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The quality-aware service selection problem: an adaptive evolutionary approach
Die Qualität der Serviceerbringung (kurz QoS) ist ein wichtiger Aspekt in verteilten, Service-orientierten Systemen. Wenn mehrere Implementierungen einer Funktionalität koexistieren, kann die Wahl eines konkreten Services aufgrund von QoS-Aspekten getroffen werden. Leistung, Verfügbarkeit und Kosten sind Beispiele für QoS-Attribute eines Services. In der vorliegenden Dissertation werden Aspekte dieses Selektionsproblems anhand eines konkreten, Service-orientieren Systems vertieft. Es handelt sich dabei um das TAG-System in ATLAS, einem Hochenergiephysikexperiment am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung. Die Daten und Services des TAG-Systems sind weltweit verteilt und müssen auf Anfrage selektiert und zu einem Workflow zusammengesetzt werden. Die Optimierung wird aus zwei unterschiedlichen Blickwinkeln. Die Selektion wird als ein dynamisches Pfadoptimierungsproblem unter Nebenbedingungen modelliert, wodurch QoS-Attribute sowohl der Knoten (Services) als auch der Kanten (Netzwerk) berücksichtigt werden können. Dynamische Aspekte des verteilten sind in der Problemformulierung integriert, da sie eine spezifische Herausforderung und Anforderung an Lösungsalgorithmen stellen. Für die dynamische Pareto-Optimierung von Serviceselektionsproblemen wird im Rahmen dieser Arbeit ein Optimierungsansatz mit einem genetischen Algorithmus präsentiert, der über einen persistenten Speicher von früheren Lösungen sowie eine automatische Adaptierung der Mutationsrate eine effiziente Anpassung an das sich ständig verändernde System gewährleistet. Eine Ontologie der Systemkomponenten sowie deren QoS-Attribute bildet die Basis für die Optimierung. Der Ansatz wird im Rahmen der Dissertation hinsichtlich der Qualität der erzielten Lösungen, der Adaptierung an änderungen sowie der Laufzeit evaluiert. Teile des Ansatzes wurden schließ lich in das TAG-System integriert und darin evaluiert.Quality of Service (QoS) is an important aspect in distributed, service-oriented systems. When several concrete services exist that implement the same functionality, the choice of a service instance among many can be made based on QoS considerations, objectives and constraints. Typically considered properties are performance, availability, and costs. In this thesis, aspects of the QoS-aware service selection problem are studied in the context of a distributed, service-oriented system from ATLAS, a high-energy physics experiment at CERN, the European Organization for Nuclear Research. In this so-called TAG system, data and modular services are distributed world-wide and need to be selected and composed on the fly, as a user starts a request. There are two conflicting optimization viewpoints. The service selection is modeled as a dynamic multi-constrained optimal path problem, which allows considering QoS attributes of service instances and of the network. The dynamic aspects of the system are included in the problem definition, as they represent a specific challenge. To address these issues regarding dynamics and conflicting viewpoints, this work proposes a service selection optimization framework based on a multi-objective genetic algorithm capable of efficiently dealing with changing conditions by using a persistent memory of good solutions, and a stepwise adaptation of the mutation rate. A system and QoS attribute ontology as well as a description of dynamics of distributed systems build the basis of the framework. The presented approach is evaluated in terms of optimization quality, adaptability to changes, runtime performance and scalability
Application of service composition mechanisms to Future Networks architectures and Smart Grids
Aquesta tesi gira entorn de la hipòtesi de la metodologia i mecanismes de composició de serveis i com es poden aplicar a diferents camps d'aplicació per a orquestrar de manera eficient comunicacions i processos flexibles i sensibles al context. Més concretament, se centra en dos camps d'aplicació: la distribució eficient i sensible al context de contingut multimèdia i els serveis d'una xarxa elèctrica intel·ligent. En aquest últim camp es centra en la gestió de la infraestructura, cap a la definició d'una Software Defined Utility (SDU), que proposa una nova manera de gestionar la Smart Grid amb un enfocament basat en programari, que permeti un funcionament molt més flexible de la infraestructura de xarxa elèctrica. Per tant, revisa el context, els requisits i els reptes, així com els enfocaments de la composició de serveis per a aquests camps. Fa especial èmfasi en la combinació de la composició de serveis amb arquitectures Future Network (FN), presentant una proposta de FN orientada a serveis per crear comunicacions adaptades i sota demanda. També es presenten metodologies i mecanismes de composició de serveis per operar sobre aquesta arquitectura, i posteriorment, es proposa el seu ús (en conjunció o no amb l'arquitectura FN) en els dos camps d'estudi. Finalment, es presenta la investigació i desenvolupament realitzat en l'àmbit de les xarxes intel·ligents, proposant diverses parts de la infraestructura SDU amb exemples d'aplicació de composició de serveis per dissenyar seguretat dinàmica i flexible o l'orquestració i gestió de serveis i recursos dins la infraestructura de l'empresa elèctrica.Esta tesis gira en torno a la hipótesis de la metodología y mecanismos de composición de servicios y cómo se pueden aplicar a diferentes campos de aplicación para orquestar de manera eficiente comunicaciones y procesos flexibles y sensibles al contexto. Más concretamente, se centra en dos campos de aplicación: la distribución eficiente y sensible al contexto de contenido multimedia y los servicios de una red eléctrica inteligente. En este último campo se centra en la gestión de la infraestructura, hacia la definición de una Software Defined Utility (SDU), que propone una nueva forma de gestionar la Smart Grid con un enfoque basado en software, que permita un funcionamiento mucho más flexible de la infraestructura de red eléctrica. Por lo tanto, revisa el contexto, los requisitos y los retos, así como los enfoques de la composición de servicios para estos campos. Hace especial hincapié en la combinación de la composición de servicios con arquitecturas Future Network (FN), presentando una propuesta de FN orientada a servicios para crear comunicaciones adaptadas y bajo demanda. También se presentan metodologías y mecanismos de composición de servicios para operar sobre esta arquitectura, y posteriormente, se propone su uso (en conjunción o no con la arquitectura FN) en los dos campos de estudio. Por último, se presenta la investigación y desarrollo realizado en el ámbito de las redes inteligentes, proponiendo varias partes de la infraestructura SDU con ejemplos de aplicación de composición de servicios para diseñar seguridad dinámica y flexible o la orquestación y gestión de servicios y recursos dentro de la infraestructura de la empresa eléctrica.This thesis revolves around the hypothesis the service composition methodology and mechanisms and how they can be applied to different fields of application in order to efficiently orchestrate flexible and context-aware communications and processes. More concretely, it focuses on two fields of application that are the context-aware media distribution and smart grid services and infrastructure management, towards a definition of a Software-Defined Utility (SDU), which proposes a new way of managing the Smart Grid following a software-based approach that enable a much more flexible operation of the power infrastructure. Hence, it reviews the context, requirements and challenges of these fields, as well as the service composition approaches. It makes special emphasis on the combination of service composition with Future Network (FN) architectures, presenting a service-oriented FN proposal for creating context-aware on-demand communication services. Service composition methodology and mechanisms are also presented in order to operate over this architecture, and afterwards, proposed for their usage (in conjunction or not with the FN architecture) in the deployment of context-aware media distribution and Smart Grids. Finally, the research and development done in the field of Smart Grids is depicted, proposing several parts of the SDU infrastructure, with examples of service composition application for designing dynamic and flexible security for smart metering or the orchestration and management of services and data resources within the utility infrastructure
Parallel optimization algorithms for high performance computing : application to thermal systems
The need of optimization is present in every field of engineering. Moreover, applications requiring a multidisciplinary approach in order to make a step forward are increasing. This leads to the need of solving complex optimization problems that exceed the capacity of human brain or intuition. A standard way of proceeding is to use evolutionary algorithms, among which genetic algorithms hold a prominent place. These are characterized by their robustness and versatility, as well as their high computational cost and low convergence speed.
Many optimization packages are available under free software licenses and are representative of the current state of the art in optimization technology. However, the ability of optimization algorithms to adapt to massively parallel computers reaching satisfactory efficiency levels is still an open issue. Even packages suited for multilevel parallelism encounter difficulties when dealing with objective functions involving long and variable simulation times. This variability is common in Computational Fluid Dynamics and Heat Transfer (CFD & HT), nonlinear mechanics, etc. and is nowadays a dominant concern for large scale applications.
Current research in improving the performance of evolutionary algorithms is mainly focused on developing new search algorithms. Nevertheless, there is a vast knowledge of sequential well-performing algorithmic suitable for being implemented in parallel computers. The gap to be covered is efficient parallelization. Moreover, advances in the research of both new search algorithms and efficient parallelization are additive, so that the enhancement of current state of the art optimization software can be accelerated if both fronts are tackled simultaneously. The motivation of this Doctoral Thesis is to make a step forward towards the successful integration of Optimization and High Performance Computing capabilities, which has the potential to boost technological development by providing better designs, shortening product development times and minimizing the required resources.
After conducting a thorough state of the art study of the mathematical optimization techniques available to date, a generic mathematical optimization tool has been developed putting a special focus on the application of the library to the field of Computational Fluid Dynamics and Heat Transfer (CFD & HT). Then the main shortcomings of the standard parallelization strategies available for genetic algorithms and similar population-based optimization methods have been analyzed. Computational load imbalance has been identified to be the key point causing the degradation of the optimization algorithm¿s scalability (i.e. parallel efficiency) in case the average makespan of the batch of individuals is greater than the average time required by the optimizer for performing inter-processor communications. It occurs because processors are often unable to finish the evaluation of their queue of individuals simultaneously and need to be synchronized before the next batch of individuals is created. Consequently, the computational load imbalance is translated into idle time in some processors. Several load balancing algorithms have been proposed and exhaustively tested, being extendable to any other population-based optimization method that needs to synchronize all processors after the evaluation of each batch of individuals. Finally, a real-world engineering application that consists on optimizing the refrigeration system of a power electronic device has been presented as an illustrative example in which the use of the proposed load balancing algorithms is able to reduce the simulation time required by the optimization tool.El aumento de las aplicaciones que requieren de una aproximación multidisciplinar para poder avanzar se constata en todos los campos de la ingeniería, lo cual conlleva la necesidad de resolver problemas de optimización complejos que exceden la capacidad del cerebro humano o de la intuición. En estos casos es habitual el uso de algoritmos evolutivos, principalmente de los algoritmos genéticos, caracterizados por su robustez y versatilidad, así como por su gran coste computacional y baja velocidad de convergencia. La multitud de paquetes de optimización disponibles con licencias de software libre representan el estado del arte actual en tecnología de optimización. Sin embargo, la capacidad de adaptación de los algoritmos de optimización a ordenadores masivamente paralelos alcanzando niveles de eficiencia satisfactorios es todavía una tarea pendiente. Incluso los paquetes adaptados al paralelismo multinivel tienen dificultades para gestionar funciones objetivo que requieren de tiempos de simulación largos y variables. Esta variabilidad es común en la Dinámica de Fluidos Computacional y la Transferencia de Calor (CFD & HT), mecánica no lineal, etc. y es una de las principales preocupaciones en aplicaciones a gran escala a día de hoy. La investigación actual que tiene por objetivo la mejora del rendimiento de los algoritmos evolutivos está enfocada principalmente al desarrollo de nuevos algoritmos de búsqueda. Sin embargo, ya se conoce una gran variedad de algoritmos secuenciales apropiados para su implementación en ordenadores paralelos. La tarea pendiente es conseguir una paralelización eficiente. Además, los avances en la investigación de nuevos algoritmos de búsqueda y la paralelización son aditivos, por lo que el proceso de mejora del software de optimización actual se verá incrementada si se atacan ambos frentes simultáneamente. La motivación de esta Tesis Doctoral es avanzar hacia una integración completa de las capacidades de Optimización y Computación de Alto Rendimiento para así impulsar el desarrollo tecnológico proporcionando mejores diseños, acortando los tiempos de desarrollo del producto y minimizando los recursos necesarios. Tras un exhaustivo estudio del estado del arte de las técnicas de optimización matemática disponibles a día de hoy, se ha diseñado una librería de optimización orientada al campo de la Dinámica de Fluidos Computacional y la Transferencia de Calor (CFD & HT). A continuación se han analizado las principales limitaciones de las estrategias de paralelización disponibles para algoritmos genéticos y otros métodos de optimización basados en poblaciones. En el caso en que el tiempo de evaluación medio de la tanda de individuos sea mayor que el tiempo medio que necesita el optimizador para llevar a cabo comunicaciones entre procesadores, se ha detectado que la causa principal de la degradación de la escalabilidad o eficiencia paralela del algoritmo de optimización es el desequilibrio de la carga computacional. El motivo es que a menudo los procesadores no terminan de evaluar su cola de individuos simultáneamente y deben sincronizarse antes de que se cree la siguiente tanda de individuos. Por consiguiente, el desequilibrio de la carga computacional se convierte en tiempo de inactividad en algunos procesadores. Se han propuesto y testado exhaustivamente varios algoritmos de equilibrado de carga aplicables a cualquier método de optimización basado en una población que necesite sincronizar los procesadores tras cada tanda de evaluaciones. Finalmente, se ha presentado como ejemplo ilustrativo un caso real de ingeniería que consiste en optimizar el sistema de refrigeración de un dispositivo de electrónica de potencia. En él queda demostrado que el uso de los algoritmos de equilibrado de carga computacional propuestos es capaz de reducir el tiempo de simulación que necesita la herramienta de optimización
Advances in Evolutionary Algorithms
With the recent trends towards massive data sets and significant computational power, combined with evolutionary algorithmic advances evolutionary computation is becoming much more relevant to practice. Aim of the book is to present recent improvements, innovative ideas and concepts in a part of a huge EA field
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