Környezeti folyamatok modellezése "Soft Computing" módszerekkel = Modeling of environmental processes by soft computing methods

A környezeti folyamatok összetettsége, és nemlineáris volta miatt tanulmányozásukhoz adekvát modellek szükségesek. Az ún. soft computing módszerek (rács alapú celluláris neurális hálózatok, sejtautomaták és fuzzy szabályok) a környezeti folyamatok modellezésének ígéretes eszközei [8, 19]. Létrehoztunk egy általános celluláris neuronhálózat (CNN) modellt szennyeződések terjedésének vizsgálatára [1, 5, 10, 20], amely alapját képezheti egy hatékony döntéstámogató rendszer létrehozásának. A rendszer finomítása érdekében a környezeti rendszer egyes komponenseiben zajló folyamatokat is megvizsgáltuk, hangsúlyt fektetve a folyadék és gázáramlás áramlás modelljeire [6, 7, 23]. Vizsgálatukhoz közelítő numerikus módszereket fejlesztetünk [5, 16, 17, 25] Megvizsgáltuk a zavarás (élőhely vesztés és invázív fajok) hatását a populáció szintű folyamatokra sejtautomata modellek és szimulációk segítségével. Kimutattuk, hogy az élőhelyek számának csökkenésével az invázív (gyom jellegű) fajok előnyösebb helyzetbe kerülnek [4]. Kiderült, hogy az invázív fajok visszaszorításának sikeressége a kolonizációs képességük visszaszorításán múlik és függ a térbeli aggregációtól [2, 3, 14, 18, 21, 24]. Alkalmazásként sor került egy fejlett numerikus szimulációs technológiákra épülő informatikai rendszer prototípusának megalkotására, amely tetszőleges úthálózatok gépjárműforgalmának, és a társult környezeti terhelés eloszlásának számítógépes modellezésére használható. | Studying environmental processes requires adequate models, because of their high level of complexity and nonlinearity. Soft computing methods (such as cellular neural networks, cellular automata and fuzzy rules) provide reliable tools of modeling environmental systems [8, 19]. We have created a general model of cellular neural network (CNN) in order to investigate the propagation of pollutions [1, 5, 10, 20]. Effective decision support systems can be constructed on the base of this model. Processes in the particular components of the environmental system were also studied, in particular models of liquid and gas flow [6, 7, 23]. New numerical methods have been developed for their investigation [5, 16, 17, 25]. The effect of disturbance (such as habitat destruction and invasive species) on population level processes has been investigated with the help of cellular automaton models and simulations. We have demonstrated that decreasing number of habitats promotes invasive (weed) species [4]. As it turned out, the success of eradication of invasive species depends mainly on depression of colonization ability and also depends on spatial aggregation of species [2, 3, 14, 18, 21, 24]. As a particular application, a prototype of an advanced simulation technology-based IT system has been created. It is reliable to model the distribution of environmental pollution over an arbitrary road-system with traffic

The application of ANFIS prediction models for thermal error compensation on CNC machine tools

Thermal errors can have significant effects on CNC machine tool accuracy. The errors come from thermal deformations of the machine elements caused by heat sources within the machine structure or from ambient temperature change. The effect of temperature can be reduced by error avoidance or numerical compensation. The performance of a thermal error compensation system essentially depends upon the accuracy and robustness of the thermal error model and its input measurements. This paper first reviews different methods of designing thermal error models, before concentrating on employing an adaptive neuro fuzzy inference system (ANFIS) to design two thermal prediction models: ANFIS by dividing the data space into rectangular sub-spaces (ANFIS-Grid model) and ANFIS by using the fuzzy c-means clustering method (ANFIS-FCM model). Grey system theory is used to obtain the influence ranking of all possible temperature sensors on the thermal response of the machine structure. All the influence weightings of the thermal sensors are clustered into groups using the fuzzy c-means (FCM) clustering method, the groups then being further reduced by correlation analysis. A study of a small CNC milling machine is used to provide training data for the proposed models and then to provide independent testing data sets. The results of the study show that the ANFIS-FCM model is superior in terms of the accuracy of its predictive ability with the benefit of fewer rules. The residual value of the proposed model is smaller than ±4 μm. This combined methodology can provide improved accuracy and robustness of a thermal error compensation system

A decision support system for logistics operations

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-13161-5_14Proceedings of 5th International Workshop Soft Computing Models in Industrial and Environmental ApplicationsThis paper describes an Artificial Intelligence based application for a logistic company that solves the problem of grouping by zones the packages that have to be delivered and propose the routes that the drivers should follow. The tool combines from the one hand, Case-Based Reasoning techniques to separate and learn the most frequent areas or zones that the experienced logistic operators do. These techniques allow the company to separate the daily incidents that generate noise in the routes, from the decision made based on the knowledge of the route. From the other hand, we have used Evolutionary Computation to plan optimal routes from the learning areas and evaluate those routes. The application allows the users to decide under what parameters (i.e. distance, time, etc) the route should be optimized.We want to thank Antonio Montoya for his contribution in the tool developed. This work has been supported by the Espi & Le Barbier company and the public projects funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation under the projects COMPUBIODIVE (TIN2007-65989), V-LeaF (TIN2008-02729-E/TIN) and by Castilla-La Mancha project PEII09- 0266-6640

Models in the Cloud: Exploring Next Generation Environmental Software Systems

There is growing interest in the application of the latest trends in computing and data science methods to improve environmental science. However we found the penetration of best practice from computing domains such as software engineering and cloud computing into supporting every day environmental science to be poor. We take from this work a real need to re-evaluate the complexity of software tools and bring these to the right level of abstraction for environmental scientists to be able to leverage the latest developments in computing. In the Models in the Cloud project, we look at the role of model driven engineering, software frameworks and cloud computing in achieving this abstraction. As a case study we deployed a complex weather model to the cloud and developed a collaborative notebook interface for orchestrating the deployment and analysis of results. We navigate relatively poor support for complex high performance computing in the cloud to develop abstractions from complexity in cloud deployment and model configuration. We found great potential in cloud computing to transform science by enabling models to leverage elastic, flexible computing infrastructure and support new ways to deliver collaborative and open science

An adaptive neuro fuzzy inference system to model the uniaxial compressive strength of cemented hydraulic backfill

Purpose. The purpose of this paper is to develop the models for predicting the uniaxial compressive strength (UCS) of cemented hydraulic backfill (CHB), a widely used technique for filling underground voids created by mining operations as it provides the high strength required for safe and economical working environment and allows the use of waste rock from mining operations as well as tailings from mineral processing plants as ingredients. Methods. In this study, different modelling techniques such as conventional linear, nonlinear multiple regression and one of the evolving soft computing methods, adaptive neuro fuzzy inference system (ANFIS), were used for the prediction of UCS, the main criterion used to design backfill recipe. Findings. Statistical performance indices used to evaluate the efficiency of the developed models indicated that the ANFIS model can effectively be implemented for designing CHB with desired UCS. As proved by the performance indicators ANFIS model gives more compatible results with the expert opinion and current literature than conventional modelling techniques. Originality. In order to construct the models a very large database, containing more than 1600 UCS test results, was used. In addition to widely used conventional regression based modelling techniques, one of the evolving soft computing methods, ANFIS was employed. Numerical examples showing the implementation of constructed models were provided. Practical implementation. As proved by the statistical performance indicators, the developed models can be used for a reliable prediction of the UCS of CHB. However, more accurate results can be achieved by expanding the database and by constructing improved models using the algorithm presented in this paper.Мета. Побудова моделей для прогнозування межі міцності при одноосьовому стисканні цементної гідравлічної закладки для заповнення вироблених просторів шахт. Методика. Для досягнення поставленої мети були використані різні методи моделювання: лінійна та нелінійна множинна регресія, а також порівняно недавно став популярним метод програмування – адаптивне нейронечітке логічне виведення (ANFIS). За їх допомогою було спрогнозовано зміну міцності на одноосьове стискання, що є ключовим показником для визначення складу закладної суміші. Для побудови моделей використана значна база даних, яка включає результати більш ніж 1600 випробувань на одноосьове стискання. Лабораторними дослідженнями також визначалися властивості закладних матеріалів і суміші. Результати. Модель ANFIS дала найкращу продуктивність з урахуванням статистичних показників ефективності, таких як середня абсолютна процентна похибка і змінний обліковий запис. Статистичні показники продуктивності, які використовуються для оцінки ефективності розроблених моделей, свідчать, що моделювання за допомогою ANFIS дозволяє отримати результати, які більше відповідають експертній оцінці та даним з сучасної літератури, ніж інформація, отримана за допомогою традиційного моделювання. Встановлено, що на відміну від регресивного моделювання, ANFIS не вимагає заздалегідь визначених математичних рівнянь для взаємозв’язку між вхідними та вихідними змінними і використовує наданий набір даних для ефективного визначення структури моделі. Наукова новизна. Вперше для прогнозування міцності при одноосьовому стисканні були використані не лише традиційні способи моделювання, засновані на регресії, а й інноваційний метод програмування – адаптивне нейронечітке логічне виведення ANFIS. У статті наведені чисельні приклади впровадження нових побудованих моделей. Практична значимість. Статистичні індикатори продуктивності показали, що розроблені моделі можуть бути використані для надійного прогнозування міцності при одноосьовому стисканні й оптимальної рецептури закладної суміші. Однак, щоб отримати більш точні результати, необхідно мати більш широку базу даних і створити більш досконалі моделі на основі алгоритму, запропонованому в даній статті.Цель. Построение моделей для прогнозирования предела прочности при одноосном сжатии цементной гидравлической закладки для заполнения выработанных пространств шахт. Методика. Для достижения поставленной цели были использованы различные методы моделирования: линейная и нелинейная множественная регрессия, а также сравнительно недавно ставший популярным метод программирования – адаптивный нейронечеткий логический вывод (ANFIS). С их помощью было спрогнозировано изменение прочности на одноосное сжатие, что является ключевым показателем для определения состава закладочной смеси. Для построения моделей использована обширная база данных, которая включает результаты более чем 1600 испытаний на одноосное сжатие. Лабораторными исследованиями также определялись свойства закладочных материалов и смеси. Результаты. Модель ANFIS дала наилучшую производительность с учетом статистических показателей эффективности, таких как средняя абсолютная процентная погрешность и переменная учетная запись. Статистические показатели производительности, используемые для оценки эффективности разработанных моделей, свидетельствуют, что моделирование с помощью ANFIS позволяет получить результаты, которые более соответствуют экспертной оценке и данным из современной литературы, чем информация, полученная при помощи традиционного моделирования. Установлено, что в отличие от регрессионного моделирования, ANFIS не требует заранее определенных математических уравнений для взаимосвязи между входными и выходными переменными и использует предоставленный набор данных для эффективного определения структуры модели. Научная новизна. Впервые для прогнозирования прочности при одноосном сжатии были использованы не только традиционные способы моделирования, основанные на регрессии, но и инновационный метод программирования – адаптивный нейронечеткий логический вывод ANFIS. В статье приведены численные примеры внедрения новых построенных моделей. Практическая значимость. Статистические индикаторы производительности показали, что разработанные модели могут быть использованы для надежного прогнозирования прочности при одноосном сжатии и оптимальной рецептуры закладочной смеси. Однако, чтобы получить более точные результаты, необходимо иметь более широкую базу данных и создать более совершенные модели на основе алгоритма, предложенного в данной статье.The authors thank the staff and the managers of Jinfeng underground gold mine for their helps and cooperation during field and laboratory studies. The company is also acknowledged for the permission to use and publish the data

Cross-layer system reliability assessment framework for hardware faults

System reliability estimation during early design phases facilitates informed decisions for the integration of effective protection mechanisms against different classes of hardware faults. When not all system abstraction layers (technology, circuit, microarchitecture, software) are factored in such an estimation model, the delivered reliability reports must be excessively pessimistic and thus lead to unacceptably expensive, over-designed systems. We propose a scalable, cross-layer methodology and supporting suite of tools for accurate but fast estimations of computing systems reliability. The backbone of the methodology is a component-based Bayesian model, which effectively calculates system reliability based on the masking probabilities of individual hardware and software components considering their complex interactions. Our detailed experimental evaluation for different technologies, microarchitectures, and benchmarks demonstrates that the proposed model delivers very accurate reliability estimations (FIT rates) compared to statistically significant but slow fault injection campaigns at the microarchitecture level.Peer ReviewedPostprint (author's final draft