679 research outputs found

    UMSL Bulletin 2023-2024

    Get PDF
    The 2023-2024 Bulletin and Course Catalog for the University of Missouri St. Louis.https://irl.umsl.edu/bulletin/1088/thumbnail.jp

    Forest planning utilizing high spatial resolution data

    Get PDF
    This thesis presents planning approaches adapted for high spatial resolution data from remote sensing and evaluate whether such approaches can enhance the provision of ecosystem services from forests. The presented methods are compared with conventional, stand-level methods. The main focus lies on the planning concept of dynamic treatment units (DTU), where treatments in small units for modelling ecosystem processes and forest management are clustered spatiotemporally to form treatment units realistic in practical forestry. The methodological foundation of the thesis is mainly airborne laser scanning data (raster cells 12.5x12.5 m2), different optimization methods and the forest decision support system Heureka. Paper I demonstrates a mixed-integer programming model for DTU planning, and the results highlight the economic advances of clustering harvests. Paper II and III presents an addition to a DTU heuristic from the literature and further evaluates its performance. Results show that direct modelling of fixed costs for harvest operations can improve plans and that DTU planning enhances the economic outcome of forestry. The higher spatial resolution of data in the DTU approach enables the planning model to assign management with higher precision than if stand-based planning is applied. Paper IV evaluates whether this phenomenon is also valid for ecological values. Here, an approach adapted for cell-level data is compared to a schematic approach, dealing with stand-level data, for the purpose of allocating retention patches. The evaluation of economic and ecological values indicate that high spatial resolution data and an adapted planning approach increased the ecological values, while differences in economy were small. In conclusion, the studies in this thesis demonstrate how forest planning can utilize high spatial resolution data from remote sensing, and the results suggest that there is a potential to increase the overall provision of ecosystem services if such methods are applied

    Exploration autonome et efficiente de chantiers miniers souterrains inconnus avec un drone filaire

    Get PDF
    Abstract: Underground mining stopes are often mapped using a sensor located at the end of a pole that the operator introduces into the stope from a secure area. The sensor emits laser beams that provide the distance to a detected wall, thus creating a 3D map. This produces shadow zones and a low point density on the distant walls. To address these challenges, a research team from the Université de Sherbrooke is designing a tethered drone equipped with a rotating LiDAR for this mission, thus benefiting from several points of view. The wired transmission allows for unlimited flight time, shared computing, and real-time communication. For compatibility with the movement of the drone after tether entanglements, the excess length is integrated into an onboard spool, contributing to the drone payload. During manual piloting, the human factor causes problems in the perception and comprehension of a virtual 3D environment, as well as the execution of an optimal mission. This thesis focuses on autonomous navigation in two aspects: path planning and exploration. The system must compute a trajectory that maps the entire environment, minimizing the mission time and respecting the maximum onboard tether length. Path planning using a Rapidly-exploring Random Tree (RRT) quickly finds a feasible path, but the optimization is computationally expensive and the performance is variable and unpredictable. Exploration by the frontier method is representative of the space to be explored and the path can be optimized by solving a Traveling Salesman Problem (TSP) but existing techniques for a tethered drone only consider the 2D case and do not optimize the global path. To meet these challenges, this thesis presents two new algorithms. The first one, RRT-Rope, produces an equal or shorter path than existing algorithms in a significantly shorter computation time, up to 70% faster than the next best algorithm in a representative environment. A modified version of RRT-connect computes a feasible path, shortened with a deterministic technique that takes advantage of previously added intermediate nodes. The second algorithm, TAPE, is the first 3D cavity exploration method that focuses on minimizing mission time and unwound tether length. On average, the overall path is 4% longer than the method that solves the TSP, but the tether remains under the allowed length in 100% of the simulated cases, compared to 53% with the initial method. The approach uses a 2-level hierarchical architecture: global planning solves a TSP after frontier extraction, and local planning minimizes the path cost and tether length via a decision function. The integration of these two tools in the NetherDrone produces an intelligent system for autonomous exploration, with semi-autonomous features for operator interaction. This work opens the door to new navigation approaches in the field of inspection, mapping, and Search and Rescue missions.La cartographie des chantiers miniers souterrains est souvent réalisée à l’aide d’un capteur situé au bout d’une perche que l’opérateur introduit dans le chantier, depuis une zone sécurisée. Le capteur émet des faisceaux laser qui fournissent la distance à un mur détecté, créant ainsi une carte en 3D. Ceci produit des zones d’ombres et une faible densité de points sur les parois éloignées. Pour relever ces défis, une équipe de recherche de l’Université de Sherbrooke conçoit un drone filaire équipé d’un LiDAR rotatif pour cette mission, bénéficiant ainsi de plusieurs points de vue. La transmission filaire permet un temps de vol illimité, un partage de calcul et une communication en temps réel. Pour une compatibilité avec le mouvement du drone lors des coincements du fil, la longueur excédante est intégrée dans une bobine embarquée, qui contribue à la charge utile du drone. Lors d’un pilotage manuel, le facteur humain entraîne des problèmes de perception et compréhension d’un environnement 3D virtuel, et d’exécution d’une mission optimale. Cette thèse se concentre sur la navigation autonome sous deux aspects : la planification de trajectoire et l’exploration. Le système doit calculer une trajectoire qui cartographie l’environnement complet, en minimisant le temps de mission et en respectant la longueur maximale de fil embarquée. La planification de trajectoire à l’aide d’un Rapidly-exploring Random Tree (RRT) trouve rapidement un chemin réalisable, mais l’optimisation est coûteuse en calcul et la performance est variable et imprévisible. L’exploration par la méthode des frontières est représentative de l’espace à explorer et le chemin peut être optimisé en résolvant un Traveling Salesman Problem (TSP), mais les techniques existantes pour un drone filaire ne considèrent que le cas 2D et n’optimisent pas le chemin global. Pour relever ces défis, cette thèse présente deux nouveaux algorithmes. Le premier, RRT-Rope, produit un chemin égal ou plus court que les algorithmes existants en un temps de calcul jusqu’à 70% plus court que le deuxième meilleur algorithme dans un environnement représentatif. Une version modifiée de RRT-connect calcule un chemin réalisable, raccourci avec une technique déterministe qui tire profit des noeuds intermédiaires préalablement ajoutés. Le deuxième algorithme, TAPE, est la première méthode d’exploration de cavités en 3D qui minimise le temps de mission et la longueur du fil déroulé. En moyenne, le trajet global est 4% plus long que la méthode qui résout le TSP, mais le fil reste sous la longueur autorisée dans 100% des cas simulés, contre 53% avec la méthode initiale. L’approche utilise une architecture hiérarchique à 2 niveaux : la planification globale résout un TSP après extraction des frontières, et la planification locale minimise le coût du chemin et la longueur de fil via une fonction de décision. L’intégration de ces deux outils dans le NetherDrone produit un système intelligent pour l’exploration autonome, doté de fonctionnalités semi-autonomes pour une interaction avec l’opérateur. Les travaux réalisés ouvrent la porte à de nouvelles approches de navigation dans le domaine des missions d’inspection, de cartographie et de recherche et sauvetage

    2017 GREAT Day Program

    Get PDF
    SUNY Geneseo’s Eleventh Annual GREAT Day.https://knightscholar.geneseo.edu/program-2007/1011/thumbnail.jp

    Application of nature-inspired optimization algorithms to improve the production efficiency of small and medium-sized bakeries

    Get PDF
    Increasing production efficiency through schedule optimization is one of the most influential topics in operations research that contributes to decision-making process. It is the concept of allocating tasks among available resources within the constraints of any manufacturing facility in order to minimize costs. It is carried out by a model that resembles real-world task distribution with variables and relevant constraints in order to complete a planned production. In addition to a model, an optimizer is required to assist in evaluating and improving the task allocation procedure in order to maximize overall production efficiency. The entire procedure is usually carried out on a computer, where these two distinct segments combine to form a solution framework for production planning and support decision-making in various manufacturing industries. Small and medium-sized bakeries lack access to cutting-edge tools, and most of their production schedules are based on personal experience. This makes a significant difference in production costs when compared to the large bakeries, as evidenced by their market dominance. In this study, a hybrid no-wait flow shop model is proposed to produce a production schedule based on actual data, featuring the constraints of the production environment in small and medium-sized bakeries. Several single-objective and multi-objective nature-inspired optimization algorithms were implemented to find efficient production schedules. While makespan is the most widely used quality criterion of production efficiency because it dominates production costs, high oven idle time in bakeries also wastes energy. Combining these quality criteria allows for additional cost reduction due to energy savings as well as shorter production time. Therefore, to obtain the efficient production plan, makespan and oven idle time were included in the objectives of optimization. To find the optimal production planning for an existing production line, particle swarm optimization, simulated annealing, and the Nawaz-Enscore-Ham algorithms were used. The weighting factor method was used to combine two objectives into a single objective. The classical optimization algorithms were found to be good enough at finding optimal schedules in a reasonable amount of time, reducing makespan by 29 % and oven idle time by 8 % of one of the analyzed production datasets. Nonetheless, the algorithms convergence was found to be poor, with a lower probability of obtaining the best or nearly the best result. In contrast, a modified particle swarm optimization (MPSO) proposed in this study demonstrated significant improvement in convergence with a higher probability of obtaining better results. To obtain trade-offs between two objectives, state-of-the-art multi-objective optimization algorithms, non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II), strength Pareto evolutionary algorithm, generalized differential evolution, improved multi-objective particle swarm optimization (OMOPSO) and speed-constrained multi-objective particle swarm optimization (SMPSO) were implemented. Optimization algorithms provided efficient production planning with up to a 12 % reduction in makespan and a 26 % reduction in oven idle time based on data from different production days. The performance comparison revealed a significant difference between these multi-objective optimization algorithms, with NSGA-II performing best and OMOPSO and SMPSO performing worst. Proofing is a key processing stage that contributes to the quality of the final product by developing flavor and fluffiness texture in bread. However, the duration of proofing is uncertain due to the complex interaction of multiple parameters: yeast condition, temperature in the proofing chamber, and chemical composition of flour. Due to the uncertainty of proofing time, a production plan optimized with the shortest makespan can be significantly inefficient. The computational results show that the schedules with the shortest and nearly shortest makespan have a significant (up to 18 %) increase in makespan due to proofing time deviation from expected duration. In this thesis, a method for developing resilient production planning that takes into account uncertain proofing time is proposed, so that even if the deviation in proofing time is extreme, the fluctuation in makespan is minimal. The experimental results with a production dataset revealed a proactive production plan, with only 5 minutes longer than the shortest makespan, but only 21 min fluctuating in makespan due to varying the proofing time from -10 % to +10 % of actual proofing time. This study proposed a common framework for small and medium-sized bakeries to improve their production efficiency in three steps: collecting production data, simulating production planning with the hybrid no-wait flow shop model, and running the optimization algorithm. The study suggests to use MPSO for solving single objective optimization problem and NSGA-II for multi-objective optimization problem. Based on real bakery production data, the results revealed that existing plans were significantly inefficient and could be optimized in a reasonable computational time using a robust optimization algorithm. Implementing such a framework in small and medium-sized bakery manufacturing operations could help to achieve an efficient and resilient production system.Die Steigerung der Produktionseffizienz durch die Optimierung von Arbeitsplänen ist eines der am meisten erforschten Themen im Bereich der Unternehmensplanung, die zur Entscheidungsfindung beiträgt. Es handelt sich dabei um die Aufteilung von Aufgaben auf die verfügbaren Ressourcen innerhalb der Beschränkungen einer Produktionsanlage mit dem Ziel der Kostenminimierung. Diese Optimierung von Arbeitsplänen wird mit Hilfe eines Modells durchgeführt, das die Aufgabenverteilung in der realen Welt mit Variablen und relevanten Einschränkungen nachbildet, um die Produktion zu simulieren. Zusätzlich zu einem Modell sind Optimierungsverfahren erforderlich, die bei der Bewertung und Verbesserung der Aufgabenverteilung helfen, um eine effiziente Gesamtproduktion zu erzielen. Das gesamte Verfahren wird in der Regel auf einem Computer durchgeführt, wobei diese beiden unterschiedlichen Komponenten (Modell und Optimierungsverfahren) zusammen einen Lösungsrahmen für die Produktionsplanung bilden und die Entscheidungsfindung in verschiedenen Fertigungsindustrien unterstützen. Kleine und mittelgroße Bäckereien haben zumeist keinen Zugang zu den modernsten Werkzeugen und die meisten ihrer Produktionspläne beruhen auf persönlichen Erfahrungen. Dies macht einen erheblichen Unterschied bei den Produktionskosten im Vergleich zu den großen Bäckereien aus, was sich in deren Marktdominanz widerspiegelt. In dieser Studie wird ein hybrides No-Wait-Flow-Shop-Modell vorgeschlagen, um einen Produktionsplan auf der Grundlage tatsächlicher Daten zu erstellen, der die Beschränkungen der Produktionsumgebung in kleinen und mittleren Bäckereien berücksichtigt. Mehrere einzel- und mehrzielorientierte, von der Natur inspirierte Optimierungsalgorithmen wurden implementiert, um effiziente Produktionspläne zu berechnen. Die Minimierung der Produktionsdauer ist das am häufigsten verwendete Qualitätskriterium für die Produktionseffizienz, da sie die Produktionskosten dominiert. Jedoch wird in Bäckereien durch hohe Leerlaufzeiten der Öfen Energie verschwendet was wiederum die Produktionskosten erhöht. Die Kombination beider Qualitätskriterien (minimale Produktionskosten, minimale Leerlaufzeiten der Öfen) ermöglicht eine zusätzliche Kostenreduzierung durch Energieeinsparungen und kurze Produktionszeiten. Um einen effizienten Produktionsplan zu erhalten, wurden daher die Minimierung der Produktionsdauer und der Ofenleerlaufzeit in die Optimierungsziele einbezogen. Um optimale Produktionspläne für bestehende Produktionsprozesse von Bäckereien zu ermitteln, wurden folgende Algorithmen untersucht: Particle Swarm Optimization, Simulated Annealing und Nawaz-Enscore-Ham. Die Methode der Gewichtung wurde verwendet, um zwei Ziele zu einem einzigen Ziel zu kombinieren. Die Optimierungsalgorithmen erwiesen sich als gut genug, um in angemessener Zeit optimale Pläne zu berechnen, wobei bei einem untersuchten Datensatz die Produktionsdauer um 29 % und die Leerlaufzeit des Ofens um 8 % reduziert wurde. Allerdings erwies sich die Konvergenz der Algorithmen als unzureichend, da nur mit einer geringen Wahrscheinlichkeit das beste oder nahezu beste Ergebnis berechnet wurde. Im Gegensatz dazu zeigte der in dieser Studie ebenfalls untersuchte modifizierte Particle-swarm-Optimierungsalgorithmus (mPSO) eine deutliche Verbesserung der Konvergenz mit einer höheren Wahrscheinlichkeit, bessere Ergebnisse zu erzielen im Vergleich zu den anderen Algorithmen. Um Kompromisse zwischen zwei Zielen zu erzielen, wurden moderne Algorithmen zur Mehrzieloptimierung implementiert: Non-dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II), Strength Pareto Evolutionary Algorithm, Generalized Differential Evolution, Improved Multi-objective Particle Swarm Optimization (OMOPSO), and Speed-constrained Multi-objective Particle Swarm Optimization (SMPSO). Die Optimierungsalgorithmen ermöglichten eine effiziente Produktionsplanung mit einer Verringerung der Produktionsdauer um bis zu 12 % und einer Verringerung der Leerlaufzeit der Öfen um 26 % auf der Grundlage von Daten aus unterschiedlichen Produktionsprozessen. Der Leistungsvergleich zeigte signifikante Unterschiede zwischen diesen Mehrziel-Optimierungsalgorithmen, wobei NSGA-II am besten und OMOPSO und SMPSO am schlechtesten abschnitten. Die Gärung ist ein wichtiger Verarbeitungsschritt, der zur Qualität des Endprodukts beiträgt, indem der Geschmack und die Textur des Brotes positiv beeinflusst werden kann. Die Dauer der Gärung ist jedoch aufgrund der komplexen Interaktion von mehreren Größen abhängig wie der Hefezustand, der Temperatur in der Gärkammer und der chemischen Zusammensetzung des Mehls. Aufgrund der Variabilität der Gärzeit kann jedoch ein Produktionsplan, der auf die kürzeste Produktionszeit optimiert ist, sehr ineffizient sein. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass die Pläne mit der kürzesten und nahezu kürzesten Produktionsdauer eine erhebliche (bis zu 18 %) Erhöhung der Produktionsdauer aufgrund der Abweichung der Gärzeit von der erwarteten Dauer aufweisen. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Entwicklung einer robusten Produktionsplanung vorgeschlagen, die Veränderungen in den Gärzeiten berücksichtigt, so dass selbst bei einer extremen Abweichung der Gärzeit die Schwankung der Produktionsdauer minimal ist. Die experimentellen Ergebnisse für einen Produktionsprozess ergaben einen robusten Produktionsplan, der nur 5 Minuten länger ist als die kürzeste Produktionsdauer, aber nur 21 Minuten in der Produktionsdauer schwankt, wenn die Gärzeit von -10 % bis +10 % der ermittelten Gärzeit variiert. In dieser Studie wird ein Vorgehen für kleine und mittlere Bäckereien vorgeschlagen, um ihre Produktionseffizienz in drei Schritten zu verbessern: Erfassung von Produktionsdaten, Simulation von Produktionsplänen mit dem hybrid No-Wait Flow Shop Modell und Ausführung der Optimierung. Für die Einzieloptimierung wird der mPSO-Algorithmus und für die Mehrzieloptimierung NSGA-II-Algorithmus empfohlen. Auf der Grundlage realer Bäckereiproduktionsdaten zeigten die Ergebnisse, dass die in den Bäckereien verwendeten Pläne ineffizient waren und mit Hilfe eines effizienten Optimierungsalgorithmus in einer angemessenen Rechenzeit optimiert werden konnten. Die Umsetzung eines solchen Vorgehens in kleinen und mittelgroßen Bäckereibetrieben trägt dazu bei effiziente und robuste Produktionspläne zu erstellen und somit die Wettbewerbsfähigkeit dieser Bäckereien zu erhöhen

    Artificial Intelligence as an Enabler of Quick and Effective Production Repurposing Manufactur-ing: An Exploratory Review and Future Research Propositions

    Get PDF
    The outbreak of Covid-19 created disruptions in manufacturing operations. One of the most serious negative impacts is the shortage of critical medical supplies. Manufacturing firms faced pressure from governments to use their manufacturing capacity to repurpose their production for meeting the critical demand for necessary products. For this purpose, recent advancements in technology and artificial intelligence (AI) could act as response solutions to conquer the threats linked with repurposing manufacturing (RM). The study’s purpose is to investigate the significance of AI in RM through a systematic literature review (SLR). This study gathered around 453 articles from the SCOPUS database in the selected research field. Structural Topic Modeling (STM) was utilized to generate emerging research themes from the selected documents on AI in RM. In addition, to study the research trends in the field of AI in RM, a bibliometric analysis was undertaken using the R-package. The findings of the study showed that there is a vast scope for research in this area as the yearly global production of articles in this field is limited. However, it is an evolving field and many research collaborations were identified. The study proposes a comprehensive research framework and propositions for future research development

    Structural optimization in steel structures, algorithms and applications

    Get PDF
    L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

    Modeling and Optimizing the Logistic Routing of Biomass Side-Flows for Circular Bioeconomy : Applying a Genetic Algorithm-Based Discrete Event Simulation Approach

    Get PDF
    The acceleration of climate change has led regulators to impose constraints and incentives, encouraging both companies and individuals to align their actions with the goals of a green transition. There's a growing imperative to reduce waste and emissions while simultaneously maximizing the utilization of waste and by-products as valuable resources. These trends are driving societies toward adopting principles of the Circular Economy (CE). As the consumption of fossil energy sources needs to be reduced, the development and production of renewable energy sources become essential. Biogas, a form of renewable energy, offers an efficient way to utilize agricultural bio-based waste and side-flows, contributing to waste reduction and providing an alternative to fossil fuels. This approach aligns with the principles of the Circular Bioeconomy (CBE). However, establishing a circular supply chain for biogas production from biomasses is a complex endeavor. To ensure effective and sustainable operations within this system, logistics planning is crucial. This involves determining where, when, and how much biomass should be imported and transported for biogas production. It presents a multi-objective optimization problem, aiming to guarantee continuous biogas production while minimizing the costs associated with transporting biomass flows and other occurred inefficiencies. This study models and simulates a circular supply chain that produces biogas from agricultural biowastes and side-flows. The supply chain in question encompasses a biogas plant, which is currently in the design phase but will later be constructed in the Kanta-Häme region of Finland. It also involves farms located in nearby areas, which are potential sources of biomass. The modeling aspect aims to optimize the logistics of collecting and transporting various types of biomasses from the farms to the biogas plant for use in the biogas production process. To achieve this optimization, a simulation model that utilizes a genetic algorithm (GA) has been developed. The objectives of the study include generating knowledge about both general and case-specific factors that should be considered when planning logistic routing to align with the principles of the Circular Bioeconomy (CBE). Another objective is to create an optimized routing plan for collecting resources for biogas production at the plant. Additionally, this study seeks to contribute to understanding of how time-critical factors, such as the quality of biomasses in terms of their energy potential, impact the optimization of logistic routing. The study successfully maps the biomass potentials near the biogas plant and develops a methodology for optimizing the logistic routing of biomasses using the simulation model and the genetic algorithm. The study achieves the objective of generating an optimized routing proposal for the biogas plant in the case study, ensuring a continuous biogas production process. However, it is important to note that the results of the study may be suboptimal due to the complexity of the optimization problem and the time constraints of the research. The time-critical nature of biomasses should be considered when planning logistic systems for biogas production to avoid unnecessary costs. Limitations of the study include the use of non-farm-specific datasets, simplifying assumptions made in the simulation model, and time constraints that influenced the optimization stopping criteria and the potential for suboptimal results. Further research on this topic is necessary, either with more advanced methods or by allocating more computational time for optimization
    • …
    corecore