Building Reliable Budget-Based Binary-State Networks

Everyday life is driven by various network, such as supply chains for distributing raw materials, semi-finished product goods, and final products; Internet of Things (IoT) for connecting and exchanging data; utility networks for transmitting fuel, power, water, electricity, and 4G/5G; and social networks for sharing information and connections. The binary-state network is a basic network, where the state of each component is either success or failure, i.e., the binary-state. Network reliability plays an important role in evaluating the performance of network planning, design, and management. Because more networks are being set up in the real world currently, there is a need for their reliability. It is necessary to build a reliable network within a limited budget. However, existing studies are focused on the budget limit for each minimal path (MP) in networks without considering the total budget of the entire network. We propose a novel concept to consider how to build a more reliable binary-state network under the budget limit. In addition, we propose an algorithm based on the binary-addition-tree algorithm (BAT) and stepwise vectors to solve the problem efficiently

The risk of re-intervention after endovascular aortic aneurysm repair

This thesis studies survival analysis techniques dealing with censoring to produce predictive tools that predict the risk of endovascular aortic aneurysm repair (EVAR) re-intervention. Censoring indicates that some patients do not continue follow up, so their outcome class is unknown. Methods dealing with censoring have drawbacks and cannot handle the high censoring of the two EVAR datasets collected. Therefore, this thesis presents a new solution to high censoring by modifying an approach that was incapable of differentiating between risks groups of aortic complications. Feature selection (FS) becomes complicated with censoring. Most survival FS methods depends on Cox's model, however machine learning classifiers (MLC) are preferred. Few methods adopted MLC to perform survival FS, but they cannot be used with high censoring. This thesis proposes two FS methods which use MLC to evaluate features. The two FS methods use the new solution to deal with censoring. They combine factor analysis with greedy stepwise FS search which allows eliminated features to enter the FS process. The first FS method searches for the best neural networks' configuration and subset of features. The second approach combines support vector machines, neural networks, and K nearest neighbor classifiers using simple and weighted majority voting to construct a multiple classifier system (MCS) for improving the performance of individual classifiers. It presents a new hybrid FS process by using MCS as a wrapper method and merging it with the iterated feature ranking filter method to further reduce the features. The proposed techniques outperformed FS methods based on Cox's model such as; Akaike and Bayesian information criteria, and least absolute shrinkage and selector operator in the log-rank test's p-values, sensitivity, and concordance. This proves that the proposed techniques are more powerful in correctly predicting the risk of re-intervention. Consequently, they enable doctors to set patients’ appropriate future observation plan

Reliability assessment of manufacturing systems: A comprehensive overview, challenges and opportunities

Reliability assessment refers to the process of evaluating reliability of components or systems during their lifespan or prior to their implementation. In the manufacturing industry, the reliability of systems is directly linked to production efficiency, product quality, energy consumption, and other crucial performance indicators. Therefore, reliability plays a critical role in every aspect of manufacturing. In this review, we provide a comprehensive overview of the most significant advancements and trends in the assessment of manufacturing system reliability. For this, we also consider the three main facets of reliability analysis of cyber–physical systems, i.e., hardware, software, and human-related reliability. Beyond the overview of literature, we derive challenges and opportunities for reliability assessment of manufacturing systems based on the reviewed literature. Identified challenges encompass aspects like failure data availability and quality, fast-paced technological advancements, and the increasing complexity of manufacturing systems. In turn, the opportunities include the potential for integrating various assessment methods, and leveraging data to automate the assessment process and to increase accuracy of derived reliability models

Virtual patient-specific treatment verification using machine learning methods to assist the dose deliverability evaluation of radiotherapy prostate plans

Machine Learning (ML) methods represent a potential tool to support and optimize virtual patient-specific plan verifications within radiotherapy workflows. However, previously reported applications did not consider the actual physical implications in the predictor’s quality and modelperformance and did not report the implementation pertinence nor their limitations. Therefore, the main goal of this thesis was to predict dose deliverability using different ML models and input predictor features, analysing the physical aspects involved in the predictions to propose areliable decision-support tool for virtual patient-specific plan verification protocols. Among the principal predictors explored in this thesis, numerical and high-dimensional features based on modulation complexity, treatment-unit parameters, and dosimetric plan parameters were all implemented by designing random forest (RF), extreme gradient boosting (XG-Boost), neural networks (NN), and convolutional neural networks (CNN) models to predict gamma passing rates (GPR) for prostate treatments. Accordingly, this research highlights three principal findings. (1) The dataset composition's heterogeneity directly impacts the quality of the predictor features and, subsequently, the model performance. (2) The models based on automatic extracted features methods (CNN models) of multi-leaf-collimator modulation maps (MM) presented a more independent and transferable prediction performance. Furthermore, (3) ML algorithms incorporated in radiotherapy workflows for virtual plan verification are required to retrieve treatment plan parameters associated with the prediction to support themodel's reliability and stability. Finally, this thesis presents how the most relevant automatically extracted features from the activation maps were considered to suggest an alternative decision support tool to comprehensively evaluate the causes of the predicted dose deliverability

Optimizing transportation systems and logistics network configurations : From biased-randomized algorithms to fuzzy simheuristics

242 páginasTransportation and logistics (T&L) are currently highly relevant functions in any competitive industry. Locating facilities or distributing goods to hundreds or thousands of customers are activities with a high degree of complexity, regardless of whether facilities and customers are placed all over the globe or in the same city. A countless number of alternative strategic, tactical, and operational decisions can be made in T&L systems; hence, reaching an optimal solution –e.g., a solution with the minimum cost or the maximum profit– is a really difficult challenge, even by the most powerful existing computers. Approximate methods, such as heuristics, metaheuristics, and simheuristics, are then proposed to solve T&L problems. They do not guarantee optimal results, but they yield good solutions in short computational times. These characteristics become even more important when considering uncertainty conditions, since they increase T&L problems’ complexity. Modeling uncertainty implies to introduce complex mathematical formulas and procedures, however, the model realism increases and, therefore, also its reliability to represent real world situations. Stochastic approaches, which require the use of probability distributions, are one of the most employed approaches to model uncertain parameters. Alternatively, if the real world does not provide enough information to reliably estimate a probability distribution, then fuzzy logic approaches become an alternative to model uncertainty. Hence, the main objective of this thesis is to design hybrid algorithms that combine fuzzy and stochastic simulation with approximate and exact methods to solve T&L problems considering operational, tactical, and strategic decision levels. This thesis is organized following a layered structure, in which each introduced layer enriches the previous one.El transporte y la logística (T&L) son actualmente funciones de gran relevancia en cual quier industria competitiva. La localización de instalaciones o la distribución de mercancías a cientos o miles de clientes son actividades con un alto grado de complejidad, indepen dientemente de si las instalaciones y los clientes se encuentran en todo el mundo o en la misma ciudad. En los sistemas de T&L se pueden tomar un sinnúmero de decisiones al ternativas estratégicas, tácticas y operativas; por lo tanto, llegar a una solución óptima –por ejemplo, una solución con el mínimo costo o la máxima utilidad– es un desafío realmente di fícil, incluso para las computadoras más potentes que existen hoy en día. Así pues, métodos aproximados, tales como heurísticas, metaheurísticas y simheurísticas, son propuestos para resolver problemas de T&L. Estos métodos no garantizan resultados óptimos, pero ofrecen buenas soluciones en tiempos computacionales cortos. Estas características se vuelven aún más importantes cuando se consideran condiciones de incertidumbre, ya que estas aumen tan la complejidad de los problemas de T&L. Modelar la incertidumbre implica introducir fórmulas y procedimientos matemáticos complejos, sin embargo, el realismo del modelo aumenta y, por lo tanto, también su confiabilidad para representar situaciones del mundo real. Los enfoques estocásticos, que requieren el uso de distribuciones de probabilidad, son uno de los enfoques más empleados para modelar parámetros inciertos. Alternativamente, si el mundo real no proporciona suficiente información para estimar de manera confiable una distribución de probabilidad, los enfoques que hacen uso de lógica difusa se convier ten en una alternativa para modelar la incertidumbre. Así pues, el objetivo principal de esta tesis es diseñar algoritmos híbridos que combinen simulación difusa y estocástica con métodos aproximados y exactos para resolver problemas de T&L considerando niveles de decisión operativos, tácticos y estratégicos. Esta tesis se organiza siguiendo una estructura por capas, en la que cada capa introducida enriquece a la anterior. Por lo tanto, en primer lugar se exponen heurísticas y metaheurísticas sesgadas-aleatorizadas para resolver proble mas de T&L que solo incluyen parámetros determinísticos. Posteriormente, la simulación Monte Carlo se agrega a estos enfoques para modelar parámetros estocásticos. Por último, se emplean simheurísticas difusas para abordar simultáneamente la incertidumbre difusa y estocástica. Una serie de experimentos numéricos es diseñada para probar los algoritmos propuestos, utilizando instancias de referencia, instancias nuevas e instancias del mundo real. Los resultados obtenidos demuestran la eficiencia de los algoritmos diseñados, tanto en costo como en tiempo, así como su confiabilidad para resolver problemas realistas que incluyen incertidumbre y múltiples restricciones y condiciones que enriquecen todos los problemas abordados.Doctorado en Logística y Gestión de Cadenas de SuministrosDoctor en Logística y Gestión de Cadenas de Suministro

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