data to an intelligent intersection controller through cellular network. We propose a novel intersection control scheme at the cyber layer to encourage platoon formation and facilitate uninterrupted intersection passage. The proposed algorithm is presented for an all autonomous vehicle environment at an intersection with no traffic lights. Our three key contributions are in communica-tion, control, and experimental evaluation: i) a scalable mechanism allowing a large number of vehicles to subscribe to the intersection controller, ii) reducing the vehicle-intersection coordination problem to a Mixed Integer Linear Program (MILP), and iii) a Vehicle-in-the-Loop (VIL) test bed with a real vehicle interacting with the intersection control cyber-layer and with our customized microsimulations in a virtual road network environment. The proposed MILP-based controller receives information such as location and speed from each subscribing vehicle and advises vehicles of the optimal time to access the intersection. The access times are computed by periodically solving a MILP with the objective of minimizing intersection delay, while ensuring intersection safety and considering each vehicle’s desired velocity. In order to estimate the fuel consumption reduction potential of the implemented system, a new method is proposed for estimating fuel consumption using the basic engine diagnostic information of the vehicle-in-the-loop car. Broader Impacts: This research can transform not only the way we drive our vehicles at signalized intersec-tions but also the way intersections are managed. As we evaluated in a connected test vehicle in the first part of the dissertation, our SPaT estimations in conjunction with the SPaT information available directly from Traffic Management Centers, enables the drivers to plan over time the best vehicle velocity profile to reduce idling at red lights. Other fuel efficiency and safety functionalities in connected vehicles can also benefit from such information about traffic signals’ phase and timing. For example, advanced engine management strategies can shut down the engine in anticipation of a long idling interval at red, and intersection collision avoidance and active safety systems could foresee potential signal violations at signalized intersections. In addition, as shown in the second part of the dissertation, when a connected traffic signal or intersection con-troller is available, intelligent control methods can plan in real-time the best timings and the lengths of signal phases in response to prevailing traffic conditions with the use of connected vehicle data. Our MILP-based intersection control is proposed for an all autonomous driving environment; and right now, it can be utilized in smart city projects where only autonomous vehicles are allowed to travel. This is expected to transform driving experience in the sense that our linear formulations minimizes the intersection delay and number of stops significantly compared to pre-timed intersections

Unmanned Aerial Vehicle (UAV)-Enabled Wireless Communications and Networking

The emerging massive density of human-held and machine-type nodes implies larger traffic deviatiolns in the future than we are facing today. In the future, the network will be characterized by a high degree of flexibility, allowing it to adapt smoothly, autonomously, and efficiently to the quickly changing traffic demands both in time and space. This flexibility cannot be achieved when the network’s infrastructure remains static. To this end, the topic of UAVs (unmanned aerial vehicles) have enabled wireless communications, and networking has received increased attention. As mentioned above, the network must serve a massive density of nodes that can be either human-held (user devices) or machine-type nodes (sensors). If we wish to properly serve these nodes and optimize their data, a proper wireless connection is fundamental. This can be achieved by using UAV-enabled communication and networks. This Special Issue addresses the many existing issues that still exist to allow UAV-enabled wireless communications and networking to be properly rolled out

Nonlinear Model Predictive Control for Motion Generation of Humanoids

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Entwicklung numerischer Methoden zur Bewegungserzeugung von humanoiden Robotern basierend auf nichtlinearer modell-prädiktiver Regelung. Ausgehend von der Modellierung der Humanoiden als komplexe Mehrkörpermodelle, die sowohl durch unilaterale Kontaktbedingungen beschränkt als auch durch die Formulierung unteraktuiert sind, wird die Bewegungserzeugung als Optimalsteuerungsproblem formuliert. In dieser Arbeit werden numerische Erweiterungen basierend auf den Prinzipien der Automatischen Differentiation für rekursive Algorithmen, die eine effiziente Auswertung der dynamischen Größen der oben genannten Mehrkörperformulierung erlauben, hergeleitet, sodass sowohl die nominellen Größen als auch deren ersten Ableitungen effizient ausgewertet werden können. Basierend auf diesen Ideen werden Erweiterungen für die Auswertung der Kontaktdynamik und der Berechnung des Kontaktimpulses vorgeschlagen. Die Echtzeitfähigkeit der Berechnung von Regelantworten hängt stark von der Komplexität der für die Bewegungerzeugung gewählten Mehrkörperformulierung und der zur Verfügung stehenden Rechenleistung ab. Um einen optimalen Trade-Off zu ermöglichen, untersucht diese Arbeit einerseits die mögliche Reduktion der Mehrkörperdynamik und andererseits werden maßgeschneiderte numerische Methoden entwickelt, um die Echtzeitfähigkeit der Regelung zu realisieren. Im Rahmen dieser Arbeit werden hierfür zwei reduzierte Modelle hergeleitet: eine nichtlineare Erweiterung des linearen inversen Pendelmodells sowie eine reduzierte Modellvariante basierend auf der centroidalen Mehrkörperdynamik. Ferner wird ein Regelaufbau zur GanzkörperBewegungserzeugung vorgestellt, deren Hauptbestandteil jeweils aus einem speziell diskretisierten Problem der nichtlinearen modell-prädiktiven Regelung sowie einer maßgeschneiderter Optimierungsmethode besteht. Die Echtzeitfähigkeit des Ansatzes wird durch Experimente mit den Robotern HRP-2 und HeiCub verifiziert. Diese Arbeit schlägt eine Methode der nichtlinear modell-prädiktiven Regelung vor, die trotz der Komplexität der vollen Mehrkörperformulierung eine Berechnung der Regelungsantwort in Echtzeit ermöglicht. Dies wird durch die geschickte Kombination von linearer und nichtlinearer modell-prädiktiver Regelung auf der aktuellen beziehungsweise der letzten Linearisierung des Problems in einer parallelen Regelstrategie realisiert. Experimente mit dem humanoiden Roboter Leo zeigen, dass, im Vergleich zur nominellen Strategie, erst durch den Einsatz dieser Methode eine Bewegungserzeugung auf dem Roboter möglich ist. Neben Methoden der modell-basierten Optimalsteuerung werden auch modell-freie Methoden des verstärkenden Lernens (Reinforcement Learning) für die Bewegungserzeugung untersucht, mit dem Fokus auf den schwierig zu modellierenden Modellunsicherheiten der Roboter. Im Rahmen dieser Arbeit werden eine allgemeine vergleichende Studie sowie Leistungskennzahlen entwickelt, die es erlauben, modell-basierte und -freie Methoden quantitativ bezüglich ihres Lösungsverhaltens zu vergleichen. Die Anwendung der Studie auf ein akademisches Beispiel zeigt Unterschiede und Kompromisse sowie Break-Even-Punkte zwischen den Problemformulierungen. Diese Arbeit schlägt basierend auf dieser Grundlage zwei mögliche Kombinationen vor, deren Eigenschaften bewiesen und in Simulation untersucht werden. Außerdem wird die besser abschneidende Variante auf dem humanoiden Roboter Leo implementiert und mit einem nominellen modell-basierten Regler verglichen

Modelling, Monitoring, Control and Optimization for Complex Industrial Processes

This reprint includes 22 research papers and an editorial, collected from the Special Issue "Modelling, Monitoring, Control and Optimization for Complex Industrial Processes", highlighting recent research advances and emerging research directions in complex industrial processes. This reprint aims to promote the research field and benefit the readers from both academic communities and industrial sectors

Crew Management in Passenger Rail Transport

__Abstract__ Crew management in passenger rail transport is an important factor that contributes to both the quality of service to the railway passengers and to the operational costs of the train operating company. This thesis describes how the (railway) Crew Management process can be improved with the introduction of advanced decision support systems, based on advanced mathematical models and algorithms. We provide a managerial perspective on the change process, related to the introduction of these systems, and give an overview of the lessons learned. We have shown that introducing decision support can give substantial improvements in the overall performance of a railway company. Within NS, the support for the Crew Management process has led to a stable relationship between management and train crew. In addition, the lead-time of the planning process is shortened from months to hours and NS is now able to perform scenario analyses, e.g., to study effects of adjusting the labour rules. Also, NS can adjust their service when severe weather conditions are expected, by creating a specific winter timetable shortly before the day of operation. Finally, we also introduced a decision support system for real-time rescheduling of crew duties on the day of operations. This enables us to adapt the actual crew schedules very quickly. As a result, we reduce the number of cancelled trains and fewer trains will be delayed in case of unforeseen disruptions