Handling Uncertainties in Process Optimization

Esta tesis doctoral presenta el estudio de técnicas que permiten manejar las incertidumbres en la optimización de procesos, desde el punto de vista del comportamiento aleatorio de las variables y de los errores en los modelos utilizados en la optimización. Para el tratamiento de las variables inciertas, se presenta la aplicación de la Programación de dos Etapas y Optimización Probabilística a un proceso de hidrodesulfuración. Los resultados permiten asegurar factibilidad en la operación, independiente del valor que tome la variable aleatoria dentro de su distribución de probabilidad. Acerca del manejo de la incertidumbre derivada del conocimiento parcial del proceso, se ha estudiado el método de Optimización en Tiempo Real con adaptación de modificadores, proponiendo mejoras que permiten: (1) evitar infactibilidades en su evolución, (2) obtener el óptimo real del proceso sin necesidad de estimar sus gradientes y (3) identificar las limitaciones para su aplicación en sistemas dinámicos de horizonteDepartamento de Ingeniería de Sistemas y Automátic

Otimização numérica e análise económicana conceção de uma micro-cogeração com motor Stirling e concentrador solar

Tese de doutoramento do Programa Doutoral em Engenharia Industrial e de SistemasThe micro-CHP systems are a promising technology for improving the energy efficiency of small energy conversion units, located near the end user. The combined heat and power production allows the optimal use of the primary energy sources and significant reductions in carbon emissions. Its use, still incipient, has a great potential for applications in the residential sector. This study aims to develop a methodology for the thermal-economic optimization of micro cogeneration units using Stirling cycle engine as prime mover and concentrated solar energy as the heat source. A detailed thermodynamic study was carried out to define the model for the physical characterization of the Stirling engine. The study of the physical model includes three types of analysis: ideal isothermal, ideal adiabatic and non-ideal adiabatic analyses. The latter includes limitations in the heat transfer processes and losses due pumping effects. These analyses were performed through numerical simulations by eveloping a code in MatLab® programming language, based on the model developed by Urieli and Berchowitz. The mathematical modelling was modified, improved and adapted to adjust the configuration of the Stirling engine for cogeneration applications. Subsequently to its implementation, several sensitivity analyses on the operational and geometric parameters were conducted in order to understand which of them have the highest relevance in the Stirling engine performance. The definition of these criteria is crucial in the choice of the decision variables for the thermal-economic optimization model. After characterizing the physical model, a purchase cost equation representative of each system component was defined: a cost equation for each one of the heat exchangers (i.e. heater, regenerator and cooler) and a cost equation representative of the engine bulk. Each cost equation is based on physical parameters, taking into account the sizing of the system. Through data collected from market available Stirling systems, the most appropriate cost coefficients were defined and the cost equations were validated. fter the validation of both physical and economic models, the thermal-economic optimization was formulated. The maximization of the annual worth from the system operation was defined as the objective function, subjected to a set of nonlinear thermodynamic and economic constraints in order to give significance to the numerical results. The model was formulated considering a cost/benefit approach, where the terms of the objective function represent a balance between costs and revenues. The decision variables correspond to geometric and operational parameters with the highest relevance in the system operation. The Pattern Search algorithm was implemented to achieve the numerical solution, using different search methods, i.e., the Nelder-Mead and genetic algorithm method. The optimization model was effective in the determination of the optimal solution and a positive annual worth was obtained for the defined input simulation conditions. The thermal-economic model yielded the combination of decision variables that defines the best configuration for maximum economic benefit. Through the economic assessment of the best solution obtained for the micro-CHP system, and considering the costs for installing a solar concentrator collector, it can be that such a system is economically attractive, with a payback period of approximately 9 years.Os sistemas de micro-cogeração são uma tecnologia muito promissora para a melhoria da eficiência energética das pequenas unidades de conversão de energia localizadas junto ao utilizador final. A produção combinada de calor e eletricidade permite a otimização da utilização das fontes de energia primária e significativas reduções nas emissões de carbono. A sua utilização, ainda incipiente, possui um grande potencial para as aplicações no sector residencial. Este estudo visa o desenvolvimento de uma metodologia de otimização termo-económica dedicada ao desenvolvimento de unidades de micro-cogeração usando como tecnologia os motores de ciclo Stirling e a energia solar como fonte de calor. O trabalho iniciou-se com um estudo detalhado sobre o modelo termodinâmico para a caracterização física do motor Stirling. O estudo do modelo físico incluiu três tipos de análises: a análise ideal isotérmica, a análise ideal adiabática e a análise não ideal onde foram incluídas as limitações na transferência de calor e as perdas devido a efeitos de bombagem. O estudo das diferentes análises foi efetuado através de simulações numéricas com o desenvolvimento de um código de programação em linguagem MatLab®, tendo como base o modelo desenvolvido por Urieli e Berchowitz. Este foi modificado, melhorado e adaptado no sentido de a adequar à configuração do motor Stirling para aplicações em cogeração. Após a sua implementação, foram efetuadas várias análises de sensibilidade a parâmetros, quer operacionais quer geométricos, de modo a compreender quais os critérios mais influentes na performance do motor Stirling. A identificação destes critérios foi fundamental para a definição das variáveis de decisão a usar no modelo de otimização termo-económica. Após a caracterização do modelo físico, procedeu-se à definição das equações dos custos de investimento para cada um dos componentes do sistema. Assim, foram definidas quatro equações de custo: uma equação para cada um dos permutadores de calor (i.e. permutador de aquecimento, arrefecimento e regenerador) e uma equação representativa do corpo do motor. Cada uma das equações de custo foi definida com base em parâmetros físicos, tendo em consideração o dimensionamento do sistema. Através de dados recolhidos de sistemas Stirling já comercializados, foram definidos os coeficientes de custo mais adequados e procedeu-se à sua validação. Foi desenvolvido e implementado o modelo de otimização termo-económica. A maximização do lucro anual decorrente da operação do sistema foi definida como a função objetivo, estando sujeita a um conjunto de restrições não lineares de natureza termodinâmica e económica, com vista a dar significância aos resultados numéricos. O modelo foi formulado numa abordagem custo/benefício em que os termos da função-objetivo representam um balanço entre custos e receitas. O conjunto de variáveis de decisão que correspondem às variáveis geométricas e operacionais de maior relevância no sistema. Foi usado o algoritmo Pattern Search do Matlab® com uso de diferentes métodos de procura, isto é, o Nelder-Mead e os algoritmos genéticos, na resolução numérica do modelo. O modelo de otimização mostrou-se eficaz na determinação da solução ótima, tendo sido obtido lucros na operação do sistema para as condições de simulação definidas, assim como, a combinação ótima para as variáveis de decisão que definem a melhor configuração para o máximo benefício económico. Através da avaliação económica de aquisição deste sistema de micro-cogeração, e considerando os custos de instalação de um concentrador solar, verificou tratar-te de um projeto economicamente atrativo, com retorno de investimento de aproximadamente 9 anos.Fundação para a Ciência e Tecnologia for the PhD grant SFRH/BD/62287/2009. I also have to acknowledge CT2M and CGIT research centres of the School of Engineering at University of Minho for supporting my work

Modelos y Algoritmos de Coordinación para la Planificación de Operaciones basadas en el concepto Stroke en Redes de Suministro distribuidas y con alternativas

[ES] Con la globalización de los mercados y el aumento de la competitividad, la coordinación se ha convertido en un punto estratégico en la gestión de la cadena de suministro. De hecho, cada actor de la cadena de suministro ya no debe tomar decisiones sin considerar todos los eslabones, sean proveedores, proveedores de proveedores o clientes y estos internos o externos a la organización. Las cadenas de suministro son cada vez más complejas y distribuidas, compuestas por múltiples organizaciones con diferentes objetivos y políticas. La coordinación se puede lograr utilizando uno de estos dos enfoques para la toma de decisiones coordinadas: centralizada o descentralizada con un mecanismo de coordinación. Pero, las empresas son reacias a compartir información, ya sea por la confidencialidad de los datos o porque los modelos centralizados resultantes son de gran complejidad que dificultan su manejo y actualización. Además, aquellas empresas que buscan tomar decisiones en tiempo real requieren de modelos ligeros y ágiles, que, con toda la información local y coordinada con el resto, permitan tomar decisiones rápidas. Las empresas interesadas en la coordinación descentralizada con un mecanismo de coordinación esperan obtener mejores resultados con respecto a la no coordinación, aunque deberían asumir tener peores resultados que con la coordinación centralizada. Para ello en esta tesis, se han estudiado los distintos mecanismos de coordinación para la toma de decisiones descentralizada, dentro de un entorno del procedimiento de horizontes rodantes y con herramienta de planificación y programación de las operaciones basada en el concepto de stroke, que extiende el concepto de lista de materiales más allá de las estructuras tradicionales. Estos permiten desarrollar la formulación de la programación matemática y los mecanismos de coordinación necesarios para resolver los problemas de planificación de operaciones. Esta tesis se presenta como una secuencia de capítulos, con el objeto de analizar y presentar la propuesta de mecanismo de coordinación distribuido con unos recursos compartidos. Los distintos capítulos han servido de base para la preparación de artículos científicos. Estos artículos han sido presentados en congresos de la materia y remitidos a revistas científicas.[CA] Amb la globalització dels mercats i l'augment de la competitivitat, la coordinació s'ha convertit en un punt estratègic en la gestió de la cadena de subministrament. De fet, cada actor de la cadena de subministrament ja no ha de prendre decisions sense considerar totes les baules, siguen proveïdors, sub-proveïdors o clients i aquests interns o externs a l'organització. Les cadenes de subministrament són cada vegada més complexes i distribuïdes, compostes per múltiples organitzacions amb diferents objectius i polítiques. La coordinació es pot aconseguir utilitzant un d'aquests dos enfocaments per a la presa de decisions coordinades: centralitzat o descentralitzat amb un mecanisme de coordinació. Però, les empreses són poc inclinades a compartir informació, ja siga per la confidencialitat de les dades o perquè els models centralitzats resultants són de gran complexitat que dificulten el seu maneig i actualització. A més, aquelles empresa que busquen prendre decisions en temps real requereixen de models lleugers i àgils, que, amb tota la informació local i coordinada amb la resta, permeten prendre decisions ràpides. Les empreses interessades en la coordinació descentralitzada amb un mecanisme de coordinació esperen obtindre millors resultats respecte de la no coordinació encara que haurien d'assumir tindre pitjors resultats que amb la coordinació centralitzada. Per a això en aquesta tesi, s'han estudiat els diferents mecanismes de coordinació per a la presa de decisions descentralitzada, dins d'un entorn d'horitzons rodant i amb eines de planificació i programació de les operacions basada en el concepte de stroke, que estén el concepte de llista de materials més enllà de les estructures tradicionals. Aquests permeten desenvolupar la formulació de la programació matemàtica i els mecanismes de coordinació necessaris per a resoldre els problemes de planificació d'operacions. Aquesta tesi es presenta com una seqüència de capítols, a fi d'analitzar i presentar la proposta de mecanisme de coordinació distribuït amb uns recursos compartits. Els diferents capítols han servit de base per a la preparació d'articles científics. Aquests articles han sigut presentats en congressos de la matèria i remesos a revistes científiques.[EN] With the globalization of markets and the increase of competitiveness, coordination has become a strategic point in the management of the supply chain. In fact, each actor in the supply chain must no longer make decisions without considering all the links, whether suppliers, sub-suppliers or customers and those internal or external to the organization. Supply chains are increasingly complex and distributed, composed of multiple organizations with different objectives and policies. Coordination can be achieved using one of these two approaches to coordinate decision making: centralized or decentralized with a coordination mechanism. However, companies are reluctant to share information, either because of the confidentiality of the data or because the resulting centralized models are of great complexity that make their management and update them. In addition, those companies that seek to make decisions in real time require lightweight and agile models, which, with all the local information and coordinated with the rest, allow quick decisions. Companies interested in decentralized coordination with a coordination mechanism expect to obtain better results regarding non-coordination although they should assume to have worse results than with centralized coordination. To this end, in this thesis, the different coordination mechanisms for decentralized decision making have been studied, within an environment of rolling horizons and with tools for planning and scheduling operations based on the concept of stroke, which extends the concept of list of materials beyond traditional structures. These allow to develop the formulation of the mathematical programming and the coordination mechanisms necessary to solve the operations planning problems. This thesis is presented as a sequence of chapters, in order to analyse and present the proposal of distributed coordination mechanism with shared resources. The different chapters have served as the basis for the preparation of scientific articles. These articles have been presented at congresses of the subject and submitted to scientific journals.Rius Sorolla, GV. (2019). Modelos y Algoritmos de Coordinación para la Planificación de Operaciones basadas en el concepto Stroke en Redes de Suministro distribuidas y con alternativas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/134017TESI

World Trade Evolution

The book provides theoretical and empirical evidence on how world trade evolves, how trade affects resource allocation, how trade competition affects productivity, how China shock affects world trade and how trade affects large and small countries. It is a useful reference which focuses on new approaches to international trade by looking into country-specific as well as firm-product level-specific cases. “The Open Access version of this book, available at http://www.taylorfrancis.com/books/10.4324/9781351061544, has been made available under a Creative Commons Attribution-Non Commercial-No Derivatives 4.0 license.

Advances in Optimization and Nonlinear Analysis

The present book focuses on that part of calculus of variations, optimization, nonlinear analysis and related applications which combines tools and methods from partial differential equations with geometrical techniques. More precisely, this work is devoted to nonlinear problems coming from different areas, with particular reference to those introducing new techniques capable of solving a wide range of problems. The book is a valuable guide for researchers, engineers and students in the field of mathematics, operations research, optimal control science, artificial intelligence, management science and economics