An interactive product development model in remanufacturing environment: a chaos-based artificial bee colony approach

This research presents an interactive product development model in re-manufacturing environment. The product development model defined a quantitative value model considering product design and development tasks and their value attributes responsible to describe functions of the product. At the last stage of the product development process, re-manufacturing feasibility of used components is incorporated. The consummate feature of this consideration lies in considering variability in cost, weight, and size of the constituted components depending on its types and physical states. Further, this research focuses on reverse logistics paradigm to drive environmental management and economic concerns of the manufacturing industry after the product launching and selling in the market. Moreover, the model is extended by integrating it with RFID technology. This RFID embedded model is aimed at analyzing the economical impact on the account of having advantage of a real time system with reduced inventory shrinkage, reduced processing time, reduced labor cost, process accuracy, and other directly measurable benefits. Consideration the computational complexity involved in product development process reverse logistics, this research proposes; Self-Guided Algorithms & Control (S-CAG) approach for the product development model, and Chaos-based Interactive Artificial Bee Colony (CI-ABC) approach for re-manufacturing model. Illustrative Examples has been presented to test the efficacy of the models. Numerical results from using the S-CAG and CI-ABC for optimal performance are presented and analyzed. The results clearly reveal the efficacy of proposed algorithms when applied to the underlying problems. --Abstract, page iv

Application of Computational Intelligence in Cognitive Radio Network for Efficient Spectrum Utilization, and Speech Therapy

communication systems utilize all the available frequency bands as efficiently as possible in time, frequency and spatial domains. Society requires more high capacity and broadband wireless connectivity, demanding greater access to spectrum. Most of the licensed spectrums are grossly underutilized while some spectrum (licensed and unlicensed) are overcrowded. The problem of spectrum scarcity and underutilization can be minimized by adopting a new paradigm of wireless communication scheme. Advanced Cognitive Radio (CR) network or Dynamic Adaptive Spectrum Sharing is one of the ways to optimize our wireless communications technologies for high data rates while maintaining users’ desired quality of service (QoS) requirements. Scanning a wideband spectrum to find spectrum holes to deliver to users an acceptable quality of service using algorithmic methods requires a lot of time and energy. Computational Intelligence (CI) techniques can be applied to these scenarios to predict the available spectrum holes, and the expected RF power in the channels. This will enable the CR to predictively avoid noisy channels among the idle channels, thus delivering optimum QoS at less radio resources. In this study, spectrum holes search using artificial neural network (ANN) and traditional search methods were simulated. The RF power traffic of some selected channels ranging from 50MHz to 2.5GHz were modelled using optimized ANN and support vector machine (SVM) regression models for prediction of real world RF power. The prediction accuracy and generalization was improved by combining different prediction models with a weighted output to form one model. The meta-parameters of the prediction models were evolved using population based differential evolution and swarm intelligence optimization algorithms. The success of CR network is largely dependent on the overall world knowledge of spectrum utilization in both time, frequency and spatial domains. To identify underutilized bands that can serve as potential candidate bands to be exploited by CRs, spectrum occupancy survey based on long time RF measurement using energy detector was conducted. Results show that the average spectrum utilization of the bands considered within the studied location is less than 30%. Though this research is focused on the application of CI with CR as the main target, the skills and knowledge acquired from the PhD research in CI was applied in ome neighbourhood areas related to the medical field. This includes the use of ANN and SVM for impaired speech segmentation which is the first phase of a research project that aims at developing an artificial speech therapist for speech impaired patients.Petroleum Technology Development Fund (PTDF) Scholarship Board, Nigeri

Advanced meta-heuristic approaches and their application to operational optimization in forest wildfire management

La última década ha sido testigo de un aumento vertiginoso de la cantidad y frecuencia de desastres a gran escala, principalmente debido a los fenómenos devastadores derivados de paradigmas climatológicos y ambientales a gran escala como el calentamiento global. De entre ellos son las inundaciones, huracanes y terremotos los desastres de mayor frecuencia de aparición y fatales consecuencias durante este período, tal como certifican los más de 20.000 muertos a consecuencia de un terremoto en la región de Gujarat (India) en 2001, o las 230.000 y 316.000 pérdidas humanas de los terremotos de Indonesia y Haití en 2004 y 2010, respectivamente. En este contexto, el enfoque de esta tesis se centra en una casuística concreta de desastre a media-gran escala cuya frecuencia y severidad han crecido de manera igualmente preocupante en los últimos tiempos: los incendios, definidos como un fuego de grandes dimensiones no voluntariamente iniciado por el ser humano, y que afecta a aquello que no está destinado a quemarse. Pese a la diversidad de iniciativas, campañas y procedimientos orientados a la minimización del impacto y las consecuencias de los incendios, varios sucesos fatales acontecidos en los últimos años han puesto en duda la efectividad de las políticas actuales de gestión de recursos contra incendios como aeronaves, vehículos terrestres, equipamiento de comunicaciones radio, logística de abastecimiento y las brigadas desplegadas en el área afectada. Un ejemplo manifiesto de esta falta de eficacia es la muerte de once bomberos ocurrida en un incendio de 130 kilómetros cuadrados en la zona de Guadalajara (España) en 2005, oficialmente atribuida a una deficiente coordinación entre el puesto de mando y los equipos de extinción debida, fundamentalmente, a problemas de cobertura en los sistemas de radiocomunicación. Aunque la causa de esta falta de coordinación ha sido cuestionada por las autoridades y los agentes involucrados desde entonces, lo cierto es que este suceso supone un ejemplo evidente de la necesidad de estudiar y desarrollar herramientas algorítmicas que ayuden al personal de comandancia a ejecutar óptimamente sus tareas de coordinación y control. Desafortunadamente la coyuntura de crisis económica mundial que azota con especial fuerza los países del Sur de Europa ha mermado dramáticamente las partidas presupuestarias para la prevención y extinción de incendios en beneficio de programas nacionales de reducción de déficit. A consecuencia de estos recortes, el coste ha irrumpido con fuerza como un criterio de extrema relevancia en la planificación operativa de este tipo de desastres: desde la perspectiva de un problema de optimización, los recursos contra incendios son actualmente gestionados con el objetivo fundamental de maximizar su efectividad contra incendios, sujeto a la restricción de que el coste agregado asociado a las decisiones tomadas no supere un determinado umbral presupuestario. Pese a que estas restricciones de coste están bien acotadas, en la práctica la mayoría de los procedimientos de gestión de recursos contra incendios están fuertemente determinados por la capacidad limitada del ser humano para tomar decisiones ágiles en escenarios de elevada complejidad y heterogeneidad. Por los motivos anteriormente expuestos, la presente Tesis doctoral propone la adopción de algoritmos meta-heurísticos para solventar eficientemente problemas de optimización que modelan procesos de gestión de recursos contra incendios. Esta familia de algoritmos de optimización es capaz de explorar el espacio solución de un problema dado merced a la aplicación iterativa de mecanismos inteligentes de búsqueda explorativa y explotativa, produciendo soluciones que sacrifican calidad por una complejidad computacional menor en comparación con la resultante de procesos determinísticos de búsqueda exhaustiva. En particular la Tesis plantea la búsqueda por harmonía (del inglés Harmony Search) como la técnica meta-heurística de optimización común a las herramientas diseñadas para la gestión de recursos en dos escenarios diferentes: ? El primer escenario analizado contempla el despliegue óptimo de redes de comunicación inalámbrica para la coordinación de equipos de extinción en incendios forestales de gran escala. Desde el punto de vista formal, el problema del despliegue dinámico de retransmisores que caracteriza matemáticamente este escenario consiste en estimar el número y localización de los retransmisores radio que deben ser desplegados en el área afectada por el incendio, de tal modo que el número de nodos móviles (i.e. recursos) con cobertura radio es maximizado a un coste del despliegue mínimo. A fin de reflejar la diversidad de equipamiento de retransmisión radio existente en la realidad, este problema es reformulado para considerar modelos de retransmisor con diferentes características de cobertura y coste. El problema resultante es resuelto de manera eficiente mediante sendos algoritmos mono- y bi-objetivo que conjugan 1) la Búsqueda por Harmonía como método de búsqueda global; y 2) una versión modificada del algoritmo de agrupación K-means como técnica de búsqueda local. El desempeño de los métodos propuestos es evaluado mediante experimentos numéricos basados en datos estadísticos reales de la Comunidad de Castilla la Mancha (España), merced a cuyos resultados queda certificada su practicidad a la hora de desplegar infraestructura de comunicación en este tipo de desastres. ? El segundo escenario bajo estudio se concentra en el despliegue y planificación óptima de vehículos aéreos de extinción de incendios basados en estimaciones predictivas del riesgo de incendio de una cierta área geográfica. De manera enunciativa, el problema subyacente busca la asignación de recursos a aeródromos y aeropuertos con restricciones de capacidad que maximice la utilidad de dichos recursos en relación al riesgo de incendio y minimice, a su vez, el coste de ejecutar dicha asignación. La formulación de este problema también considera, dentro de la definición de dicha función de utilidad, la distancia relativa entre aeropuerto, punto de potencial riesgo de incendio y el recurso acuífero (lago, río o mar) más cercano. Para su resolución eficiente se propone el uso de algoritmos de optimización basados, de nuevo, en la Búsqueda por Harmonía, incorporando además métodos voraces de reparación capacitiva. La aplicabilidad práctica de estos métodos es validada mediante experimentos numéricos en escenarios sintéticos y un caso práctico que incluye valores reales del riesgo de incendio, posiciones de recursos acuíferos e instalaciones aeroportuarias. En resumen, esta Tesis evidencia, desde un punto de vista práctico, que la meta-heurística moderna supone una solución algorítmica computacionalmente eficiente para tratar problemas de gestión de recursos contra incendios sujetos a restricciones de coste

Advanced meta-heuristic approaches and their application to operational optimization in forest wildfire management

La última década ha sido testigo de un aumento vertiginoso de la cantidad y frecuencia de desastres a gran escala, principalmente debido a los fenómenos devastadores derivados de paradigmas climatológicos y ambientales a gran escala como el calentamiento global. De entre ellos son las inundaciones, huracanes y terremotos los desastres de mayor frecuencia de aparición y fatales consecuencias durante este período, tal como certifican los más de 20.000 muertos a consecuencia de un terremoto en la región de Gujarat (India) en 2001, o las 230.000 y 316.000 pérdidas humanas de los terremotos de Indonesia y Haití en 2004 y 2010, respectivamente. En este contexto, el enfoque de esta tesis se centra en una casuística concreta de desastre a media-gran escala cuya frecuencia y severidad han crecido de manera igualmente preocupante en los últimos tiempos: los incendios, definidos como un fuego de grandes dimensiones no voluntariamente iniciado por el ser humano, y que afecta a aquello que no está destinado a quemarse. Pese a la diversidad de iniciativas, campañas y procedimientos orientados a la minimización del impacto y las consecuencias de los incendios, varios sucesos fatales acontecidos en los últimos años han puesto en duda la efectividad de las políticas actuales de gestión de recursos contra incendios como aeronaves, vehículos terrestres, equipamiento de comunicaciones radio, logística de abastecimiento y las brigadas desplegadas en el área afectada. Un ejemplo manifiesto de esta falta de eficacia es la muerte de once bomberos ocurrida en un incendio de 130 kilómetros cuadrados en la zona de Guadalajara (España) en 2005, oficialmente atribuida a una deficiente coordinación entre el puesto de mando y los equipos de extinción debida, fundamentalmente, a problemas de cobertura en los sistemas de radiocomunicación. Aunque la causa de esta falta de coordinación ha sido cuestionada por las autoridades y los agentes involucrados desde entonces, lo cierto es que este suceso supone un ejemplo evidente de la necesidad de estudiar y desarrollar herramientas algorítmicas que ayuden al personal de comandancia a ejecutar óptimamente sus tareas de coordinación y control. Desafortunadamente la coyuntura de crisis económica mundial que azota con especial fuerza los países del Sur de Europa ha mermado dramáticamente las partidas presupuestarias para la prevención y extinción de incendios en beneficio de programas nacionales de reducción de déficit. A consecuencia de estos recortes, el coste ha irrumpido con fuerza como un criterio de extrema relevancia en la planificación operativa de este tipo de desastres: desde la perspectiva de un problema de optimización, los recursos contra incendios son actualmente gestionados con el objetivo fundamental de maximizar su efectividad contra incendios, sujeto a la restricción de que el coste agregado asociado a las decisiones tomadas no supere un determinado umbral presupuestario. Pese a que estas restricciones de coste están bien acotadas, en la práctica la mayoría de los procedimientos de gestión de recursos contra incendios están fuertemente determinados por la capacidad limitada del ser humano para tomar decisiones ágiles en escenarios de elevada complejidad y heterogeneidad. Por los motivos anteriormente expuestos, la presente Tesis doctoral propone la adopción de algoritmos meta-heurísticos para solventar eficientemente problemas de optimización que modelan procesos de gestión de recursos contra incendios. Esta familia de algoritmos de optimización es capaz de explorar el espacio solución de un problema dado merced a la aplicación iterativa de mecanismos inteligentes de búsqueda explorativa y explotativa, produciendo soluciones que sacrifican calidad por una complejidad computacional menor en comparación con la resultante de procesos determinísticos de búsqueda exhaustiva. En particular la Tesis plantea la búsqueda por harmonía (del inglés Harmony Search) como la técnica meta-heurística de optimización común a las herramientas diseñadas para la gestión de recursos en dos escenarios diferentes: ? El primer escenario analizado contempla el despliegue óptimo de redes de comunicación inalámbrica para la coordinación de equipos de extinción en incendios forestales de gran escala. Desde el punto de vista formal, el problema del despliegue dinámico de retransmisores que caracteriza matemáticamente este escenario consiste en estimar el número y localización de los retransmisores radio que deben ser desplegados en el área afectada por el incendio, de tal modo que el número de nodos móviles (i.e. recursos) con cobertura radio es maximizado a un coste del despliegue mínimo. A fin de reflejar la diversidad de equipamiento de retransmisión radio existente en la realidad, este problema es reformulado para considerar modelos de retransmisor con diferentes características de cobertura y coste. El problema resultante es resuelto de manera eficiente mediante sendos algoritmos mono- y bi-objetivo que conjugan 1) la Búsqueda por Harmonía como método de búsqueda global; y 2) una versión modificada del algoritmo de agrupación K-means como técnica de búsqueda local. El desempeño de los métodos propuestos es evaluado mediante experimentos numéricos basados en datos estadísticos reales de la Comunidad de Castilla la Mancha (España), merced a cuyos resultados queda certificada su practicidad a la hora de desplegar infraestructura de comunicación en este tipo de desastres. ? El segundo escenario bajo estudio se concentra en el despliegue y planificación óptima de vehículos aéreos de extinción de incendios basados en estimaciones predictivas del riesgo de incendio de una cierta área geográfica. De manera enunciativa, el problema subyacente busca la asignación de recursos a aeródromos y aeropuertos con restricciones de capacidad que maximice la utilidad de dichos recursos en relación al riesgo de incendio y minimice, a su vez, el coste de ejecutar dicha asignación. La formulación de este problema también considera, dentro de la definición de dicha función de utilidad, la distancia relativa entre aeropuerto, punto de potencial riesgo de incendio y el recurso acuífero (lago, río o mar) más cercano. Para su resolución eficiente se propone el uso de algoritmos de optimización basados, de nuevo, en la Búsqueda por Harmonía, incorporando además métodos voraces de reparación capacitiva. La aplicabilidad práctica de estos métodos es validada mediante experimentos numéricos en escenarios sintéticos y un caso práctico que incluye valores reales del riesgo de incendio, posiciones de recursos acuíferos e instalaciones aeroportuarias. En resumen, esta Tesis evidencia, desde un punto de vista práctico, que la meta-heurística moderna supone una solución algorítmica computacionalmente eficiente para tratar problemas de gestión de recursos contra incendios sujetos a restricciones de coste

Optimization and Communication in UAV Networks

UAVs are becoming a reality and attract increasing attention. They can be remotely controlled or completely autonomous and be used alone or as a fleet and in a large set of applications. They are constrained by hardware since they cannot be too heavy and rely on batteries. Their use still raises a large set of exciting new challenges in terms of trajectory optimization and positioning when they are used alone or in cooperation, and communication when they evolve in swarm, to name but a few examples. This book presents some new original contributions regarding UAV or UAV swarm optimization and communication aspects

Using MapReduce Streaming for Distributed Life Simulation on the Cloud

Distributed software simulations are indispensable in the study of large-scale life models but often require the use of technically complex lower-level distributed computing frameworks, such as MPI. We propose to overcome the complexity challenge by applying the emerging MapReduce (MR) model to distributed life simulations and by running such simulations on the cloud. Technically, we design optimized MR streaming algorithms for discrete and continuous versions of Conway’s life according to a general MR streaming pattern. We chose life because it is simple enough as a testbed for MR’s applicability to a-life simulations and general enough to make our results applicable to various lattice-based a-life models. We implement and empirically evaluate our algorithms’ performance on Amazon’s Elastic MR cloud. Our experiments demonstrate that a single MR optimization technique called strip partitioning can reduce the execution time of continuous life simulations by 64%. To the best of our knowledge, we are the first to propose and evaluate MR streaming algorithms for lattice-based simulations. Our algorithms can serve as prototypes in the development of novel MR simulation algorithms for large-scale lattice-based a-life models.https://digitalcommons.chapman.edu/scs_books/1014/thumbnail.jp

Unmanned Aerial Vehicle for Internet of Everything: Opportunities and Challenges

The recent advances in information and communication technology (ICT) have further extended Internet of Things (IoT) from the sole "things" aspect to the omnipotent role of "intelligent connection of things". Meanwhile, the concept of internet of everything (IoE) is presented as such an omnipotent extension of IoT. However, the IoE realization meets critical challenges including the restricted network coverage and the limited resource of existing network technologies. Recently, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have attracted significant attentions attributed to their high mobility, low cost, and flexible deployment. Thus, UAVs may potentially overcome the challenges of IoE. This article presents a comprehensive survey on opportunities and challenges of UAV-enabled IoE. We first present three critical expectations of IoE: 1) scalability requiring a scalable network architecture with ubiquitous coverage, 2) intelligence requiring a global computing plane enabling intelligent things, 3) diversity requiring provisions of diverse applications. Thereafter, we review the enabling technologies to achieve these expectations and discuss four intrinsic constraints of IoE (i.e., coverage constraint, battery constraint, computing constraint, and security issues). We then present an overview of UAVs. We next discuss the opportunities brought by UAV to IoE. Additionally, we introduce a UAV-enabled IoE (Ue-IoE) solution by exploiting UAVs's mobility, in which we show that Ue-IoE can greatly enhance the scalability, intelligence and diversity of IoE. Finally, we outline the future directions in Ue-IoE.Comment: 21 pages, 9 figure

IoT and Sensor Networks in Industry and Society

The exponential progress of Information and Communication Technology (ICT) is one of the main elements that fueled the acceleration of the globalization pace. Internet of Things (IoT), Artificial Intelligence (AI) and big data analytics are some of the key players of the digital transformation that is affecting every aspect of human's daily life, from environmental monitoring to healthcare systems, from production processes to social interactions. In less than 20 years, people's everyday life has been revolutionized, and concepts such as Smart Home, Smart Grid and Smart City have become familiar also to non-technical users. The integration of embedded systems, ubiquitous Internet access, and Machine-to-Machine (M2M) communications have paved the way for paradigms such as IoT and Cyber Physical Systems (CPS) to be also introduced in high-requirement environments such as those related to industrial processes, under the forms of Industrial Internet of Things (IIoT or I2oT) and Cyber-Physical Production Systems (CPPS). As a consequence, in 2011 the German High-Tech Strategy 2020 Action Plan for Germany first envisioned the concept of Industry 4.0, which is rapidly reshaping traditional industrial processes. The term refers to the promise to be the fourth industrial revolution. Indeed, the first industrial revolution was triggered by water and steam power. Electricity and assembly lines enabled mass production in the second industrial revolution. In the third industrial revolution, the introduction of control automation and Programmable Logic Controllers (PLCs) gave a boost to factory production. As opposed to the previous revolutions, Industry 4.0 takes advantage of Internet access, M2M communications, and deep learning not only to improve production efficiency but also to enable the so-called mass customization, i.e. the mass production of personalized products by means of modularized product design and flexible processes. Less than five years later, in January 2016, the Japanese 5th Science and Technology Basic Plan took a further step by introducing the concept of Super Smart Society or Society 5.0. According to this vision, in the upcoming future, scientific and technological innovation will guide our society into the next social revolution after the hunter-gatherer, agrarian, industrial, and information eras, which respectively represented the previous social revolutions. Society 5.0 is a human-centered society that fosters the simultaneous achievement of economic, environmental and social objectives, to ensure a high quality of life to all citizens. This information-enabled revolution aims to tackle today’s major challenges such as an ageing population, social inequalities, depopulation and constraints related to energy and the environment. Accordingly, the citizens will be experiencing impressive transformations into every aspect of their daily lives. This book offers an insight into the key technologies that are going to shape the future of industry and society. It is subdivided into five parts: the I Part presents a horizontal view of the main enabling technologies, whereas the II-V Parts offer a vertical perspective on four different environments. The I Part, dedicated to IoT and Sensor Network architectures, encompasses three Chapters. In Chapter 1, Peruzzi and Pozzebon analyse the literature on the subject of energy harvesting solutions for IoT monitoring systems and architectures based on Low-Power Wireless Area Networks (LPWAN). The Chapter does not limit the discussion to Long Range Wise Area Network (LoRaWAN), SigFox and Narrowband-IoT (NB-IoT) communication protocols, but it also includes other relevant solutions such as DASH7 and Long Term Evolution MAchine Type Communication (LTE-M). In Chapter 2, Hussein et al. discuss the development of an Internet of Things message protocol that supports multi-topic messaging. The Chapter further presents the implementation of a platform, which integrates the proposed communication protocol, based on Real Time Operating System. In Chapter 3, Li et al. investigate the heterogeneous task scheduling problem for data-intensive scenarios, to reduce the global task execution time, and consequently reducing data centers' energy consumption. The proposed approach aims to maximize the efficiency by comparing the cost between remote task execution and data migration. The II Part is dedicated to Industry 4.0, and includes two Chapters. In Chapter 4, Grecuccio et al. propose a solution to integrate IoT devices by leveraging a blockchain-enabled gateway based on Ethereum, so that they do not need to rely on centralized intermediaries and third-party services. As it is better explained in the paper, where the performance is evaluated in a food-chain traceability application, this solution is particularly beneficial in Industry 4.0 domains. Chapter 5, by De Fazio et al., addresses the issue of safety in workplaces by presenting a smart garment that integrates several low-power sensors to monitor environmental and biophysical parameters. This enables the detection of dangerous situations, so as to prevent or at least reduce the consequences of workers accidents. The III Part is made of two Chapters based on the topic of Smart Buildings. In Chapter 6, Petroșanu et al. review the literature about recent developments in the smart building sector, related to the use of supervised and unsupervised machine learning models of sensory data. The Chapter poses particular attention on enhanced sensing, energy efficiency, and optimal building management. In Chapter 7, Oh examines how much the education of prosumers about their energy consumption habits affects power consumption reduction and encourages energy conservation, sustainable living, and behavioral change, in residential environments. In this Chapter, energy consumption monitoring is made possible thanks to the use of smart plugs. Smart Transport is the subject of the IV Part, including three Chapters. In Chapter 8, Roveri et al. propose an approach that leverages the small world theory to control swarms of vehicles connected through Vehicle-to-Vehicle (V2V) communication protocols. Indeed, considering a queue dominated by short-range car-following dynamics, the Chapter demonstrates that safety and security are increased by the introduction of a few selected random long-range communications. In Chapter 9, Nitti et al. present a real time system to observe and analyze public transport passengers' mobility by tracking them throughout their journey on public transport vehicles. The system is based on the detection of the active Wi-Fi interfaces, through the analysis of Wi-Fi probe requests. In Chapter 10, Miler et al. discuss the development of a tool for the analysis and comparison of efficiency indicated by the integrated IT systems in the operational activities undertaken by Road Transport Enterprises (RTEs). The authors of this Chapter further provide a holistic evaluation of efficiency of telematics systems in RTE operational management. The book ends with the two Chapters of the V Part on Smart Environmental Monitoring. In Chapter 11, He et al. propose a Sea Surface Temperature Prediction (SSTP) model based on time-series similarity measure, multiple pattern learning and parameter optimization. In this strategy, the optimal parameters are determined by means of an improved Particle Swarm Optimization method. In Chapter 12, Tsipis et al. present a low-cost, WSN-based IoT system that seamlessly embeds a three-layered cloud/fog computing architecture, suitable for facilitating smart agricultural applications, especially those related to wildfire monitoring. We wish to thank all the authors that contributed to this book for their efforts. We express our gratitude to all reviewers for the volunteering support and precious feedback during the review process. We hope that this book provides valuable information and spurs meaningful discussion among researchers, engineers, businesspeople, and other experts about the role of new technologies into industry and society

An Approach Based on Particle Swarm Optimization for Inspection of Spacecraft Hulls by a Swarm of Miniaturized Robots

The remoteness and hazards that are inherent to the operating environments of space infrastructures promote their need for automated robotic inspection. In particular, micrometeoroid and orbital debris impact and structural fatigue are common sources of damage to spacecraft hulls. Vibration sensing has been used to detect structural damage in spacecraft hulls as well as in structural health monitoring practices in industry by deploying static sensors. In this paper, we propose using a swarm of miniaturized vibration-sensing mobile robots realizing a network of mobile sensors. We present a distributed inspection algorithm based on the bio-inspired particle swarm optimization and evolutionary algorithm niching techniques to deliver the task of enumeration and localization of an a priori unknown number of vibration sources on a simplified 2.5D spacecraft surface. Our algorithm is deployed on a swarm of simulated cm-scale wheeled robots. These are guided in their inspection task by sensing vibrations arising from failure points on the surface which are detected by on-board accelerometers. We study three performance metrics: (1) proximity of the localized sources to the ground truth locations, (2) time to localize each source, and (3) time to finish the inspection task given a 75% inspection coverage threshold. We find that our swarm is able to successfully localize the present so