System- and Data-Driven Methods and Algorithms

An increasing complexity of models used to predict real-world systems leads to the need for algorithms to replace complex models with far simpler ones, while preserving the accuracy of the predictions. This two-volume handbook covers methods as well as applications. This first volume focuses on real-time control theory, data assimilation, real-time visualization, high-dimensional state spaces and interaction of different reduction techniques

Robust leak localization in water distribution networks using machine learning techniques

Aplicat embargament des de la data de lectura fins el 20 de desembre de 2019This PhD thesis presents a methodology to detect, estimate and localize water leaks (with the main focus in the localization problem) in water distribution networks using hydraulic models and machine learning techniques. The actual state of the art is introduced, the theoretical basis of the machine learning techniques applied are explained and the hydraulic model is also detailed. The whole methodology is presented and tested into different water distribution networks and district metered areas based on simulated and real case studies and compared with published methods. The focus of the contributions is to bring more robust methods against the uncertainties that effects the problem of leak detection, by dealing with them using the self-similarity to create features monitored by the change detection technique intersection-of-confidence-interval, and the leak localization where the problem is tackled using machine learning techniques. By using those techniques, it is expected to learn the leak behavior considering their uncertainty to be used in the diagnosis stage after the training phase. One method for the leak detection problem is presented that is able to estimate the leak size and the time that the leak has been produced. This method captures the normal, leak-free, behavior and contrast it with the new measurements in order to evaluate the state of the network. If the behavior is not normal check if it is due to a leak. To have a more robust leak detection method, a specific validation is designed to operate specifically with leaks and in the temporal region where the leak is most apparent. A methodology to extent the current model-based approach to localize water leaks by means of classifiers is proposed where the non-parametric k-nearest neighbors classifier and the parametric multi-class Bayesian classifier are proposed. A new data-driven approach to localize leaks using a multivariate regression technique without the use of hydraulic models is also introduced. This method presents a clear benefit over the model-based technique by removing the need of the hydraulic model despite of the topological information is still required. Also, the information of the expected leaks is not required since information of the expected hydraulic behavior with leak is exploited to find the place where the leak is more suitable. This method has a good performance in practice, but is very sensitive to the number of sensor in the network and their sensor placement. The proposed sensor placement techniques reduce the computational load required to take into account the amount of data needed to model the uncertainty compared with other optimization approaches while are designed to work with the leak localization problem. More precisely, the proposed hybrid feature selection technique for sensor placement is able to work with any method that can be evaluated with confusion matrix and still being specialized for the leak localization task. This last method is good for a few sensors, but lacks of precision when the number of sensors to place is large. To overcome this problem an incremental sensor placement is proposed which is better for a larger number of sensors to place but worse when the number is small.Aquesta tesi presenta una nova metodologia per a localització de fuites en xarxes de distribució d'aigua potable. Primer s'ha revisat l'estat del art actual i les bases teòriques tant de les tècniques de machine learning utilitzades al llarg de la tesi com els mètodes existents de localització de fuites. La metodologia presentada s'ha provat en diferents xarxes d'aigua simulades i reals, comparant el resultats amb altres mètodes publicats. L'objectiu principal de la contribució aportada és el de desenvolupar mètodes més robustos enfront les incerteses que afecten a la localització de fuites. En el cas de la detecció i estimació de la magnitud de la fuita, s'utilitza la tècnica self-similarity per crear els indicadors es monitoritzen amb la tècnica de detecció de canvis ("intersection-of-confidence-intervals"). En el cas de la localització de les fuites, s'han fet servir les tècniques de classificadors i interpoladors provinents del machine learning. A l'utilitzar aquestes tècniques s'espera captar el comportament de la fuita i de la incertesa per aprendre i tenir-ho en compte en la fase de la localització de la fuita. El mètode de la detecció de fallades proposat és capaç d'estimar la magnitud de la fuita i l'instant en que s'ha produït. Aquest mètode captura el comportament normal, sense fuita, i el contrasta amb les noves mesures per avaluar l'estat de la xarxa. En el cas que el comportament no sigui el normal, es procedeix a comprovar si això és degut a una fuita. Per tenir una mètode de detecció més robust, es fa servir una capa de validació especialment dissenyada per treballar específicament amb fuites i en la regió temporal en que la fuita és més evident. Per tal de millorar l'actual metodologia de localització de fuites mitjançant models hidràulics s'ha proposat l'ús de classificadors. Per una banda es proposa el classificador no paramètric k-nearest neighbors i per l'altre banda el classificador Bayesià paramètric per múltiples classes. Finalment, s'ha desenvolupat un nou mètode de localització de fuites basat en models de dades mitjançant la regressió de múltiples paràmetres sense l'ús del model hidràulic de la xarxa. Finalment, s'ha tractat el problema de la col·locació de sensors. El rendiment de la localització de fuites està relacionada amb la col·locació de sensors i és particular per a cada mètode de localització. Amb l'objectiu de maximitzar el rendiment dels mètodes de localització de fuites presentats anteriorment, es presenten i avaluen tècniques de col·locació de sensors específicament dissenyats ja que el problema de combinatòria no es pot manejar intentant cada possible combinació de sensors a part de les xarxes més petites amb pocs sensors per instal·lar. Aquestes tècniques de col·locació de sensors exploten el potencial de les tècniques de selecció de variables per tal de realitzar la tasca desitjada.Esta tesis doctoral presenta una nueva metodología para detectar, estimar el tamaño y localizar fugas de agua (donde el foco principal está puesto en el problema de la localización de fugas) en redes de distribución de agua potable. La tesis presenta una revisión del estado actual y las bases de las técnicas de machine learning que se aplican, así como una explicación del modelo hidráulico de las redes de agua. El conjunto de la metodología se presenta y prueba en diferentes redes de distribución de agua y sectores de consumo con casos de estudio simulados y reales, y se compara con otros métodos ya publicados. La contribución principal es la de desarrollar métodos más robustos frente a la incertidumbre de los datos. En la detección de fugas, la incertidumbre se trata con la técnica del self-similarity para la generación de indicadores que luego son monitoreados per la técnica de detección de cambios conocida como intersection-of-confidece-interval. En la localización de fugas el problema de la incertidumbre se trata con técnicas de machine learning. Al utilizar estas técnicas se espera aprender el comportamiento de la fuga y su incertidumbre asociada para tenerlo en cuenta en la fase de diagnóstico. El método presentado para la detección de fugas tiene la habilidad de estimar la magnitud y el instante en que la fuga se ha producido. Este método captura el comportamiento normal, sin fugas, del sistema y lo contrasta con las nuevas medidas para evaluar el estado actual de la red. En el caso de que el comportamiento no sea el normal, se comprueba si es debido a la presencia de una fuga en el sistema. Para obtener un método de detección más robusto, se considera una capa de validación especialmente diseñada para trabajar específicamente con fugas y durante el periodo temporal donde la fuga es más evidente. Esta técnica se compara con otras ya publicadas proporcionando una detección más fiable, especialmente en el caso de fugas pequeñas, al mismo tiempo que proporciona más información que puede ser usada en la fase de la localización de la fuga permitiendo mejorarla. El principal problema es que el método es más lento que los otros métodos analizados. Con el fin de mejorar la actual metodología de localización de fugas mediante modelos hidráulicos, se propone la utilización de clasificadores. Concretamente, se propone el clasificador no paramétrico k-nearest neighbors y el clasificador Bayesiano paramétrico para múltiples clases. La propuesta de localización de fugas mediante modelos hidráulicos y clasificadores permite gestionar la incertidumbre de los datos mejor para obtener un diagnóstico de la localización de la fuga más preciso. El principal inconveniente recae en el coste computacional, aunque no se realiza en tiempo real, de los datos necesarios por el clasificador para aprender correctamente la dispersión de los datos. Además, el método es muy dependiente de la calidad del modelo hidráulico de la red. En el campo de la localización de fugas, se a propuesto un nuevo método de localización de fugas basado en modelos de datos mediante la regresión de múltiples parámetros sin el uso de modelo hidráulico. Este método presenta un claro beneficio respecto a las técnicas basadas en modelos hidráulicos ya que prescinde de su uso, aunque la información topológica de la red es aún necesaria. Además, la información del comportamiento de la red para cada fuga no es necesario, ya que el conocimiento del efecto hidráulico de una fuga en un determinado punto de la red es utilizado para la localización. Este método ha dado muy buenos resultados en la práctica, aunque es muy sensible al número de sensores y a su colocación en la red. Finalmente, se trata el problema de la colocación de sensores. El desempeño de la localización de fugas está ligado a la colocación de los sensores y es particular para cada método. Con el objetivo de maximizar el desempeño de los métodos de localización de fugas presentados, técnicas de colocación de sensores específicamente diseñados para ellos se han presentado y evaluado. Dado que el problema de combinatoria que presenta no puede ser tratado analizando todas las posibles combinaciones de sensores excepto en las redes más pequeñas con unos pocos sensores para instalar. Estas técnicas de colocación de sensores explotan el potencial de las técnicas de selección de variables para realizar la tarea deseada. Las técnicas de colocación de sensores propuestas reducen la carga computacional, requerida para tener en cuenta todos los datos necesarios para modelar bien la incertidumbre, comparado con otras propuestas de optimización al mismo tiempo que están diseñadas para trabajar en la tarea de la localización de fugas. Más concretamente, la propuesta basada en la técnica híbrida de selección de variables para la colocación de sensores es capaz de trabajar con cualquier técnica de localización de fugas que se pueda evaluar con la matriz de confusión y ser a la vez óptimo. Este método es muy bueno para la colocación de sensores, pero el rendimiento disminuye a medida que el número de sensores a colocar crece. Para evitar este problema, se propone método de colocación de sensores de forma incremental que presenta un mejor rendimiento para un número alto de sensores a colocar, aunque no es tan eficaz con pocos sensores a colocar.Postprint (published version

Robust leak localization in water distribution networks using machine learning techniques

This PhD thesis presents a methodology to detect, estimate and localize water leaks (with the main focus in the localization problem) in water distribution networks using hydraulic models and machine learning techniques. The actual state of the art is introduced, the theoretical basis of the machine learning techniques applied are explained and the hydraulic model is also detailed. The whole methodology is presented and tested into different water distribution networks and district metered areas based on simulated and real case studies and compared with published methods. The focus of the contributions is to bring more robust methods against the uncertainties that effects the problem of leak detection, by dealing with them using the self-similarity to create features monitored by the change detection technique intersection-of-confidence-interval, and the leak localization where the problem is tackled using machine learning techniques. By using those techniques, it is expected to learn the leak behavior considering their uncertainty to be used in the diagnosis stage after the training phase. One method for the leak detection problem is presented that is able to estimate the leak size and the time that the leak has been produced. This method captures the normal, leak-free, behavior and contrast it with the new measurements in order to evaluate the state of the network. If the behavior is not normal check if it is due to a leak. To have a more robust leak detection method, a specific validation is designed to operate specifically with leaks and in the temporal region where the leak is most apparent. A methodology to extent the current model-based approach to localize water leaks by means of classifiers is proposed where the non-parametric k-nearest neighbors classifier and the parametric multi-class Bayesian classifier are proposed. A new data-driven approach to localize leaks using a multivariate regression technique without the use of hydraulic models is also introduced. This method presents a clear benefit over the model-based technique by removing the need of the hydraulic model despite of the topological information is still required. Also, the information of the expected leaks is not required since information of the expected hydraulic behavior with leak is exploited to find the place where the leak is more suitable. This method has a good performance in practice, but is very sensitive to the number of sensor in the network and their sensor placement. The proposed sensor placement techniques reduce the computational load required to take into account the amount of data needed to model the uncertainty compared with other optimization approaches while are designed to work with the leak localization problem. More precisely, the proposed hybrid feature selection technique for sensor placement is able to work with any method that can be evaluated with confusion matrix and still being specialized for the leak localization task. This last method is good for a few sensors, but lacks of precision when the number of sensors to place is large. To overcome this problem an incremental sensor placement is proposed which is better for a larger number of sensors to place but worse when the number is small.Aquesta tesi presenta una nova metodologia per a localització de fuites en xarxes de distribució d'aigua potable. Primer s'ha revisat l'estat del art actual i les bases teòriques tant de les tècniques de machine learning utilitzades al llarg de la tesi com els mètodes existents de localització de fuites. La metodologia presentada s'ha provat en diferents xarxes d'aigua simulades i reals, comparant el resultats amb altres mètodes publicats. L'objectiu principal de la contribució aportada és el de desenvolupar mètodes més robustos enfront les incerteses que afecten a la localització de fuites. En el cas de la detecció i estimació de la magnitud de la fuita, s'utilitza la tècnica self-similarity per crear els indicadors es monitoritzen amb la tècnica de detecció de canvis ("intersection-of-confidence-intervals"). En el cas de la localització de les fuites, s'han fet servir les tècniques de classificadors i interpoladors provinents del machine learning. A l'utilitzar aquestes tècniques s'espera captar el comportament de la fuita i de la incertesa per aprendre i tenir-ho en compte en la fase de la localització de la fuita. El mètode de la detecció de fallades proposat és capaç d'estimar la magnitud de la fuita i l'instant en que s'ha produït. Aquest mètode captura el comportament normal, sense fuita, i el contrasta amb les noves mesures per avaluar l'estat de la xarxa. En el cas que el comportament no sigui el normal, es procedeix a comprovar si això és degut a una fuita. Per tenir una mètode de detecció més robust, es fa servir una capa de validació especialment dissenyada per treballar específicament amb fuites i en la regió temporal en que la fuita és més evident. Per tal de millorar l'actual metodologia de localització de fuites mitjançant models hidràulics s'ha proposat l'ús de classificadors. Per una banda es proposa el classificador no paramètric k-nearest neighbors i per l'altre banda el classificador Bayesià paramètric per múltiples classes. Finalment, s'ha desenvolupat un nou mètode de localització de fuites basat en models de dades mitjançant la regressió de múltiples paràmetres sense l'ús del model hidràulic de la xarxa. Finalment, s'ha tractat el problema de la col·locació de sensors. El rendiment de la localització de fuites està relacionada amb la col·locació de sensors i és particular per a cada mètode de localització. Amb l'objectiu de maximitzar el rendiment dels mètodes de localització de fuites presentats anteriorment, es presenten i avaluen tècniques de col·locació de sensors específicament dissenyats ja que el problema de combinatòria no es pot manejar intentant cada possible combinació de sensors a part de les xarxes més petites amb pocs sensors per instal·lar. Aquestes tècniques de col·locació de sensors exploten el potencial de les tècniques de selecció de variables per tal de realitzar la tasca desitjada.Esta tesis doctoral presenta una nueva metodología para detectar, estimar el tamaño y localizar fugas de agua (donde el foco principal está puesto en el problema de la localización de fugas) en redes de distribución de agua potable. La tesis presenta una revisión del estado actual y las bases de las técnicas de machine learning que se aplican, así como una explicación del modelo hidráulico de las redes de agua. El conjunto de la metodología se presenta y prueba en diferentes redes de distribución de agua y sectores de consumo con casos de estudio simulados y reales, y se compara con otros métodos ya publicados. La contribución principal es la de desarrollar métodos más robustos frente a la incertidumbre de los datos. En la detección de fugas, la incertidumbre se trata con la técnica del self-similarity para la generación de indicadores que luego son monitoreados per la técnica de detección de cambios conocida como intersection-of-confidece-interval. En la localización de fugas el problema de la incertidumbre se trata con técnicas de machine learning. Al utilizar estas técnicas se espera aprender el comportamiento de la fuga y su incertidumbre asociada para tenerlo en cuenta en la fase de diagnóstico. El método presentado para la detección de fugas tiene la habilidad de estimar la magnitud y el instante en que la fuga se ha producido. Este método captura el comportamiento normal, sin fugas, del sistema y lo contrasta con las nuevas medidas para evaluar el estado actual de la red. En el caso de que el comportamiento no sea el normal, se comprueba si es debido a la presencia de una fuga en el sistema. Para obtener un método de detección más robusto, se considera una capa de validación especialmente diseñada para trabajar específicamente con fugas y durante el periodo temporal donde la fuga es más evidente. Esta técnica se compara con otras ya publicadas proporcionando una detección más fiable, especialmente en el caso de fugas pequeñas, al mismo tiempo que proporciona más información que puede ser usada en la fase de la localización de la fuga permitiendo mejorarla. El principal problema es que el método es más lento que los otros métodos analizados. Con el fin de mejorar la actual metodología de localización de fugas mediante modelos hidráulicos, se propone la utilización de clasificadores. Concretamente, se propone el clasificador no paramétrico k-nearest neighbors y el clasificador Bayesiano paramétrico para múltiples clases. La propuesta de localización de fugas mediante modelos hidráulicos y clasificadores permite gestionar la incertidumbre de los datos mejor para obtener un diagnóstico de la localización de la fuga más preciso. El principal inconveniente recae en el coste computacional, aunque no se realiza en tiempo real, de los datos necesarios por el clasificador para aprender correctamente la dispersión de los datos. Además, el método es muy dependiente de la calidad del modelo hidráulico de la red. En el campo de la localización de fugas, se a propuesto un nuevo método de localización de fugas basado en modelos de datos mediante la regresión de múltiples parámetros sin el uso de modelo hidráulico. Este método presenta un claro beneficio respecto a las técnicas basadas en modelos hidráulicos ya que prescinde de su uso, aunque la información topológica de la red es aún necesaria. Además, la información del comportamiento de la red para cada fuga no es necesario, ya que el conocimiento del efecto hidráulico de una fuga en un determinado punto de la red es utilizado para la localización. Este método ha dado muy buenos resultados en la práctica, aunque es muy sensible al número de sensores y a su colocación en la red. Finalmente, se trata el problema de la colocación de sensores. El desempeño de la localización de fugas está ligado a la colocación de los sensores y es particular para cada método. Con el objetivo de maximizar el desempeño de los métodos de localización de fugas presentados, técnicas de colocación de sensores específicamente diseñados para ellos se han presentado y evaluado. Dado que el problema de combinatoria que presenta no puede ser tratado analizando todas las posibles combinaciones de sensores excepto en las redes más pequeñas con unos pocos sensores para instalar. Estas técnicas de colocación de sensores explotan el potencial de las técnicas de selección de variables para realizar la tarea deseada. Las técnicas de colocación de sensores propuestas reducen la carga computacional, requerida para tener en cuenta todos los datos necesarios para modelar bien la incertidumbre, comparado con otras propuestas de optimización al mismo tiempo que están diseñadas para trabajar en la tarea de la localización de fugas. Más concretamente, la propuesta basada en la técnica híbrida de selección de variables para la colocación de sensores es capaz de trabajar con cualquier técnica de localización de fugas que se pueda evaluar con la matriz de confusión y ser a la vez óptimo. Este método es muy bueno para la colocación de sensores, pero el rendimiento disminuye a medida que el número de sensores a colocar crece. Para evitar este problema, se propone método de colocación de sensores de forma incremental que presenta un mejor rendimiento para un número alto de sensores a colocar, aunque no es tan eficaz con pocos sensores a colocar

Design and reliability-based optimization of the piezoelectric flex transducer

In recent years, the rapid development of low power consuming devices has resulted in a high demand for mobile energy harvesters. The main contribution of this thesis is to optimize the novel piezoelectric energy harvesting device called the piezoelectric flex transducer, which was developed by other researchers for the purpose of harvesting biokinetic energy from human gait. The optimization uses both conventional and reliability-based optimization approaches in order to improve the electrical power generation from the device. First, the piezoelectric flex transducer is modeled by using the finite element method with the finite element analysis software ANSYS APDL. Seven geometric parameters of the piezoelectric energy harvester are considered as design variables. A set of designs with different design variables are generated by the Design of Experiment technique, the generated designs are analyzed by the finite element model and the surrogate models that representing the behavior of the FEM are built by these inputs and the results of the FEA. Conventional optimization, taking into consideration different safety factors, is driven by the von mises stress of the device and is then searched by a mathematical algorithm with the assistance of surrogate models. To improve the efficiency of the surrogate modeling, a multi-level surrogate modeling approach for fast convergence will be introduced and the method will be demonstrated by optimizing the PFT device. As the optimal design is subject to a low stress safety factor, which may be unreliable with the uncertainties of the real-world, the reliability and sensitivity of the optimal design are analyzed. A Monte Carlo simulation is employed to analyse how the electrical power output has been affected by the input parameters with parametric uncertainties. The design parameters of a set of designs are perturbed around the optimal design parameters in order to imitate the optimal design under parametric uncertainties. The effects of parametric uncertainties are then evaluated by the constructed surrogate models. The method for improving the product reliability will be demonstrated

Conceptual multidisciplinary design via a multi-objective multi-fidelity optimisation method.

Air travel demand and the associated fuel emissions are expected to keep increasing in the following decades, forcing the aerospace industry to find ways to revolutionise the design process to achieve step-like performance improvements and emission reduction goals. A promising approach towards that goal is multidisciplinary design. To maximise the benefits, interdisciplinary synergies have to be investigated early in the design process. Efficient multidisciplinary optimisation tools are required to reliably identify a set of promising design directions to support engineering decision making towards the new generation of aircraft. To support these needs, a novel optimisation methodology is proposed aiming in exploiting multidisciplinary trends in the conceptual stage, exploring the design space and providing a pareto set of optimum configurations in the minimum cost possible. This is achieved by a combination of the expected improvement surrogate based optimisation plan, a novel Kriging modification to allow the use of multi-fidelity tools and a multi-objective sub-optimisation process infill formulation implemented within an multidisciplinary design optimisation architecture. A series of analytical test cases were initially used to develop the methodology and examine its performance under a set of criteria like global optimality, computational efficiency and dimensionality scaling. These were followed by two industrially relevant aerodynamic design cases, the RAE2822 transonic airfoil and the GARTEUR high lift configuration, investigating the effect of the constraint handling methods and the low fidelity tool. The cost reductions and exploration characteristics achieved by the method were quantified in realistic unconstrained, constrained and multi-objective problems. Finally, an aerostructural optimisation study of the NASA Common Research Model was used as a representative of a complex multidisciplinary design problem. The results demonstrate the framework’s capabilities in industrial problems, showing improved results and design space exploration but with lower costs than similarly oriented methods. The effect of the multidisciplinary architecture was also examined

Enabling Precision Fertilisers Application Using Digital Soil Mapping in Australian Sugarcane Areas

Sugar is Australia's second largest export crop after wheat, generating a total annual revenue of almost $2 billion. It is produced from sugarcane, with approximately 95% grown in Queensland. While highly productive and contributing to the area’s economic sustainability, the soils in these areas have low fertility. The soils typically contain sand content > 60%, low organic carbon (SOC 6%). Hence, sugarcane farmers need to apply fertilisers and ameliorants to maintain soil quality and productivity. Unfortunately, the high intensity rainfall in the region results in sediments, nutrients, and ameliorants run-off from these farms, resulting in environmental degradation and threats to marine ecology in the adjacent World Heritage Listed Great Barrier Reef. To mitigate these issues, the Australian sugarcane industry introduced the Six-Easy-Step Nutrient Management Guidelines. To apply these guidelines, a labour-intensive high-density soil sampling is typically required at the field level, followed by expensive laboratory analysis, spanning the myriad of biological, physical, and chemical properties of soils that need to be determined. To assist in sampling site selection, remote (e.g., Landsat-8, Sentinel-2, and DEM-based terrain attributes) and/or proximal sensing (e.g., electromagnetic [EM] induction and gamma-ray [γ-ray] spectrometry) digital data are increasingly being used. Moreover, the soil and digital data can be modelled using geostatistical (e.g., ordinary kriging [OK]), linear (e.g., linear mixed model [LMM]), machine learning (e.g., random forest [RF], quantile regression forest [QRF], support vector machine [SVM], and Cubist) and hybrid (e.g., RFRK, SVMRK, and CubistRK) approaches to enable prediction of soil properties from the rich source of digital data. However, there are many questions that need to be answered to determine appropriate recommendations including but not limited to i) which modelling approach is optimal, ii) which source of digital data is optimal and does fusion of various sources of digital data improve prediction accuracy, iii) which methods can be used to combine these digital data, iv) what is a minimum number of samples to establish a suitable calibration, v) which soil sampling designs could be used, and vi) what approaches are available to enable prediction of soil properties at various depths simultaneously? In this thesis, Chapter 1 introduces the research questions and defines the problems facing the Australian Sugarcane Industry in terms of the applications of the Six-Easy-Steps Nutrient Management Guidelines, research aims and thesis structure. Chapter 2 is a systematic literature review on various facets of DSM, which includes digital and soil data, models and outputs, and their application across various spatial scales and properties. In Chapter 3, prediction of topsoil (0-0.3 m) SOC is examined in the context of comparing predictive models (i.e., geostatistical, linear, machine learning [ML], and hybrid) using various digital data (i.e., remote [Landsat-8] and proximal sensors [EM and γ-ray]) either individually or in combination and determining minimum number of calibration samples. Chapter 4 shows to predict top- (0-0.3 m) and subsoil (0.6-0.9 m) Ca and Mg, various sampling designs (simple random [SRS], spatial coverage [SCS], feature space coverage [FSCS], and conditioned Latin hypercube sampling [cLHS]) were assessed, with different modelling approaches (i.e., OK, LMM, QRF, SVM, and CubistRK) and calibration sample size effect evaluated, using a combination of proximal data (EM and γ-ray) and terrain (e.g., elevation, slope, and aspect, etc.) attributes. Chapter 5 shows to enable the three-dimensional mapping of CEC and pH at topsoil (0-0.3 m), subsurface (0.3-0.6 m), shallow- (0.6-0.9 m) and deep-subsoil (0.9-1.2 m), an equal-area spline depth function can be used, with remote (Sentinel-2) and proximal data (EM and γ-ray) used alone or fused together, and various fusion methods (i.e., concatenation, simple averaging [SA], Bates-Granger averaging [BGA], Granger-Ramanathan averaging [GRA], and bias-corrected eigenvector averaging [BC-EA]) investigated. Chapter 6 explored the synergistic use of proximal (EM and γ-ray), and time-series of remote data (Landsat-8 and Sentinel-2) to map top- (0-0.15 m) and subsoil (0.30-0.45 m) ESP. The results show that, across these case studies, hybrid and ML models generally achieved higher prediction accuracy. The fusion of remote and proximal data produced better predictions, compared to single source of sensors. Granger-Ramanathan averaging (GRA) and concatenation were the most effective methods to combine digital data. A minimum of less than 1 sample ha-1 would be required to calibrate a good predictive model. There were differences in prediction accuracy amongst the sampling designs. The application of depth function splines enables the simultaneous mapping of soil properties from various depths. The produced DSM of soil properties can be used to inform farmers of spatial variability of soils and enable them to precisely apply fertilisers and/or ameliorants based on the Six-Easy-Step Nutrient Management Guidelines

Méthodologies de conception optimale de systèmes de conversion électromécanique

Cette thèse traite de la conception de systèmes électromécaniques, en particulier des machines électriques dédiées à des applications de traction. La démarche adoptée allie précision des résultats et réduction du temps de calcul du processus. A cet égard, deux thèmes ont été abordés dans cette thèse. Le premier thème concerne la modélisation de machines électriques et l utilisation de méthodes semi-numériques. Une architecture de réseau de réluctances est proposée pour analyser les performances de machines à flux axial. Elle permet la prise en compte de l'aspect temporel et la caractéristique non-linéaire des matériaux ferromagnétiques. Des modèles basés sur la méthode des éléments finis ont été établis pour valider les résultats de modélisation. Le faible écart entre modèles numériques et semi-numériques montre le bien fondé des méthodes proposées. Des dimensionnements offrant un compromis entre précision de la solution finale et temps de calcul font l objet du second thème de la thèse. La technique du Space Mapping est connue pour son efficacité, elle permet d'exploiter à moindre coût un modèle précis. Deux techniques qui en dérivent sont proposées en associant la modélisation par réseau de réluctances et des techniques d'optimisation. La première repose sur la modélisation de l'erreur entre des modèles de précisions différentes par une fonction à bases radiales. La deuxième intègre la correction de l'erreur dans la résolution des réseaux de réluctances en couplant les modèles linéaire et non-linéaire d'une machine électrique.This thesis proposes contributions in design methodologies for electromechanical systems, in particularly electrical machines. The proposed strategy allies precision and reduction in simulation time. Thus, two themes were studied. The first theme concerns electromagnetic modeling by means of semi-numerical models. Reluctance s network topology is proposed in order to analyze performances of permanent magnet axial flux machines. It can take into account the temporal aspect and the non-linearity of ferromagnetic materials. Finite element models were established in order to compare and validate the proposed modeling strategy. Thus, the small error between models (less than 5%) shows the efficiency of the models. Sizing based on optimization techniques, offering a compromise between final solution and computation time, are treated in the second theme of this thesis. Space Mapping is known as an efficient optimization technique, which enables exploiting costly models without being prohibited by computation time. Two derived techniques are proposed and applied to design the axial flux machines. The first, proposes the modeling of the error between models with different precision through radial basis function. The second embeds error correction in the magnetic equivalent circuit resolution in order to couple linear and non-linear models of an electrical machine.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

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