The iPGDZ+ technique for compressing primal solution time-series in unsteady adjoint - applications & assessment

Gradient-based optimization for large-scale problems governed by unsteady PDEs, in which gradients with respect to the design variables are computed using unsteady adjoint, are characterized by the backward in time integration of the adjoint equations, which require the instantaneous primal/flow fields to be available at each time-step. The most widely used technique to reduce storage requirements, at the expense of a controlled number of recomputations, is binomial check-pointing. Alternatively, one may profit of lossless and lossy compression techniques, such as iPGDZ+, this paper relies upon. iPGDZ+is a hybrid algorithm which consists of (a) an incremental variant of the Proper Generalized Decomposition (iPGD), (b) the ZFP and (c) the Zlib compression algorithms. Two different implementations of iPGDZ+are described: (a) the Compressed Full Storage (CFS ) strategy which stores the whole time-history of the flow solution using iPGDZ+and (b) the Compressed Coarse-grained Check-Pointing (3CP ) technique which combines iPGDZ+with check-pointing. Assessment in aerodynamic shape optimization problems in terms of storage saving, computational cost and representation accuracy are included along with comparisons with binomial check-pointing. The methods presented are implemented within the in-house version of the publicly available adjointOptimisation library of OpenFOAM, for solving the flow and adjoint equations and conducting the optimization

Strategic positioning of the ‘ERATOSTHENES Research Centre’ and exploration of new R&D opportunities in the fields of Earth Surveillance and Space-Based of the Environment

The aim of this paper is to present our strategy and vision to upgrade the existing ERATOSTHENES Research Centre (ERC), established within Cyprus University of Technology (CUT), into a sustainable, viable and autonomous Centre of Excellence (CoE) for Earth Surveillance and Space-Based Monitoring of the Environment (EXCELSIOR), which will provide the highest quality of related services both on the National, European and International levels. The ‘EXCELSIOR’ project is a Horizon 2020 Teaming project, addressing the reduction of substantial disparities in the European Union by supporting research and innovation activities and systems in low performing countries. It also aims at establishing long-term and strategic partnerships between the Teaming partners, thus reducing internal research and innovation disparities within European Research and Innovation landscape. The ERCis already an established player in the local community and has excellent active collaboration with actors from various sectors in (a) the government, (b) industry, (c) local organisations, and (d) society. In order to further engage users and citizens and to become more attractive to international research and education community, the Centre aims to be fully involved in strategic positioning on the national level, but also in Europe, the Middle East region and internationally. Some examples of how space technologies are integrated with other tools or techniques such as UAV, field spectroscopy, micro-sensors, EO space/in-situ sensors etc. for the systematic monitoring of the environment is shown. Indeed such examples fulfills the objectives of the COPERNICUS academy network (in which ERC is a member) for empowering the next generation of researchers, scientists, and entrepreneurs with suitable skill sets to use Copernicus data and information services to their full potential. Finally, opportunities for future collaboration and investments with the ERC in the Eastern Mediterranean Region are stated. Five partners have united to upgrade the existing ERC into a CoE, with the common vision to become a world-class innovation, research and education centre, actively contributing to the European Research Area (ERA). More specifically, the Teaming project is a team effort between the Cyprus University of Technology (CUT, acting as the coordinator), the German Aerospace Centre (DLR), the Institute for Astronomy and Astrophysics Space Applications and Remote Sensing of the National Observatory of Athens (NOA), the German Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) and the Cyprus’ Department of Electronic Communications of the Ministry of Transport, Communications and Works (DEC-MTCW)

The ERATOSTHENES Centre of Excellence (ECoE) as a digital innovation hub for Earth observation

The "EXCELSIOR" H2020 Widespread Teaming Phase 2 Project: ERATOSTHENES: EXcellence Research Centre for Earth SurveiLlance and Space-Based MonItoring Of the EnviRonment is supported from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No. 857510 for a 7 year project period to establish a Centre of Excellence in Cyprus. As well, the Government of the Republic of Cyprus is providing additional resources to support the establishment of the ERATOSTHENES Centre of Excellence (ECoE) in Cyprus. The ECoE seeks to fill the gap by assisting in the spaceborne Earth Observation activities in the Eastern Mediterranean and become a regional key player in the Earth Observation (EO) sector. There are distinct needs and opportunities that motivate the establishment of an Earth Observation Centre of Excellence in Cyprus, which are primarily related to the geostrategic location of the European Union member state of Cyprus to examine complex scientific problems and address user needs in the Eastern Mediterranean, Middle East and Northern Africa (EMMENA), as well as South-East Europe. An important objective of the ECoE is to be a Digital Innovation Hub and a Research Excellence Centre for EO in the EMMENA region, which will establish an ecosystem where state-of-the-art sensing technology, cutting-edge research, targeted education services, and entrepreneurship come together. It is based on the paradigm of Open Innovation 2.0 (OI2.0), which is founded on the Quadruple Helix Model, where Government, Industry, Academia and Society work together to drive change by taking full advantage of the cross-fertilization of ideas. The ECoE as a Digital Innovation Hub (DIH) adopts a two-axis model, where the vertical axis consists of three Thematic Clusters for sustained excellence in research of the ECoE in the domains of Atmosphere and Climate, Resilient Societies and Big Earth Data Management, while the horizontal axis is built around four functional areas, namely: Infrastructure, Research, Education, and Entrepreneurship. The ECoE will focus on five application areas, which include Climate Change Monitoring, Water Resource Management, Disaster Risk Reduction, Access to Energy and Big EO Data Analytics. This structure is expected to leverage the existing regional capacities and advance the excellence by creating new programs and research, thereby establishing the ECoE as a worldclass centre capable of enabling innovation and research competence in Earth Observation, actively participating in Europe, the EMMENA region and the global Earth Observation arena. The partners of the EXCELSIOR consortium include the Cyprus University of Technology as the Coordinator, the German Aerospace Center (DLR), the Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS), the National Observatory of Athens (NOA) and the Department of Electronic Communications, Deputy Ministry of Research, Innovation and Digital Policy

Investigation of the potential of generating encryption keys from digital systems

EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

Horn of Africa: its role in the international geopolitical planning in time

Η εργασία απευθύνεται σε ειδικά εξειδικευμένο κοινό σε θέματα γεωπολιτικής.Η εργασία πραγματεύεται το ρόλο τους Κέρατος της Αφρικής στο διεθνή γεωπολιτικό σχεδιασμό διαχρονικά. Πρόκειται για μία γεωγραφική ανάλυση βασισμένη σε συγκεκριμένη βιβλιογραφία. Στο τεύχος αρχικά περιέχονται κάποια βασικά εισαγωγικά στοιχεία που δίνουν το έναυσμα για τη συνέχεια της ανάλυσης. Στην εισαγωγή παρατίθενται οι στόχοι της εργασίας, καθώς και το γενικό γεωπολιτικό πλαίσιο. Στη συνέχεια, περιγράφονται τα υλικά και η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την εκπόνησή της δίνοντας περισσότερο βάση στον τρόπο παράθεσης του κειμένου αλλά και στον τρόπο με τον οποίο συλλέχθηκαν οι πληροφορίες. Έπειτα, γίνεται αναφορά σε βασικές έννοιες και ορισμούς που κρίθηκαν απαραίτητες να διευκρινιστούν για την περάτωση της ανάλυσης. Εξηγείται πλήρως το γεωπολιτικό πλαίσιο, μέσα στο οποίο εντάσσεται η περιοχή μελέτης. Ακολουθεί μία συνοπτική γεωγραφική παρουσίαση των χωρών του Κέρατος της Αφρικής με χρήση χαρτών και ποσοτικών μεταβλητών. Ακόμη, παρουσιάζεται εκτενώς η εξωτερική πολιτική των μεγάλων δυνάμεων που ορίζουν τις πολιτικές διαδικασίες στην Ανατολική Αφρική. Στο κύριο μέρος της ανάλυσης παρουσιάζεται διαχρονικά το γεωπολιτικό προφίλ των χωρών, χωρισμένο σε τρεις περιόδους. Τέλος, παρατίθενται τα συμπεράσματα και οι προβληματισμοίThe thesis deals with the role of the Horn of Africa in international geopolitical planning over time. This is a geographical analysis based on a specific bibliography. Inside the book, some basic introductory elements are initially set to trigger the sequencing of the analysis. The introduction sets out the objectives of the work as well as the general geopolitical framework. Then there is a description of the materials and methodology used to elaborate it, giving more insight into, how the text was presented and how the information was collected. Then, reference is made to basic concepts and definitions that have been deemed necessary to clarify for the completion of the analysis. It fully explains the geopolitical context in which the study area forms part. Here is a brief geographical presentation of the countries of Horn of Africa using maps and quantitative variables. In addition, the foreign policy of the great powers defining the political processes in East Africa is extensively presented. The main part of the analysis presents the geopolitical profile of the countries over time, divided into three periods. Finally, the conclusions and concerns are presented

Adjoint methods for turbulent flows, applied to shape or topology optimization and robust design

The present dissertation deals with the mathematical formulation, programming and validation ofadjoint methods for the computation of sensitivity derivatives of objective functions related toaerodynamics/hydrodynamics and the utilization of the latter in optimization algorithms. Methods basedon both the discrete and continuous adjoint approaches are presented. Academic and industrial casesare tackled in the fields of shape optimization, topology optimization and optimization underuncertainties (robust design).Regarding shape optimization, the continuous adjoint method is extended to cover incompressibleflows governed by the low-Re number Launder-Sharma k-ε and the high-Re number Spalart-Allmarasturbulence models, overcoming the implications of neglecting the differentiation of these models on theoptimization process. A significant part of the thesis is concerned with applications of the developedmethods to relevant industrial problems. In specific, the drag minimization of passenger cars designedby a European automotive industry is tackled, using the developed exact continuous adjoint method. Inaddition, surrogate aeroacoustic problems of the automotive industry, dealing with the noise perceivedby the driver are faced using the developed software. Moreover, a feasible continuous adjointformulation for drawing drag and lift sensitivity maps based on the DES Spalart-Allmaras model isproposed.In addition, the developed software is applied to the optimization of a Francis turbine runner. Thecontinuous adjoint method is used to calculate the sensitivity derivatives of various cost functionsincluding target velocity distributions at the outlet of the runner, changes in the hydraulic head andcavitation suppression. Regarding topology optimization, the present thesis extends the mathematicalformulation to cover 3D incompressible flows governed by the aforementioned turbulence models.Moreover, frequently used industrial constraints are tackled, making the procedure more user-friendlyand requiring less (or no) trial-and-error iterations. The developed software is used for designing an airconditioning duct placed on a passenger car as well as a school formula's plenum chamber.Aiming at lower turn-around optimization times, a truncated-Newton algorithm is developed for topology optimization problems. The proposed algorithm makes use of Hessian-vector products to approximatethe second-order design variables correction, at a feasible computational cost. The method is appliedto topology optimization problems with encouraging results.Robust design is the procedure of designing aerodynamic shapes with acceptable performance, notonly at the design point, but in a range of operating conditions. The Second- Order Second-Momentmethod is used to compute the mean value and standard deviation of an objective function, requiringthe computation of first- and second-order sensitivities of this function with respect to the uncertain variables. If the minimization of these metrics through a deterministic algorithm is targeted, derivativesup to third-order must be computed. The optimal combination of direct differentiation and the adjointmethod to compute the necessary derivatives is proposed and applied.Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με τη μαθηματική ανάπτυξη, τονπρογραμματισμό και την πιστοποίηση συζυγών (adjoint) μεθόδων για τον υπολογι-σμό (πρώτης και υψηλότερων τάξεων) παραγώγων ευαισθησίας συναρτήσεων-στόχωνστους τομείς της αερο/υδροδυναμικής καθώς και την ένταξη των τελευταίων σε αλ-γόριθμους ϐελτιστοποίησης. Παρουσιάζονται μέθοδοι που ϐασίζονται στη συνεχή καιτη διακριτή συζυγή τεχνική, με έμφαση στην πρώτη. Εξετάζονται ακαδημαϊκά καιϐιομηχανικά προβλήματα ϐελτιστοποίησης μορφής (shape optimization) με εφαρ-μογή, μεταξύ άλλων, στη ϐελτιστοποίηση επιβατικών αυτοκινήτων και στροβιλομηχα-νών, σε προβλήματα τοπολογίας (topology optimization) καθώς και σε προβλήματαϐελτιστοποίησης υπό αβεβαιότητες (στιβαρός σχεδιασμός, robust design).Ως προς τη ϐελτιστοποίηση μορφής, διερευνάται η σημασία της παραγώγισηςμοντέλων τύρβης, τόσο χαμηλών όσο και υψηλών αριθμών Reynolds, για χρονικάμόνιμες, ασυμπίεστες ϱοές. Συγκεκριμένα, επεκτείνεται η συνεχής συζυγής μέθο-δος ώστε να καλύπτει ϱοές που διέπονται από το μοντέλο τύρβης k − ǫ Reynolds τωνLaunder–Sharma. Δίνεται έμφαση στην επίδραση που ϑα είχε ενδεχόμενη παράλει-ψη της παραγώγισης των εξισώσεων του μοντέλου (η ευρύτατα χρησιμοποιούμενηπαραδοχή της ‘παγωμένης τυρβώδους συνεκτικότητας’) στη διαδικασία της ϐελτιστο-ποίησης μορφής. Επιπρόσθετα, αναπτύσσεται και υλοποιείται η συνεχής συζυγήςμέθοδος για το μοντέλο υψηλών αριθμών Reynolds των Spalart–Allmaras, για πρώτηϕορά στη ϐιβλιογραφία. Επιπλέον, χρησιμοποιείται η eikonal εξίσωση για τον υπο-λογισμό αποστάσεων από τα στερεά τοιχώματα και αναπτύσσεται η συζυγής της, ώστεη τελική μορφή των παραγώγων ευαισθησίας να καταστεί ανεξάρτητη των παραγώγων των αποστάσεων ως προς τις μεταβλητές σχεδιασμού.Σημαντικό κομμάτι της διατριβής αποτελεί η μετέπειτα εφαρμογή των μεθόδωναυτών και του αναπτυχθέντος λογισμικού σε ϐιομηχανικά προβλήματα ϐελτιστο-ποίησης μορφής. Συγκεκριμένα, εξετάζεται η ελαχιστοποίηση της οπισθέλκουσαςσε πρωτότυπο αυτοκίνητο ευρωπαϊκής αυτοκινητοβιομηχανίας χρησιμοποιώντας τιςRANS (Reynolds-Averaged Navier Stokes) εξισώσεις με το μοντέλο τύρβης χαμηλώναριθμών Reynolds των Spalart–Allmaras, το αναπτυχθέν λογισμικό για την εύρε-ση παραγώγων ευαισθησίας και τεχνικές παραμόρφωσης πλέγματος. Επιπρόσθε-τα, το αναπτυχθέν λογισμικό χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό των αεροδυναμικάευαίσθητων περιοχών (χάραξη χαρτών ευαισθησίας) ως προς τον ϑόρυβο που γίνε-ται αντιληπτός από τον οδηγό. Επιπλέον, ακολουθώντας τη συνήθη προσέγγιση τηςϐιομηχανίας για την ανάλυση της ϱοής χρησιμοποιώντας το DES (Detached EddySimulation) μοντέλο τύρβης των Spalart–Allmaras σε συνδυασμό με συναρτήσειςτοιχώματος, προτείνεται διαδικασία για τη χάραξη χαρτών ευαισθησίας ως προς τηνασκούμενη άνωση στον πίσω άξονα του οχήματος, χρησιμοποιώντας τη συνεχή συ-Ϲυγή τεχνική. ΄Εμφαση δίνεται στη μείωση του υπολογιστικού κόστους και της α-παιτούμενης μνήμης ώστε η διαδικασία να ολοκληρώνεται σε χρόνο αποδεκτό για τηϐιομηχανία. Παράλληλα, αναπτύσσονται δυο νέοι συζευγμένοι αλγόριθμοι επίλυσηςτων συζυγών εξισώσεων με στόχο την επιτάχυνση της σύγκλισης και την αύξηση της ευστάθειας του συζυγούς επιλύτη σε ϐιομηχανικές εφαρμογές.Το αναπτυχθέν λογισμικό εφαρμόζεται επίσης για τον σχεδιασμό δρομέα υδρο-στροβίλου τύπου Francis. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιείται η συνεχής συζυγής μέθο-δος για τον υπολογισμό παραγώγων ευαισθησίας ως προς την κάθετη μετατόπισητων οριακών κόμβων του πλέγματος για διάφορες συναρτήσεις κόστους που περι-λαμβάνουν : επιθυμητές κατανομές ταχύτητας στην εξόδο του δρομέα, αλλαγή τουυδραυλικού ύψους ώστε να ταιριάζει με το επιθυμητό σημείο λειτουργίας και τηνεξάλειψη ενδεχόμενης σπηλαίωσης στην επιφάνεια του δρομέα.Ως προς τη ϐελτιστοποίηση τοπολογίας, η οποία στοχεύει στον αρχικό σχεδιασμόαεροδυναμικών μορφών υπολογίζοντας τη ϐέλτιστη κατανομή ενός τεχνητού πεδίουπορώδους, η παρούσα διατριβή επεκτείνει το μαθηματικό υπόβαθρο της συνεχούςσυζυγούς μεθόδου ώστε να καλύπτει 3Δ ασυμπίεστες ϱοές με το μοντέλο υψηλώναριθμών Reynolds των Spalart–Allmaras, σε συνδυασμό με περιορισμούς που χρη-σιμοποιούνται συχνά από τη ϐιομηχανία. Το αναπτυχθέν λογισμικό εφαρμόζεταιστη ϐελτιστοποίηση τοπολογίας ενός αγωγού κλιματισμού επιβατικού αυτοκινήτουκαι στον σχεδιασμού ενός ϑαλάμου plenum οχήματος πανεπιστημιακού διαγωνι-σμού ταχύτητας.Παρά τη χρήση των χαμηλού κόστους συζυγών μεθόδων, η διαδικασία της ϐελ-τιστοποίησης μπορεί να αποδειχθεί χρονοβόρα λόγω του αριθμού των απαραίτητωνκύκλων ϐελτιστοποίησης για τη σύγκλιση του αλγορίθμου. Στοχεύοντας στη μείωσητου συνολικού χρόνου ϐελτιστοποίησης/σχεδιασμού, αναπτύσσεται και εφαρμόζε-ται για πρώτη ϕορά στη ϐιβλιογραφία της ϐελτιστοποίησης τοπολογίας η μέθοδος Newton με αποκοπή (truncated Newton). Αυτή χρησιμοποιεί προβολές του Εσσια-νού μητρώου σε διανύσματα για να προσεγγίσει τη δεύτερης τάξης διόρθωση τωνμεταβλητών σχεδιασμού. Τα ανωτέρω γινόμενα υπολογίζονται μέσω συνδυασμού τηςσυνεχούς συζυγούς μεθόδου και της μεθόδου ευθείας διαφόρισης.Ως στιβαρός σχεδιασμός ορίζεται η διαδικασία σχεδιασμού/βελτιστοποίησης α-εροδυναμικών σχημάτων σε ένα εύρος συνθηκών λειτουργίας. Για την ποσοτικο-ποίηση της συμπεριφοράς ενός αεροδυναμικού σχήματος σε εύρος συνθηκών λει-τουργίας απαιτείται ο υπολογισμός της μέσης τιμής και της τυπικής απόκλισηςσυναρτήσεων-στόχων. Στη παρούσα διατριβή χρησιμοποιείται η δεύτερης τάξηςμέθοδος των στατιστικών ϱοπών (Second-Order Second-Moment method) που α-παιτεί τον υπολογισμό παραγώγων ευαισθησίας της συνάρτησης-στόχου, πρώτης καιδεύτερης τάξης ως προς τις αβέβαιες μεταβλητές. Η ελαχιστοποίηση της μέσης τι-μής και της τυπικής απόκλισης της συνάρτησης-στόχου με αιτιοκρατικές μεθόδουςαπαιτεί τον υπολογισμό μέχρι και τρίτης τάξης παραγώγων ευαισθησίας. Στην πα-ϱούσα διατριβή παρουσιάζεται ένας αποδοτικός συνδυασμός της μεθόδου ευθείαςδιαφόρισης και της συζυγούς τεχνικής για τον υπολογισμό των ανωτέρω παραγώγων

Novel Techniques for Ensuring Secure Communications for Distributed Low Power Devices

This paper explores effective algorithms for managing the distributed processing and secure data transfer environment present within the network of satellite nodes using advanced mathematical techniques based on encryption methods. Security is enhanced via encryption techniques based on keys, which are based on unique properties of the individual nodes within the network. This will serve both to encrypt data within the network as well as to validate the initiator node of a message

Key Generation for Secure Inter-Satellite Communication

This paper addresses issues relating to the generation of secure encryption keys for use in inter-satellite communications operating in a low power environment. It introduces techniques which possess the potential to generate encryption keys based on properties or features directly associated with the actual satellites and thus removing the necessity for key storage. This research investigates constraints associated with ensuring secure inter-satellite communications for satellite constellations. The need for data sent to and from satellites to be secure and verified is substantial. Security can be improved by using encryption techniques based on keys, which are based on unique properties of the individual nodes within the satellite network. This will serve both to minimize the need for key sharing as well as to validate the initiator node of a message

Effects of Feature Trimming on Encryption Key Stability for an ICmetric System

The stable reproduction of an encryption key under potentially varying operating conditions is a fundamental requirement of any encryption key generating system. This paper examines aspects of the generation of encryption keys based on measurable features derived from characteristics of investigated electronic system with a view to determining whether such encryption key generation is sufficiently stable. Specifically, it addresses the effect on encryption key stability of removing unstable contributions to the key generation process, a technique known as feature trimming

Normalizing Discrete Circuit Features with Statistically Independent Values for Incorporation within a Highly Secure Encryption System

Protecting hardware devices from unwanted software attacks is a current area of major security concern. Coupled with the need to secure and verify data sent to and from such devices, the need to supply systems capable of uniquely identifying and securing hardware devices is considerable and imminent. This paper introduces techniques which possess the potential to generate unique identifying codes for given hardware devices based on measurable quantities or features associated with the given hardware and software configurations executing upon it. The techniques are investigated by considering abstract properties in order to validate primarily the feature normalization techniques employed prior to the code generation phase which allows features with highly variable distributions, and whose component values are independent of each other, to be employed within the code generation system