Assessment of evolutionary algorithms for optimal operating rules design in real Water Resource Systems

Two evolutionary algorithms (EAs) are assessed in this paper to design optimal operating rules (ORs) for Water Resource Systems (WRS). The assessment is established through a parameter analysis of both algorithms in a theoretical case, and the methodology described in this paper is applied to a complex, real case. These two applications allow us to analyse an algorithm's properties and performance by defining ORs, how an algorithm's termination/convergence criteria affect the results and the importance of decision-makers participating in the optimisation process. The former analysis reflects the need for correctly defining the important algorithm parameters to ensure an optimal result and how the greater number of termination conditions makes the algorithm an efficient tool for obtaining optimal ORs in less time. Finally, in the complex real case application, we discuss the participation value of decision-makers toward correctly defining the objectives and making decisions in the post-process. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.[EN]The authors wish to thank the University of Cagliari (Sardinia) and the Basin Agency of Sardinia for the data provided in the development of this study, as well as the Autonomous Region of Sardinia for funding the research project CRP 2_716. Thanks are also due to the Spanish Ministry of Science and Innovation (Comision Interministerial de Ciencia y Tecnologia, CICYT) for funding the projects NUTEGES (VI Plan Nacional de I+D-Ei 2008-2011, CGL2012-34978) and SCARCE (program Consolider-Ingenio 2010, project CSD2009-00065). The authors also thank the European Commission (Directorate-General for Research and Innovation) for funding the projects DROUGHT-R&SPI (program FP7-ENV-2011, project 282769), SIRIUS (FP7-SPACE-2010-1, project 262902), LIFE ALBUFERA project (LIFE12 ENV/ES/000685) and WAMCD project (EC-DG Environment No. 07.0329/2013/671291/SUB/ENV.C.1).Lerma Elvira, N.; Paredes Arquiola, J.; Andreu Álvarez, J.; Solera Solera, A.; Sechi, GM. (2015). Assessment of evolutionary algorithms for optimal operating rules design in real Water Resource Systems. Environmental Modelling and Software. 69:425-436. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2014.09.024S4254366

Simultaneous selection and scheduling with sequence-dependent setup times, lateness penalties, and machine availability constraint : heuristic approaches

Job selection and scheduling are among the most important decisions for production planning in today's manufacturing systems. However, the studies that take into account both problems together are scarce. Given that such problems are strongly NP-hard, this paper presents an approach based on two heuristic algorithms for simultaneous job selection and scheduling. The objective is to select a subset of jobs and schedule them in such a way that the total net profit is maximized. The cost components considered include jobs' processing costs and weighted earliness/tardiness penalties. Two heuristic algorithms; namely scatter search (SS) and simulated annealing (SA), were employed to solve the problem for single machine environments. The algorithms were applied to several examples of different sizes with sequence-dependent setup times. Computational results were compared in terms of quality of solutions and convergence speed. Both algorithms were found to be efficient in solving the problem. While SS could provide solutions with slightly higher quality for large size problems, SA could achieve solutions in a more reasonable computational tim

Automated test data generation using a scatter search approach

The techniques for the automatic generation of test cases try to efficiently find a small set of cases that allow a given adequacy criterion to be fulfilled, thus contributing to a reduction in the cost of software testing. In this paper we present and analyze two versions of an approach based on the Scatter Search metaheuristic technique for the automatic generation of software test cases using a branch coverage adequacy criterion. The first test case generator, called TCSS, uses a diversity property to extend the search of test cases to all branches of the program under test in order to generate test cases that cover these. The second, called TCSS-LS, is an extension of the previous test case generator which combines the diversity property with a local search method that allows the intensification of the search for test cases that cover the difficult branches. We present the results obtained by our generators and carry out a detailed comparison with many other generators, showing a good performance of our approac

Assessment and implementation of evolutionary algorithms for optimal management rules design in water resources systems

Tesis por compendioWater is an essential resource from an environmental, biological, economic or social point of view. In basin management, the irregular distribution in time and in space of this resource is well known. This issue is worsened by extreme climate conditions, generating drought periods or flood events. For both situations, optimal management is necessary. In one case, different water uses should be supplied efficiently using the available surface and groundwater resources. In another case, the most important goal is to avoid damages in flood areas, including the loss of human lives, but also to optimize the revenue of energy production in hydropower plants, or in other uses. The approach presented in this thesis proposes to obtain optimal management rules in water resource systems. With this aim, evolutionary algorithms were combined with simulation models. The first ones, as optimization tools, are responsible for guiding the process iterations. In each iteration, a new management rule is defined in the simulation model, which is computed to comprehend the situation of the system after applying this new management. For testing the proposed methodology, four evolutionary algorithms were assessed combining them with two simulation models. The methodology was implemented in four real case studies. This thesis is presented as a compendium of five manuscripts: three scientific papers published in journals (which are indexed in the Journal Citation Report), another under review, and the last manuscript from Conference Proceedings. In the first manuscript, the Pikaia optimization algorithm was combined with the network flow SIMGES simulation model for obtaining four different types of optimal management rules in the Júcar River Basin. In addition, the parameters of the Pikaia algorithm were also analyzed to identify the best combination of them to use in the optimization process. In the second scientific paper, the multi-objective NSGA-II algorithm was assessed to obtain a parametric management rule in the Mijares River basin. In this case, the same simulation model was linked with the evolutionary algorithm. In the Conference manuscript, an in-depth analysis of the Tirso-Flumendosa-Campidano (TFM) system using different scenarios and comparing three water simulation models for water resources management was developed. The third published manuscript presented the assessment and comparison of two evolutionary algorithms for obtaining optimal rules in the TFM system using SIMGES model. The algorithms assessed were the SCE-UA and the Scatter Search. In this research paper, the parameters of both algorithms were also analyzed as it was done with the Pikaia algorithm. The management rules in the three first manuscripts were focused to avoid or minimize deficits in urban and agrarian demands and, in some case studies, also to minimize the water pumped. Finally, in the last document, two of the algorithms used in previous manuscripts were assessed, the mono-objective SCE-UA and the multi-objective NSGA-II. For this research, the algorithms were combined with RS MINERVE software to manage flood events in Visp River basin minimizing damages in risk areas and losses in hydropower plants. Results reached in the five manuscripts demonstrate the validity of the approach. In all the case studies and with the different evolutionary algorithms assessed, the obtained management rules achieved a better system management than the base scenario of each case. These results usually mean a decrease of the economic costs in the management of water resources. However, comparing the four algorithms assessed, SCE-UA algorithm proved to be the most efficient due to the different stop/convergence criteria and its formulation. Nevertheless, NSGA-II is the most recommended due to its multi-objective search focus on the enhancement of different objectives with the same importance where the decision makers can make the best decision for the management of the system.El agua es un recurso esencial desde el punto de vista ambiental, biológico, económico o social. En la gestión de cuencas, es bien conocido que la distribución del recurso en el tiempo y el espacio es irregular. Este problema se agrava debido a condiciones climáticas extremas, generando períodos de sequía o inundaciones. Para ambas situaciones, una gestión óptima es necesaria. En un caso, el suministro de agua a los diferentes usos del sistema debe realizarte eficientemente empleando los recursos disponibles, tanto superficiales como subterráneos. En el otro caso, el objetivo más importante es evitar daños en las zonas de inundación, incluyendo la pérdida de vidas humanas, pero al mismo tiempo, optimizar los beneficios de centrales hidroeléctricas, o de otros usos. El enfoque presentado en esta tesis propone la obtención de reglas de gestión óptimas en sistemas reales de recursos hídricos. Con este objetivo, se combinaron algoritmos evolutivos con modelos de simulación. Los primeros, como herramientas de optimización, encargados de guiar las iteraciones del proceso. En cada iteración se define una nueva regla de gestión en el modelo de simulación, que se evalúa para conocer la situación del sistema después de aplicar esta nueva gestión. Para probar la metodología propuesta, se evaluaron cuatro algoritmos evolutivos combinándolos con dos modelos de simulación. La metodología se implementó en cuatro casos de estudio reales. Esta tesis se presenta como un compendio de cinco publicaciones: tres de ellas en revistas indexadas en el Journal Citation Report, otra en revisión y la última como publicación de un congreso. En el primer manuscrito, el algoritmo de optimización Pikaia se combinó con el modelo de simulación SIMGES para obtener reglas de gestión óptimas en la cuenca del río Júcar. Además, se analizaron los parámetros del algoritmo para identificar la mejor combinación de los mismos en el proceso de optimización. El segundo artículo evaluó el algoritmo multi-objetivo NSGA-II para obtener una regla de gestión paramétrica en la cuenca del río Mijares. En el trabajo presentado en el congreso se desarrolló un análisis en profundidad del sistema Tirso-Flumendosa-Campidano utilizando diferentes escenarios y comparando tres modelos de simulación para la gestión de los recursos hídricos. En el tercer manuscrito publicado se evaluó y comparó dos algoritmos evolutivos (SCE-UA y Scatter Search) para obtener reglas de gestión óptimas en el sistema Tirso-Flumendosa-Campidano. En dicha investigación también se analizaron los parámetros de ambos algoritmos. Las reglas de gestión de estas cuatro publicaciones se enfocaron en evitar o minimizar los déficits de las demandas urbanas y agrarias y, en ciertos casos, también en minimizar el caudal bombeado, utilizando para ello el modelo de simulación SIMGES. Finalmente, en la última publicación se evaluó el algoritmo mono-objetivo SCE-UA y el multi-objetivo NSGA-II. Para esta investigación, los algoritmos se combinaron con el software RS MINERVE para gestionar los eventos de inundación en la cuenca del río Visp minimizando los daños en las zonas de riesgo y las pérdidas en las centrales hidroeléctricas. Los resultados obtenidos en las cinco publicaciones demuestran la validez del enfoque. En todos los casos de estudio y, con los diferentes algoritmos evolutivos evaluados, las reglas de gestión obtenidas lograron una mejor gestión del sistema que el escenario base de cada caso. Estos resultados suelen representar una disminución de los costes económicos en la gestión de los recursos hídricos. Comparando los cuatro algoritmos, el SCE-UA demostró ser el más eficiente debido a los diferentes criterios de convergencia. No obstante, el NSGA-II es el más recomendado debido a su búsqueda multi-objetivo enfocada en la mejora, con la misma importancia, de diferentes objetivos, donde los tomadores de decisiones pueden selL'aigua és un recurs essencial des del punt de vista ambiental, biològic, econòmic o social. En la gestió de conques, és ben conegut que la distribució del recurs en el temps i l'espai és irregular. Este problema s'agreuja a causa de condicions climàtiques extremes, generant períodes de sequera o inundacions. Per a ambdúes situacions, una gestió òptima és necessària. En un cas, el subministrament d'aigua als diferents usos del sistema ha de realitzar-se eficientment utilitzant els recursos disponibles, tant superficials com subterranis. En l'altre cas, l'objectiu més important és evitar danys en les zones d'inundació, incloent la pèrdua de vides humanes, però al mateix temps, optimitzar els beneficis de centrals hidroelèctriques, o d'altres usos. La proposta d'esta tesi és l'obtenció de regles de gestió òptimes en sistemes reals de recursos hídrics. Amb este objectiu, es van combinar algoritmes evolutius amb models de simulació. Els primers, com a ferramentes d'optimització, encarregats de guiar les iteracions del procés. En cada iteració es definix una nova regla de gestió en el model de simulació, que s'avalua per a conéixer la situació del sistema després d'aplicar esta nova gestió. Per a provar la metodologia proposada, es van avaluar quatre algoritmes evolutius combinant-los amb dos models de simulació. La metodologia es va implementar en quatre casos d'estudi reals. Esta tesi es presenta com un compendi de cinc publicacions: tres d'elles en revistes indexades en el Journal Citation Report, una altra en revisió i l'última com a publicació d'un congrés. En el primer manuscrit, l'algoritme d'optimització Pikaia es va combinar amb el model de simulació SIMGES per a obtindre regles de gestió òptimes en la conca del riu Xúquer. A més, es van analitzar els paràmetres de l'algoritme per a identificar la millor combinació dels mateixos en el procés d'optimització. El segon article va avaluar l'algoritme multi-objectiu NSGA-II per a obtindre una regla de gestió paramètrica en la conca del riu Millars. En el treball presentat en el congrés es va desenvolupar una anàlisi en profunditat del sistema Tirso-Flumendosa-Campidano utilitzant diferents escenaris i comparant tres models de simulació per a la gestió dels recursos hídrics. En el tercer manuscrit publicat es va avaluar i va comparar dos algoritmes evolutius (SCE-UA i Scatter Search) per a obtindre regles de gestió òptimes en el sistema Tirso-Flumendosa-Campidano. En dita investigació també es van analitzar els paràmetres d'ambdós algoritmes. Les regles de gestió d'estes quatre publicacions es van enfocar a evitar o minimitzar els dèficits de les demandes urbanes i agràries i, en certs casos, també a minimitzar el cabal bombejat, utilitzant per a això el model de simulació SIMGES. Finalment, en l'última publicació es va avaluar l'algoritme mono-objectiu SCE-UA i el multi-objetiu NSGA-II. Per a esta investigació, els algoritmes es van combinar amb el programa RS MINERVE per a gestionar els esdeveniments d'inundació en la conca del riu Visp minimitzant els danys en les zones de risc i les pèrdues en les centrals hidroelèctriques. Els resultats obtinguts en les cinc publicacions demostren la validesa de la metodología. En tots els casos d'estudi i, amb els diferents algoritmes evolutius avaluats, les regles de gestió obtingudes van aconseguir una millor gestió del sistema que l'escenari base de cada cas. Estos resultats solen representar una disminució dels costos econòmics en la gestió dels recursos hídrics. Comparant els quatre algoritmes, el SCE-UA va demostrar ser el més eficient a causa dels diferents criteris de convergència. No obstant això, el NSGA-II és el més recomanat a causa de la seua cerca multi-objectiu enfocada en la millora, amb la mateixa importància, de diferents objectius, on els decisors poden seleccionar la millor opció per a la gestió del sistema.Lerma Elvira, N. (2017). Assessment and implementation of evolutionary algorithms for optimal management rules design in water resources systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90547TESISCompendi

Pattern Recognition

A wealth of advanced pattern recognition algorithms are emerging from the interdiscipline between technologies of effective visual features and the human-brain cognition process. Effective visual features are made possible through the rapid developments in appropriate sensor equipments, novel filter designs, and viable information processing architectures. While the understanding of human-brain cognition process broadens the way in which the computer can perform pattern recognition tasks. The present book is intended to collect representative researches around the globe focusing on low-level vision, filter design, features and image descriptors, data mining and analysis, and biologically inspired algorithms. The 27 chapters coved in this book disclose recent advances and new ideas in promoting the techniques, technology and applications of pattern recognition

Precontrol óptimo. Caracterización, análisis y técnicas de resolución

El precontrol es una herramienta para el control de la calidad que tiene como objeto evaluar la aptitud de un proceso para producir piezas dentro de unas especificaciones dadas. Es usada, entre otros contextos, en la validación de la puesta a punto de procesos con ciclos de ejecución cortos. Basa su funcionamiento en la comparación de las sucesivas observaciones individuales muestreadas frente a los límites de tolerancia y los llamados límites de precontrol, y utiliza conteos acumulados para emitir un juicio sobre la validez del proceso. Es una técnica sencilla, rápida y fácil de aplicar. El hecho de que, en su versión original, la técnica del precontrol no tenga en cuenta la variabilidad natural del proceso objeto de monitorización, unido a la sencillez de su diseño, provocan que, bajo ciertas circunstancias, su comportamiento no sea tan eficaz como sería deseable, en términos de la tasa de falsa alarma y de la potencia para detectar desviaciones inaceptables, hasta el punto de que algunos autores rechazan su uso. En este sentido, existen en la literatura diversas propuestas encaminadas a mejorar el comportamiento de la técnica original mediante la modificación, en mayor o menor medida, de sus reglas de funcionamiento. En esta tesis doctoral se aborda la mejora del precontrol como herramienta para la cualificación de procesos, a través de la determinación óptima de los parámetros que rigen su comportamiento, utilizando técnicas de programación no lineal entera mixta. El objetivo es desarrollar una metodología para automatizar el proceso de elección del valor de los parámetros del precontrol, de manera que éste se ajuste lo mejor posible a los requerimientos del usuario. Este enfoque de Optimización, inédito en el precontrol, ha sido aplicado con éxito a otras técnicas de control de la calidad en las últimas décadas, permitiendo obtener mejores herramientas para la toma de decisiones. Para ello, en primer lugar se realiza una revisión exhaustiva de las diferentes propuestas existentes en la literatura en torno al precontrol. Posteriormente, se define el problema a resolver y se desarrolla un modelo de programación matemática específico para la obtención de los denominados planes de precontrol óptimos. Se realiza una completa experiencia numérica con software de optimización de propósito general, mediante la que se evidencia la eficacia del modelo propuesto y, al mismo tiempo, se pone de manifiesto la existencia de diferencias significativas entre los resultados proporcionados por los diferentes algoritmos tomados en consideración, debidas en parte a la doble naturaleza no lineal y entera del problema, así como la incapacidad de dichos algoritmos para garantizar la convergencia a un óptimo global, a causa de la existencia de no convexidades. Todo ello justifica el diseño de algoritmos específicos para la obtención de planes de precontrol óptimos, tarea que también se aborda en la presente tesis doctoral. Previamente, se realiza un estudio de las propiedades matemáticas del modelo de optimización construido, que permite ampliar el conocimiento sobre el problema del precontrol óptimo. Este conocimiento es empleado en la elaboración de un algoritmo exacto para la resolución de dicho problema, denominado OPCenum, el cual combina una estrategia enumerativa implícita con una búsqueda local basada en métodos de búsqueda de raíces sin uso de derivadas. El algoritmo es implementado y probado sobre la misma batería de ejemplos que conformaban la experiencia numérica anterior. Las pruebas revelan la eficacia y eficiencia del algoritmo OPCenum como método para la obtención de planes de precontrol óptimos a partir de unos requerimientos dados. La elaboración de una interfaz gráfica para hacer más accesible el algoritmo al usuario final, la adaptación del problema a funciones de distribución asimétricas y a ámbitos como el de la fiabilidad, así como el desarrollo de un enfoque paralelo al acometido aquí en el que se considere el precontrol como herramienta para validar la capacidad del proceso destacan como líneas futuras de investigación que surgen a partir de los resultados obtenidos en la presente tesis doctoral.Giner Bosch, V. (2014). Precontrol óptimo. Caracterización, análisis y técnicas de resolución [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/46373TESI