State-of-the-art in aerodynamic shape optimisation methods

Aerodynamic optimisation has become an indispensable component for any aerodynamic design over the past 60 years, with applications to aircraft, cars, trains, bridges, wind turbines, internal pipe flows, and cavities, among others, and is thus relevant in many facets of technology. With advancements in computational power, automated design optimisation procedures have become more competent, however, there is an ambiguity and bias throughout the literature with regards to relative performance of optimisation architectures and employed algorithms. This paper provides a well-balanced critical review of the dominant optimisation approaches that have been integrated with aerodynamic theory for the purpose of shape optimisation. A total of 229 papers, published in more than 120 journals and conference proceedings, have been classified into 6 different optimisation algorithm approaches. The material cited includes some of the most well-established authors and publications in the field of aerodynamic optimisation. This paper aims to eliminate bias toward certain algorithms by analysing the limitations, drawbacks, and the benefits of the most utilised optimisation approaches. This review provides comprehensive but straightforward insight for non-specialists and reference detailing the current state for specialist practitioners

Optimization for Decision Making II

In the current context of the electronic governance of society, both administrations and citizens are demanding the greater participation of all the actors involved in the decision-making process relative to the governance of society. This book presents collective works published in the recent Special Issue (SI) entitled “Optimization for Decision Making II”. These works give an appropriate response to the new challenges raised, the decision-making process can be done by applying different methods and tools, as well as using different objectives. In real-life problems, the formulation of decision-making problems and the application of optimization techniques to support decisions are particularly complex and a wide range of optimization techniques and methodologies are used to minimize risks, improve quality in making decisions or, in general, to solve problems. In addition, a sensitivity or robustness analysis should be done to validate/analyze the influence of uncertainty regarding decision-making. This book brings together a collection of inter-/multi-disciplinary works applied to the optimization of decision making in a coherent manner

Simulation optimisation to inform economic evaluations of sequential therapies for chronic conditions: a case study in Rheumatoid Arthritis

This thesis investigates the problem of treatment sequencing within health economic evaluations. For some chronic conditions, sequences of treatments can be used. When there are a lot of alternative treatments, then the number of possible sequences becomes very large. When undertaking an economic evaluation, it may not be feasible to estimate the costs and benefits of every alternative treatment sequence. The objective of the thesis is to test the feasibility of simulation optimisation methods to find an optimal or set of near-optimal sequences of disease modifying treatments for rheumatoid arthritis in an economic evaluation framework. A large number of economic evaluations have been undertaken to estimate the costs and benefits associated with different treatments for rheumatoid arthritis. Many of these have not considered the downstream sequence of treatments provided, and no published study has considered identifying the best, or optimal, treatment sequence. The published evidence is therefore of limited applicability if the objective is to maximise patient benefit while constrained by a finite budget. It is plausible that decision-makers have developed sub-optimal guidance for rheumatoid arthritis, and this could extend to other chronic conditions. A simulation model can provide an expectation of the population mean costs and benefits for alternative treatment sequences. These models are routinely used to inform health economic evaluations. However, they can be computationally expensive to run, and therefore the evaluation of potentially millions of treatment sequences is not feasible. However, simulation optimisation methods exist to identify a good solution from a simulation model within a feasible period of time. Using these methods within an economic evaluation of treatment sequences has not previously been investigated. In this thesis I highlight the importance of the treatment sequencing problem, review and assess relevant simulation optimisation methods, and implement a simulated annealing algorithm to explore its feasibility and appropriateness. From the implementation case study within rheumatoid arthritis, simulation optimisation via simulated annealing appears to be a feasible method to identify a set of good treatment sequences. However, the method requires a significant amount of time to implement and execute, which may limit its appropriateness for health resource allocation decision making. Further research is required to investigate the generalisability of the method, and further consideration regarding its use in a decision-making context is important

Intelligent simulation of coastal ecosystems

Tese de doutoramento. Engenharia Informática. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Faculdade de Ciência e Tecnologia. Universidade Fernando Pessoa. 201

From metaheuristics to learnheuristics: Applications to logistics, finance, and computing

Un gran nombre de processos de presa de decisions en sectors estratègics com el transport i la producció representen problemes NP-difícils. Sovint, aquests processos es caracteritzen per alts nivells d'incertesa i dinamisme. Les metaheurístiques són mètodes populars per a resoldre problemes d'optimització difícils en temps de càlcul raonables. No obstant això, sovint assumeixen que els inputs, les funcions objectiu, i les restriccions són deterministes i conegudes. Aquests constitueixen supòsits forts que obliguen a treballar amb problemes simplificats. Com a conseqüència, les solucions poden conduir a resultats pobres. Les simheurístiques integren la simulació a les metaheurístiques per resoldre problemes estocàstics d'una manera natural. Anàlogament, les learnheurístiques combinen l'estadística amb les metaheurístiques per fer front a problemes en entorns dinàmics, en què els inputs poden dependre de l'estructura de la solució. En aquest context, les principals contribucions d'aquesta tesi són: el disseny de les learnheurístiques, una classificació dels treballs que combinen l'estadística / l'aprenentatge automàtic i les metaheurístiques, i diverses aplicacions en transport, producció, finances i computació.Un gran número de procesos de toma de decisiones en sectores estratégicos como el transporte y la producción representan problemas NP-difíciles. Frecuentemente, estos problemas se caracterizan por altos niveles de incertidumbre y dinamismo. Las metaheurísticas son métodos populares para resolver problemas difíciles de optimización de manera rápida. Sin embargo, suelen asumir que los inputs, las funciones objetivo y las restricciones son deterministas y se conocen de antemano. Estas fuertes suposiciones conducen a trabajar con problemas simplificados. Como consecuencia, las soluciones obtenidas pueden tener un pobre rendimiento. Las simheurísticas integran simulación en metaheurísticas para resolver problemas estocásticos de una manera natural. De manera similar, las learnheurísticas combinan aprendizaje estadístico y metaheurísticas para abordar problemas en entornos dinámicos, donde los inputs pueden depender de la estructura de la solución. En este contexto, las principales aportaciones de esta tesis son: el diseño de las learnheurísticas, una clasificación de trabajos que combinan estadística / aprendizaje automático y metaheurísticas, y varias aplicaciones en transporte, producción, finanzas y computación.A large number of decision-making processes in strategic sectors such as transport and production involve NP-hard problems, which are frequently characterized by high levels of uncertainty and dynamism. Metaheuristics have become the predominant method for solving challenging optimization problems in reasonable computing times. However, they frequently assume that inputs, objective functions and constraints are deterministic and known in advance. These strong assumptions lead to work on oversimplified problems, and the solutions may demonstrate poor performance when implemented. Simheuristics, in turn, integrate simulation into metaheuristics as a way to naturally solve stochastic problems, and, in a similar fashion, learnheuristics combine statistical learning and metaheuristics to tackle problems in dynamic environments, where inputs may depend on the structure of the solution. The main contributions of this thesis include (i) a design for learnheuristics; (ii) a classification of works that hybridize statistical and machine learning and metaheuristics; and (iii) several applications for the fields of transport, production, finance and computing

Crowdsensing-driven route optimisation algorithms for smart urban mobility

Urban rörlighet anses ofta vara en av de främsta möjliggörarna för en hållbar statsutveckling. Idag skulle det dock kräva ett betydande skifte mot renare och effektivare stadstransporter vilket skulle stödja ökad social och ekonomisk koncentration av resurser i städerna. En viktig prioritet för städer runt om i världen är att stödja medborgarnas rörlighet inom stadsmiljöer medan samtidigt minska trafikstockningar, olyckor och föroreningar. Att utveckla en effektivare och grönare (eller med ett ord; smartare) stadsrörlighet är en av de svåraste problemen att bemöta för stora metropoler. I denna avhandling närmar vi oss problemet från det snabba utvecklingsperspektivet av ITlandskapet i städer vilket möjliggör byggandet av rörlighetslösningar utan stora stora investeringar eller sofistikerad sensortenkik. I synnerhet föreslår vi utnyttjandet av den mobila rörlighetsavkännings, eng. Mobile Crowdsensing (MCS), paradigmen i vilken befolkningen exploaterar sin mobilkommunikation och/eller mobilasensorer med syftet att frivilligt samla, distribuera, lokalt processera och analysera geospecifik information. Rörlighetavkänningssdata (t.ex. händelser, trafikintensitet, buller och luftföroreningar etc.) inhämtad från frivilliga i befolkningen kan ge värdefull information om aktuella rörelsesförhållanden i stad vilka, med adekvata databehandlingsalgoriter, kan användas för att planera människors rörelseflöden inom stadsmiljön. Såtillvida kombineras i denna avhandling två mycket lovande smarta rörlighetsmöjliggörare, eng. Smart Mobility Enablers, nämligen MCS och rese/ruttplanering. Vi kan därmed till viss utsträckning sammanföra forskningsutmaningar från dessa två delar. Vi väljer att separera våra forskningsmål i två delar, dvs forskningssteg: (1) arkitektoniska utmaningar vid design av MCS-system och (2) algoritmiska utmaningar för tillämpningar av MCS-driven ruttplanering. Vi ämnar att visa en logisk forskningsprogression över tiden, med avstamp i mänskligt dirigerade rörelseavkänningssystem som MCS och ett avslut i automatiserade ruttoptimeringsalgoritmer skräddarsydda för specifika MCS-applikationer. Även om vi förlitar oss på heuristiska lösningar och algoritmer för NP-svåra ruttproblem förlitar vi oss på äkta applikationer med syftet att visa på fördelarna med algoritm- och infrastrukturförslagen.La movilidad urbana es considerada una de las principales desencadenantes de un desarrollo urbano sostenible. Sin embargo, hoy en día se requiere una transición hacia un transporte urbano más limpio y más eficiente que soporte una concentración de recursos sociales y económicos cada vez mayor en las ciudades. Una de las principales prioridades para las ciudades de todo el mundo es facilitar la movilidad de los ciudadanos dentro de los entornos urbanos, al mismo tiempo que se reduce la congestión, los accidentes y la contaminación. Sin embargo, desarrollar una movilidad urbana más eficiente y más verde (o en una palabra, más inteligente) es uno de los temas más difíciles de afrontar para las grandes áreas metropolitanas. En esta tesis, abordamos este problema desde la perspectiva de un panorama TIC en rápida evolución que nos permite construir movilidad sin la necesidad de grandes inversiones ni sofisticadas tecnologías de sensores. En particular, proponemos aprovechar el paradigma Mobile Crowdsensing (MCS) en el que los ciudadanos utilizan sus teléfonos móviles y dispositivos, para nosotros recopilar, procesar y analizar localmente información georreferenciada, distribuida voluntariamente. Los datos de movilidad recopilados de ciudadanos que voluntariamente quieren compartirlos (por ejemplo, eventos, intensidad del tráfico, ruido y contaminación del aire, etc.) pueden proporcionar información valiosa sobre las condiciones de movilidad actuales en la ciudad, que con el algoritmo de procesamiento de datos adecuado, pueden utilizarse para enrutar y gestionar el flujo de gente en entornos urbanos. Por lo tanto, en esta tesis combinamos dos prometedoras fuentes de movilidad inteligente: MCS y la planificación de viajes/rutas, uniendo en cierta medida los distintos desafíos de investigación. Hemos dividido nuestros objetivos de investigación en dos etapas: (1) Desafíos arquitectónicos en el diseño de sistemas MCS y (2) Desafíos algorítmicos en la planificación de rutas aprovechando la información del MCS. Nuestro objetivo es demostrar una progresión lógica de la investigación a lo largo del tiempo, comenzando desde los fundamentos de los sistemas de detección centrados en personas, como el MCS, hasta los algoritmos de optimización de rutas diseñados específicamente para la aplicación de estos. Si bien nos centramos en algoritmos y heurísticas para resolver problemas de enrutamiento de clase NP-hard, utilizamos ejemplos de aplicaciones en el mundo real para mostrar las ventajas de los algoritmos e infraestructuras propuestas