Modeling and Optimal Design of Machining-Induced Residual Stresses in Aluminium Alloys Using a Fast Hierarchical Multiobjective Optimization Algorithm

The residual stresses induced during shaping and machining play an important role in determining the integrity and durability of metal components. An important issue of producing safety critical components is to find the machining parameters that create compressive surface stresses or minimise tensile surface stresses. In this paper, a systematic data-driven fuzzy modelling methodology is proposed, which allows constructing transparent fuzzy models considering both accuracy and interpretability attributes of fuzzy systems. The new method employs a hierarchical optimisation structure to improve the modelling efficiency, where two learning mechanisms cooperate together: NSGA-II is used to improve the model’s structure while the gradient descent method is used to optimise the numerical parameters. This hybrid approach is then successfully applied to the problem that concerns the prediction of machining induced residual stresses in aerospace aluminium alloys. Based on the developed reliable prediction models, NSGA-II is further applied to the multi-objective optimal design of aluminium alloys in a ‘reverse-engineering’ fashion. It is revealed that the optimal machining regimes to minimise the residual stress and the machining cost simultaneously can be successfully located

Linking objective and subjective modeling in engineering design through arc-elastic dominance

Engineering design in mechanics is a complex activity taking into account both objective modeling processes derived from physical analysis and designers’ subjective reasoning. This paper introduces arc-elastic dominance as a suitable concept for ranking design solutions according to a combination of objective and subjective models. Objective models lead to the aggregation of information derived from physics, economics or eco-environmental analysis into a performance indicator. Subjective models result in a confidence indicator for the solutions’ feasibility. Arc-elastic dominant design solutions achieve an optimal compromise between gain in performance and degradation in confidence. Due to the definition of arc-elasticity, this compromise value is expressive and easy for designers to interpret despite the difference in the nature of the objective and subjective models. From the investigation of arc-elasticity mathematical properties, a filtering algorithm of Pareto-efficient solutions is proposed and illustrated through a design knowledge modeling framework. This framework notably takes into account Harrington’s desirability functions and Derringer’s aggregation method. It is carried out through the re-design of a geothermal air conditioning system

Tuning a fuzzy controller using quadratic response surfaces

Response surface methodology, an alternative method to traditional tuning of a fuzzy controller, is described. An example based on a simulated inverted pendulum 'plant' shows that with (only) 15 trial runs, the controller can be calibrated using a quadratic form to approximate the response surface

Keberkesanan modul infusi kemahiran berfikir aras tinggi pembelajaran luar bilik darjah (iKBAT-PLBD) bagi bidang pembelajaran sukatan dan geometri

Kemahiran berfikir aras tinggi (KBAT) merupakan satu kemahiran berfikir yang sangat diperlukan dalam mendepani cabaran kehidupan masa kini terutama dalam bidang matematik. Oleh itu, kajian ini dijalankan untuk mengkaji sama ada KBAT matematik pelajar dapat ditingkatkan dengan menggunakan modul infusi Kemahiran Berfikir Aras Tinggi - Pembelajaran Luar Bilik Darjah (iKBAT–PLBD) atau tidak? Justeru itu, satu kerangka perancangan telah dibuat terhadap empat kemahiran tertinggi dalam Taksonomi Bloom semakan semula yang juga merupakan konstruk utama dalam KBAT. Konstruk KBAT tersebut ialah konstruk menganlisis, mengaplikasi menilai dan mencipta. Sampel kajian ini melibatkan 120 pelajar tingkatan 1 di empat buah sekolah yang berbeza di negeri Johor. Dalam menjalankan kajian kuasi eksperimental ini, data dikumpul melalui kajian keputusan ujian pra dan ujian pos sebelum dan selepas menggunakan modul bagi kumpulan rawatan. Manakala pendekatan PdP tradisional pula digunakan bagi kumpulan kawalan. Hasil daripada analisis data menunjukkan bahawa aktiviti pembelajaran dan pemudahcaraan (PdPc) yang bertunjangkan modul iKBAT–PLBD telah dapat meningkatkan penguasaan matematik pelajar dalam kempat-empat tahap KBAT serta bagi keseluruhan tahap. Dapatan kajian ini menunjukkan terdapat perbezaan yang signifikasi antara kumpulan kawalan dan kumpulan rawatan terhadap peningkatan KBAT pelajar dalam matematik dengan menggunakan pendekatan iKBAT–PLBD bagi tahap mengaplikasi, menganalisis, menilai, mencipta juga secara keseluruhan. Kesimpulannya, kajian ini dapat memberi manfaat kepada semua pihak termasuk pihak Kementerian Pendidikan Malaysia (KPM), pihak pentadbiran sekolah, ibubapa, guru matematik malah bagi pelajar itu dari segi pengubalan dasar yang berkaitan, pengaplikasian dan sebagai satu bukti keberkesanan dalam proses pemerkasaan KBAT matematik di Malaysia

Fuzzy investment decision support for brownfield redevelopment

Tato disertační práce se zaměřuje na problematiku investování a podporu rozhodování pomocí moderních metod. Zejména pokud jde o analýzu, hodnocení a výběr tzv. brownfieldů pro jejich redevelopment (revitalizaci). Cílem této práce je navrhnout univerzální metodu, která usnadní rozhodovací proces. Proces rozhodování je v praxi komplikován též velkým počet relevantních parametrů ovlivňujících konečné rozhodnutí. Navržená metoda je založena na využití fuzzy logiky, modelování, statistické analýzy, shlukové analýzy, teorie grafů a na sofistikovaných metodách sběru a zpracování informací. Nová metoda umožňuje zefektivnit proces analýzy a porovnávání alternativních investic a přesněji zpracovat velký objem informací. Ve výsledku tak bude zmenšen počet prvků množiny nejvhodnějších alternativních investic na základě hierarchie parametrů stanovených investorem.This dissertation focuses on decision making, investing and brownfield redevelopment. Especially on the analysis, evaluation and selection of previously used real estates suitable for commercial use. The objective of this dissertation is to design a method that facilitates the decision making process with many possible alternatives and large number of relevant parameters influencing the decision. The proposed method is based on the use of fuzzy logic, modeling, statistic analysis, cluster analysis, graph theory and sophisticated methods of information collection and processing. New method allows decision makers to process much larger amount of information and evaluate possible investment alternatives efficiently.

Designing Software Architectures As a Composition of Specializations of Knowledge Domains

This paper summarizes our experimental research and software development activities in designing robust, adaptable and reusable software architectures. Several years ago, based on our previous experiences in object-oriented software development, we made the following assumption: ‘A software architecture should be a composition of specializations of knowledge domains’. To verify this assumption we carried out three pilot projects. In addition to the application of some popular domain analysis techniques such as use cases, we identified the invariant compositional structures of the software architectures and the related knowledge domains. Knowledge domains define the boundaries of the adaptability and reusability capabilities of software systems. Next, knowledge domains were mapped to object-oriented concepts. We experienced that some aspects of knowledge could not be directly modeled in terms of object-oriented concepts. In this paper we describe our approach, the pilot projects, the experienced problems and the adopted solutions for realizing the software architectures. We conclude the paper with the lessons that we learned from this experience

Designing a fuzzy scheduler for hard real-time systems

In hard real-time systems, tasks have to be performed not only correctly, but also in a timely fashion. If timing constraints are not met, there might be severe consequences. Task scheduling is the most important problem in designing a hard real-time system, because the scheduling algorithm ensures that tasks meet their deadlines. However, the inherent nature of uncertainty in dynamic hard real-time systems increases the problems inherent in scheduling. In an effort to alleviate these problems, we have developed a fuzzy scheduler to facilitate searching for a feasible schedule. A set of fuzzy rules are proposed to guide the search. The situation we are trying to address is the performance of the system when no feasible solution can be found, and therefore, certain tasks will not be executed. We wish to limit the number of important tasks that are not scheduled

Examples of Artificial Perceptions in Optical Character Recognition and Iris Recognition

This paper assumes the hypothesis that human learning is perception based, and consequently, the learning process and perceptions should not be represented and investigated independently or modeled in different simulation spaces. In order to keep the analogy between the artificial and human learning, the former is assumed here as being based on the artificial perception. Hence, instead of choosing to apply or develop a Computational Theory of (human) Perceptions, we choose to mirror the human perceptions in a numeric (computational) space as artificial perceptions and to analyze the interdependence between artificial learning and artificial perception in the same numeric space, using one of the simplest tools of Artificial Intelligence and Soft Computing, namely the perceptrons. As practical applications, we choose to work around two examples: Optical Character Recognition and Iris Recognition. In both cases a simple Turing test shows that artificial perceptions of the difference between two characters and between two irides are fuzzy, whereas the corresponding human perceptions are, in fact, crisp.Comment: 5th Int. Conf. on Soft Computing and Applications (Szeged, HU), 22-24 Aug 201

An adaptive neuro fuzzy inference system to model the uniaxial compressive strength of cemented hydraulic backfill

Purpose. The purpose of this paper is to develop the models for predicting the uniaxial compressive strength (UCS) of cemented hydraulic backfill (CHB), a widely used technique for filling underground voids created by mining operations as it provides the high strength required for safe and economical working environment and allows the use of waste rock from mining operations as well as tailings from mineral processing plants as ingredients. Methods. In this study, different modelling techniques such as conventional linear, nonlinear multiple regression and one of the evolving soft computing methods, adaptive neuro fuzzy inference system (ANFIS), were used for the prediction of UCS, the main criterion used to design backfill recipe. Findings. Statistical performance indices used to evaluate the efficiency of the developed models indicated that the ANFIS model can effectively be implemented for designing CHB with desired UCS. As proved by the performance indicators ANFIS model gives more compatible results with the expert opinion and current literature than conventional modelling techniques. Originality. In order to construct the models a very large database, containing more than 1600 UCS test results, was used. In addition to widely used conventional regression based modelling techniques, one of the evolving soft computing methods, ANFIS was employed. Numerical examples showing the implementation of constructed models were provided. Practical implementation. As proved by the statistical performance indicators, the developed models can be used for a reliable prediction of the UCS of CHB. However, more accurate results can be achieved by expanding the database and by constructing improved models using the algorithm presented in this paper.Мета. Побудова моделей для прогнозування межі міцності при одноосьовому стисканні цементної гідравлічної закладки для заповнення вироблених просторів шахт. Методика. Для досягнення поставленої мети були використані різні методи моделювання: лінійна та нелінійна множинна регресія, а також порівняно недавно став популярним метод програмування – адаптивне нейронечітке логічне виведення (ANFIS). За їх допомогою було спрогнозовано зміну міцності на одноосьове стискання, що є ключовим показником для визначення складу закладної суміші. Для побудови моделей використана значна база даних, яка включає результати більш ніж 1600 випробувань на одноосьове стискання. Лабораторними дослідженнями також визначалися властивості закладних матеріалів і суміші. Результати. Модель ANFIS дала найкращу продуктивність з урахуванням статистичних показників ефективності, таких як середня абсолютна процентна похибка і змінний обліковий запис. Статистичні показники продуктивності, які використовуються для оцінки ефективності розроблених моделей, свідчать, що моделювання за допомогою ANFIS дозволяє отримати результати, які більше відповідають експертній оцінці та даним з сучасної літератури, ніж інформація, отримана за допомогою традиційного моделювання. Встановлено, що на відміну від регресивного моделювання, ANFIS не вимагає заздалегідь визначених математичних рівнянь для взаємозв’язку між вхідними та вихідними змінними і використовує наданий набір даних для ефективного визначення структури моделі. Наукова новизна. Вперше для прогнозування міцності при одноосьовому стисканні були використані не лише традиційні способи моделювання, засновані на регресії, а й інноваційний метод програмування – адаптивне нейронечітке логічне виведення ANFIS. У статті наведені чисельні приклади впровадження нових побудованих моделей. Практична значимість. Статистичні індикатори продуктивності показали, що розроблені моделі можуть бути використані для надійного прогнозування міцності при одноосьовому стисканні й оптимальної рецептури закладної суміші. Однак, щоб отримати більш точні результати, необхідно мати більш широку базу даних і створити більш досконалі моделі на основі алгоритму, запропонованому в даній статті.Цель. Построение моделей для прогнозирования предела прочности при одноосном сжатии цементной гидравлической закладки для заполнения выработанных пространств шахт. Методика. Для достижения поставленной цели были использованы различные методы моделирования: линейная и нелинейная множественная регрессия, а также сравнительно недавно ставший популярным метод программирования – адаптивный нейронечеткий логический вывод (ANFIS). С их помощью было спрогнозировано изменение прочности на одноосное сжатие, что является ключевым показателем для определения состава закладочной смеси. Для построения моделей использована обширная база данных, которая включает результаты более чем 1600 испытаний на одноосное сжатие. Лабораторными исследованиями также определялись свойства закладочных материалов и смеси. Результаты. Модель ANFIS дала наилучшую производительность с учетом статистических показателей эффективности, таких как средняя абсолютная процентная погрешность и переменная учетная запись. Статистические показатели производительности, используемые для оценки эффективности разработанных моделей, свидетельствуют, что моделирование с помощью ANFIS позволяет получить результаты, которые более соответствуют экспертной оценке и данным из современной литературы, чем информация, полученная при помощи традиционного моделирования. Установлено, что в отличие от регрессионного моделирования, ANFIS не требует заранее определенных математических уравнений для взаимосвязи между входными и выходными переменными и использует предоставленный набор данных для эффективного определения структуры модели. Научная новизна. Впервые для прогнозирования прочности при одноосном сжатии были использованы не только традиционные способы моделирования, основанные на регрессии, но и инновационный метод программирования – адаптивный нейронечеткий логический вывод ANFIS. В статье приведены численные примеры внедрения новых построенных моделей. Практическая значимость. Статистические индикаторы производительности показали, что разработанные модели могут быть использованы для надежного прогнозирования прочности при одноосном сжатии и оптимальной рецептуры закладочной смеси. Однако, чтобы получить более точные результаты, необходимо иметь более широкую базу данных и создать более совершенные модели на основе алгоритма, предложенного в данной статье.The authors thank the staff and the managers of Jinfeng underground gold mine for their helps and cooperation during field and laboratory studies. The company is also acknowledged for the permission to use and publish the data