Time-Dependent Performance Comparison of Stochastic Optimization Algorithms

This paper proposes a statistical methodology for comparing the performance of stochastic optimization algorithms that iteratively generate candidate optima. The fundamental data structure of the results of these algorithms is a time series. Algorithmic differences may be assessed through a procedure of statistical sampling and multiple hypothesis testing of time series data. Shilane et al. propose a general framework for performance comparison of stochastic optimization algorithms that result in a single candidate optimum. This project seeks to extend this framework to assess performance in time series data structures. The proposed methodology analyzes empirical data to determine the generation intervals in which algorithmic performance differences exist and may be used to guide the selection and design of optimization procedures for the task at hand. Such comparisons may be drawn for general performance metrics of any iterative stochastic optimization algorithm under any (typically unknown) data generating distribution. Additionally, this paper proposes a data reduction procedure to estimate performance differences in a more computationally feasible manner. In doing so, we provide a statistical framework to assess the performance of stochastic optimization algorithms and to design improved procedures for the task at hand

A General Framework for Statistical Performance Comparison of Evolutionary Computation Algorithms

This paper proposes a statistical methodology for comparing the performance of evolutionary computation algorithms. A two-fold sampling scheme for collecting performance data is introduced, and these data are analyzed using bootstrap-based multiple hypothesis testing procedures. The proposed method is sufficiently flexible to allow the researcher to choose how performance is measured, does not rely upon distributional assumptions, and can be extended to analyze many other randomized numeric optimization routines. As a result, this approach offers a convenient, flexible, and reliable technique for comparing algorithms in a wide variety of applications

Performance of a Wet Electrostatic Precipitator in Marine Applications

Emissions of marine traffic can be lowered by switching to less polluting fuels or by investing in exhaust aftertreatment. Electrostatic precipitation is a widely used method for particle removal but it is not currently used in combination with marine engines. This study presents the particle filtration characteristics of an emission reduction system designed for marine applications and consisting of a scrubber and a Wet Electrostatic Precipitator (WESP) in series. Partial flow of exhaust from a 1.6 MW marine engine, operated with light and heavy fuel oil, was led to the system. Particle concentrations were measured before the system, after the scrubber and after the WESP. Particle removal characteristics were determined for different engine loads. The scrubber alone removed 15–55% of non-volatile particle number, 30–40% of particle mass and 30–40% of black carbon mass depending on engine load, when HFO fuel was used. By studying particle size distributions, scrubber was found also to generate particles seen as an additional mode in 20–40 nm size range. The system combining the scrubber and WESP removed over 98.5% of particles in number, mass and black carbon metrics when HFO fuel was used. With MDO fuel, 96.5% of PN and 99% of black carbon were removed.publishedVersionPeer reviewe

CNC-plasmaleikkuri

Opinnäytetyön tavoitteena oli suunnitella ja valmistaa CNC-plasmaleikkuri, joka olisi pienikokoinen, edullinen sekä käyttäjäystävällinen. Koneella on tarkoitus pystyä leikkaamaan tietokoneella tuotettu CAD-kuva plasmapolttimella, joka on kiinni 3-akselisessa portaalipöydässä. Työn valintaan liittyviä seikkoja ovat kyseisen laitteen huono saatavuus markkinoilta, kalliit hinnat sekä kiinnostus mekatronisiin laitteisiin. Työhöni ei liity ulkopuolista yritystä, vaan tarkoitus oli hyödyntää ja käyttää omia tietoja sekä taito-ja työn suunnittelussa ja valmistuksessa. Myöskään ulkopuolista rahoitusta ei ollut. Suurin osa asennustyöstä tehtiin koulun laboratoriotiloissa. Laitteen on tarkoitus tulla omaan käyttöön. Kirjallisessa osassa selvitetään ratkaisuja, joihin suunnittelussa päädyin. Lisäksi käydään läpi plasmaleikkauksen toimintaperiaate sekä valmiin koneen käyttö-mahdollisuudet. Raportin loppuosassa on selitetty koneen mekaanisten osien valmistaminen sekä kokoaminen vaiheittain, sähkösuunnitteluun liittyvät seikat ja testaukseen liittyviä huomioita. Ennen kuin päädyin valitsemaan tämän työn, pyrin ottamaan mahdollisimman paljon selvää asioista, jotta vältyttäisiin yllätyksiltä. Kyseessä on kuitenkin melko laaja osaamisalue. Tässä onnistuin mielestäni hyvin, ja kohdatut ongelmat saatiin ratkaistua.The aim was to design and fabricate a CNC plasma cutter, which would be com-pact, affordable and user-friendly. The machine was to be able to cut a computer-generated CAD image with a plasma torch, which is attached to 3-axis portal table. The matters which related to the choice of this thesis were the lack of availability of similar products on the market, high prices and an interest in mechatronic devices. The study does not involve outside companies, but the purpose was to exploit and use my own information and skills to design and manufacture the device. Similarly, there was no external funding. Most of the installation work was done in the premises of a school laboratory. The device is intended to be in private use. The purpose of the written part is to show some solutions, which were found in the design. Also, there are operational principles of plasmacutting and suggestions for use of the complete machine. In the end of the report are explained the manufacture of the mechanical parts and also electrical design and testing considerations. Before choosing the topic of, possible surprises were excluded by investigating the topic as far as possible. Although this is a rather broad area of expertise, the encountered problems were solved

Menetelmiä evoluutioalgoritmien luotettavuuden parantamiseksi ja ongelmanratkaisun nopeuttamiseksi

This dissertation deals with improving the reliability of evolutionary computation algorithms and accelerating problem-solving in optimization problems. Evolutionary algorithms have proven their value in difficult optimization problems that are not usually solvable in decent time using conventional optimization methods. However, evolutionary computation methods still suffer from problems related especially to premature convergence and the lengthy run times of the algorithms. In addition, the field of evolutionary computation does not commonly use the widely accepted practices for the comprehensive statistical comparison of two different evolutionary algorithms. This dissertation aims at improving the process of using evolutionary computation in complex optimization problems from three perspectives. First, new algorithms are proposed for demanding optimization tasks. These algorithms rely on two perspectives, using a new multipopulation approach to enable appropriate conditions for candidate solutions to evolve and fusing evolutionary algorithms with other soft computing technologies, such as fuzzy logic, in a new way. Second, this dissertation discusses a method for reducing the computational time taken to evaluate a computationally demanding objective function value using neural network-based approximations. Third, a statistical method for comparing the results produced by two different evolutionary algorithms is illustrated. This method, relying on bootstrap resampling-based multiple hypothesis testing, is known outside the field of evolutionary computation, but has not been used within the evolutionary computing community. This dissertation illustrates the use of the statistical scheme and studies the parameters affecting the interpretation of its results. The improvements to evolutionary algorithms this dissertation proposes have been proven to be beneficial by extensive testing. The proposed algorithms and the means to reduce the time required by the objective function evaluation have shown an increase in performance when compared to the reference algorithms. This dissertation also aims at awakening discussion related to the proper use of statistics in the field of evolutionary computation.Tämä väitöskirja käsittelee evoluutioalgoritmien luotettavuuden parantamista ja ongelmanratkaisun nopeuttamista optimointiongelmissa. Evoluutioalgoritmeja on käytetty menestyksekkäästi vaikeissa optimointiongelmissa, joita ei yleensä pystytä ratkaisemaan perinteisillä menetelmillä kohtuullisessa ajassa. Evoluutioalgoritmeilla on kuitenkin heikkouksia liittyen erityisesti ennenaikaiseen konvergoitumiseen ja algoritmien pitkiin suoritusaikoihin. Lisäksi evoluutiolaskennan alalla ei juurikaan käytetä yleisesti hyväksyttyjä menetelmiä kahden evoluutioalgoritmin perusteelliseen tilastolliseen vertailuun. Tässä väitöskirjassa esitetään parannuksia evoluutioalgoritmien käyttämiseen vaikeissa optimointiongelmissa kolmesta eri näkökulmasta. Ensiksi, työssä esitellään uusia algoritmeja, joissa monen populaation avulla järjestetään ratkaisuehdokkaille sopivat olosuhteet kehittyä ja joissa evoluutiolaskentaan sulautetaan uudella tavalla eri pehmeän laskennan tekniikoita, kuten sumeaa logiikkaa. Toiseksi, tässä työssä esitetään menetelmä, jolla voidaan lyhentää laskennallisesti vaativan kustannusfunktion arvon laskemisen vaatimaa aikaa approksimoimalla kustannusfunktion osia neuroverkoilla. Kolmanneksi, väitöskirjassa esitellään tilastollinen menetelmä kahden evoluutioalgoritmin vertailemiseksi. Tämä bootstrap-näytteistämiseen perustuva usean hypoteesin testaamisen menetelmä on tunnettu monilla muilla tieteen aloilla, mutta sitä ei ole käytetty evoluutiolaskennan piirissä. Tässä työssä tutkitaan myös kyseisen tilastollisen menetelmän parametrien arvojen vaikutusta tulosten tulkittavuuteen. Väitöskirjassa esitetyt parannukset on todettu hyödyllisiksi perinpohjaisella testaamisella. Sekä esitellyt algoritmit että kustannusfunktion laskemisen nopeuttamiseksi kehitetty menetelmä parantavat osoitetusti perusalgoritmien suorituskykyä. Tämän työn tarkoituksena on myös herättää keskustelua luotettavien tilastollisten menetelmien käytöstä evoluutiolaskennan piirissä.reviewe

Linkkitason UMTS systeemisimulaattorin toteutettavuus rinnakkaisarkkitehtuureilla

Kolmannen sukupolven matkapuhelinverkon kapasiteettia rajoittavat häiriöt. Tämä johtuu siitä, että ilmarajapinta jaetaan käytäjien kesken Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) -menetelmällä. Analyyttisillä menetelmillä voidaan tutkia verkon yksityiskohtia hyvin määritellyissä olosuhteissa, kun taas simulaattoreita tarvitaan, jotta esimerkiksi radioresurssien hallinta-algoritmeja voitaisiin kehitellä riittävää palvelutasoa ja suurempaa kapasiteettia tavoiteltaessa. Simulaattoreita on käytetty radioresurssien hallinta-algoritmien kehitystyössä laajasti. UMTS-systeemissä kuitenkin jokainen aktiivinen lähetin häiritsee jokaista aktiivista vastaanotinta asettaen näin valtaisat laskennalliset vaatimukset laitteistolle, jolla simulaattoria ajetaan. Kyseinen ongelma on aikaisemmin kierretty jakamalla systeemisimulaattori kahteen osaan: erillinen linkkitason simulaattori on kytketty systeemisimulaattoriin erityisen rajapinnan välityksellä. Käyttämällä rajapintaa simulaattoreiden välissä voidaan saada hyväksyttäviä tuloksia, mutta kyseinen malli sisältää lukuisia oletuksia simuloitavasta tietoliikennejärjestelmnästä. Mitä vähemmän oletuksia tehdään simulaattoria rakennettaessa sitä realistisemman kuvan simulointitulokset todellisesta tilanteesta antavat. Tietokoneiden kasvavat laskentatehot, laskevien hintojen ohella, tarjoavat houkuttelevan tilaisuuden rakentaa tarkka linkkitason systeemisimulaattori rinnakkaisarkkitehtuureihin perustuvia ratkaisuja apuna käyttäen. Tässä työssä määritellään vaatimukset tarkalle linkkitason UMTS-systeemisimulaattorille. Lisäksi tarkastellaan, onko kyseessä oleva simulaattori mahdollista toteuttaa rinnakkaisarkkitehtuurien avulla. Työssä selvitetään simulaattorin laskennalliset vaatimukset, minkä jälkeen määritelty simulaattori sovitetaan erilaisiin rinnakkaisiin ratkaisuihin. Työ sisältää lisäksi johdannot UMTS-järjestelmiin ja rinnakkaisarkkitehtuureihin sekä mobiiliverkkojen simulointiin