Methods of Technical Prognostics Applicable to Embedded Systems

Hlavní cílem dizertace je poskytnutí uceleného pohledu na problematiku technické prognostiky, která nachází uplatnění v tzv. prediktivní údržbě založené na trvalém monitorování zařízení a odhadu úrovně degradace systému či jeho zbývající životnosti a to zejména v oblasti komplexních zařízení a strojů. V současnosti je technická diagnostika poměrně dobře zmapovaná a reálně nasazená na rozdíl od technické prognostiky, která je stále rozvíjejícím se oborem, který ovšem postrádá větší množství reálných aplikaci a navíc ne všechny metody jsou dostatečně přesné a aplikovatelné pro embedded systémy. Dizertační práce přináší přehled základních metod použitelných pro účely predikce zbývající užitné životnosti, jsou zde popsány metriky pomocí, kterých je možné jednotlivé přístupy porovnávat ať už z pohledu přesnosti, ale také i z pohledu výpočetní náročnosti. Jedno z dizertačních jader tvoří doporučení a postup pro výběr vhodné prognostické metody s ohledem na prognostická kritéria. Dalším dizertačním jádrem je představení tzv. částicového filtrovaní (particle filtering) vhodné pro model-based prognostiku s ověřením jejich implementace a porovnáním. Hlavní dizertační jádro reprezentuje případovou studii pro velmi aktuální téma prognostiky Li-Ion baterii s ohledem na trvalé monitorování. Případová studie demonstruje proces prognostiky založené na modelu a srovnává možné přístupy jednak pro odhad doby před vybitím baterie, ale také sleduje možné vlivy na degradaci baterie. Součástí práce je základní ověření modelu Li-Ion baterie a návrh prognostického procesu.The main aim of the thesis is to provide a comprehensive overview of technical prognosis, which is applied in the condition based maintenance, based on continuous device monitoring and remaining useful life estimation, especially in the field of complex equipment and machinery. Nowadays technical prognosis is still evolving discipline with limited number of real applications and is not so well developed as technical diagnostics, which is fairly well mapped and deployed in real systems. Thesis provides an overview of basic methods applicable for prediction of remaining useful life, metrics, which can help to compare the different approaches both in terms of accuracy and in terms of computational/deployment cost. One of the research cores consists of recommendations and guide for selecting the appropriate forecasting method with regard to the prognostic criteria. Second thesis research core provides description and applicability of particle filtering framework suitable for model-based forecasting. Verification of their implementation and comparison is provided. The main research topic of the thesis provides a case study for a very actual Li-Ion battery health monitoring and prognostics with respect to continuous monitoring. The case study demonstrates the prognostic process based on the model and compares the possible approaches for estimating both the runtime and capacity fade. Proposed methodology is verified on real measured data.

Improved Runtime Bounds for the Univariate Marginal Distribution Algorithm via Anti-Concentration

Unlike traditional evolutionary algorithms which produce offspring via genetic operators, Estimation of Distribution Algorithms (EDAs) sample solutions from probabilistic models which are learned from selected individuals. It is hoped that EDAs may improve optimisation performance on epistatic fitness landscapes by learning variable interactions. However, hardly any rigorous results are available to support claims about the performance of EDAs, even for fitness functions without epistasis. The expected runtime of the Univariate Marginal Distribution Algorithm (UMDA) on OneMax was recently shown to be in $\mathcal{O}\left(n\lambda\log \lambda\right)$ by Dang and Lehre (GECCO 2015). Later, Krejca and Witt (FOGA 2017) proved the lower bound $\Omega\left(\lambda\sqrt{n}+n\log n\right)$ via an involved drift analysis. We prove a $\mathcal{O}\left(n\lambda\right)$ bound, given some restrictions on the population size. This implies the tight bound $\Theta\left(n\log n\right)$ when $\lambda=\mathcal{O}\left(\log n\right)$, matching the runtime of classical EAs. Our analysis uses the level-based theorem and anti-concentration properties of the Poisson-Binomial distribution. We expect that these generic methods will facilitate further analysis of EDAs.Comment: 19 pages, 1 figur

An Exponential Lower Bound for the Runtime of the cGA on Jump Functions

In the first runtime analysis of an estimation-of-distribution algorithm (EDA) on the multi-modal jump function class, Hasen\"ohrl and Sutton (GECCO 2018) proved that the runtime of the compact genetic algorithm with suitable parameter choice on jump functions with high probability is at most polynomial (in the dimension) if the jump size is at most logarithmic (in the dimension), and is at most exponential in the jump size if the jump size is super-logarithmic. The exponential runtime guarantee was achieved with a hypothetical population size that is also exponential in the jump size. Consequently, this setting cannot lead to a better runtime. In this work, we show that any choice of the hypothetical population size leads to a runtime that, with high probability, is at least exponential in the jump size. This result might be the first non-trivial exponential lower bound for EDAs that holds for arbitrary parameter settings.Comment: To appear in the Proceedings of FOGA 2019. arXiv admin note: text overlap with arXiv:1903.1098