Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας (DFIG), την εξαγωγή μαθηματικών μοντέλων στο χώρο κατάστασης σε κανονική λειτουργία και σε λειτουργία με γραμμή μεταφοράς, την ενσωμάτωση PI ελέγχου της άεργου ισχύος στην πλευρά του δικτύου και τέλος την προσομοίωση του μοντέλου (με και χωρίς γραμμή μεταφοράς) σε περιβάλλον Matlab και την εξαγωγή συμπερασμάτων. Ειδικότερα Στο Κεφάλαιο 1 ξεκινάμε με μια επισκόπηση του ενεργειακού ζητήματος και την μέχρι τώρα χρήση της ενέργειας, παρουσιάζοντας τους λόγους που οδηγούμαστε προς τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε) και κατ’ επέκταση στην εκμετάλλευση της αιολικής. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μια γενική παρουσίαση των αιολικών συστημάτων. Περιγράφεται η εκτίμηση του αιολικού δυναμικού, η αεροδυναμική μετατροπή και ο έλεγχος της ενέργειας του ανέμου σε ηλεκτρική, καθώς και η τεχνολογία των ανεμογεννητριών, όπως διάφορα συστήματα και τύποι που βρίσκονται στην αγορά. Έπειτα στο Κεφάλαιο 3 ερχόμαστε σε επαφή με την DFIG, τα μέρη από τα οποία αποτελείται και τις δυναμικές εξισώσεις που την χαρακτηρίζουν, σύμφωνα με την θεωρία του διανυσματικού ελέγχου, σε ένα σύστημα κάθετων αξόνων. Με το Κεφάλαιο 4 περνάμε στην δυναμική περιγραφή της μηχανής στο χώρο κατάστασης έχοντας τοποθετήσει μεταξύ δικτύου και μηχανής μια γραμμή μεταφοράς, παρουσιάζοντας το πλήρες μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει την λειτουργία της. Επίσης μελετώνται και τρόποι ελέγχου της DFIG. Στο Κεφάλαιο 5 γίνεται η προσομοίωση της μηχανής σε περιβάλλον Matlab, ενώ απεικονίζονται διαγράμματα που δείχνουν την συμπεριφορά της μηχανής σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας της. Τέλος στο Κεφάλαιο 6 εξάγονται τα συμπεράσματα από τις προσομοιώσεις στην περίπτωση κανονικής λειτουργίας και λειτουργίας με γραμμή μεταφοράς. / --

The construction industry is the largest consumer of materials in our society. Approximately 40% of all materials used are related to this section of the industry. Equivalent is the impact of the sector’s activities to the environment in terms of non-renewable energy sources (grey energy), gas emissions (mainly CO2), solid waste, etc. With concrete being the most widely used construction material (second only to water in total volumes consumed annually by society) and cement being the essential “glue” in concrete, emphasis should be placed on investigating and enforcing appropriate ways, methodologies and policies, to make cement manufacturing and the construction industry in general a more environmental friendly sector. At the same time, by considering, at one hand the significant amount of research and breakthroughs achieved on structural materials and design, as well as the level of sophistication of the modern European Standards and structural codes, and on the other hand, the increasing cases of premature deterioration of concrete structures, particular emphasis should also be placed on safeguarding the service life of reinforced concrete structures (in addition to tackling their environmental burden). That is why it is very important to introduce the sustainable way of thinking and the concept of industrial ecology on the preliminary design stages of a structure, on the material selection process and on the service life estimation stage, in achieving a robust durable reinforced concrete (RC) structure (for a given service life) with the minimum environmental burden. Thus, the main objective of the present Thesis is to focus on identifying and quantifying a structured framework of the appropriate methodologies in formulating an Integrated Design Process (IDP) for the design of durable and sustainable structures at the minimum environmental and economical cost (without compromising issues of structural safety) and also in identifying and demonstrating ways of industrial ecology for the sustainable development of the cement and construction industry. The present Thesis contributes to the evaluation of the environmental cost of each component of concrete and to provide the best possible mix design configuration (by means of a holistic analytical software tool) in terms of low environmental cost, as well as, to assess this proposed configuration in terms of strength and durability requirements. Overall, it has to be emphasized that through the present Thesis a new indicator is proposed for design purposes: the environmental cost, which can be added to the existing strength, durability and economic cost indicators towards an integrated design optimization of concrete structures. Finally, it is concluded that the incorporation of new Supplementary Cementing Materials (SCM), as biomass ashes and especially Rice Husk Ash (RHA), offers new perspectives for decreasing the environmental cost of constructions. / Η κατασκευαστική βιομηχανία αποτελεί τον μεγαλύτερο καταναλωτή υλικών στην κοινωνία μας. Περίπου το 40% όλων των υλικών που χρησιμοποιούνται σχετίζονται με αυτόν τον τομέα της βιομηχανίας. Αντίστοιχο αντίκτυπο έχουν και οι δραστηριότητες του τομέα στο περιβάλλον σε ότι αφορά τις μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας («γκρίζα» ενέργεια), αέριες εκπομπές (κυρίωςCO2 ), στερεά απόβλητα, κλπ. Δεδομένου ότι το σκυρόδεμα αποτελεί το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο δομικό υλικό (δεύτερο μετά το νερό σε συνολικούς όγκους που καταναλώνονται ετησίως από την κοινωνία) και ότι το τσιμέντο είναι η απαραίτητη «κόλλα» στο σκυρόδεμα, έμφαση πρέπει να δοθεί στη διερεύνηση και επιβολή κατάλληλων τρόπων, μεθοδολογιών και πολιτικών για τη μετατροπή της τσιμεντοβιομηχανίας και της κατασκευαστικής βιομηχανίας σε έναν γενικά περισσότερο περιβαλλοντικά φιλικό τομέα. Ταυτόχρονα, λαμβάνοντας υπόψη από τη μια μεριά τη σημαντική ποσότητα έρευνας και τα επιτεύγματα σχετικά με τα δομικά υλικά και τον σχεδιασμό, και επιπλέον το επίπεδο της επιτήδευσης των σύγχρονων Ευρωπαϊκών Προτύπων και κατασκευαστικών κανονισμών, και από την άλλη μεριά τις αυξανόμενες περιπτώσεις της πρώιμης φθοράς των κατασκευών από σκυρόδεμα, ιδιαίτερη έμφαση θα πρέπει να δοθεί στη διασφάλιση της διάρκειας ζωής των κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος (σε συνδυασμό με την αντιμετώπιση της περιβαλλοντικής τους επιβάρυνσης). Για το λόγο αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντική η εισαγωγή του βιώσιμου τρόπου σκέψης και της έννοιας της βιομηχανικής οικολογίας στα προκαταρκτικά στάδια σχεδιασμού μιας κατασκευής, κατά τη διαδικασία επιλογής υλικών και κατά το στάδιο εκτίμησης της διάρκειας ζωής, ώστε να επιτευχθεί μια εύρωστη, ανθεκτική κατασκευή οπλισμένου σκυροδέματος (για δεδομένη διάρκεια ζωής) με την ελάχιστη περιβαλλοντική επιβάρυνση. Συνεπώς, ο κύριος στόχος της παρούσας Διατριβής είναι να επικεντρωθεί στον εντοπισμό και ποσοτικοποίηση ενός δομημένου προτύπου κατάλληλων μεθοδολογιών για τον σχηματισμό μιας Ενοποιημένης Διαδικασίας Σχεδιασμού για τον σχεδιασμό ανθεκτικών και βιώσιμων κατασκευών με το ελάχιστο περιβαλλοντικό και οικονομικό κόστος (χωρίς συμβιβασμούς σε θέματα που άπτονται της κατασκευαστικής ασφάλειας) και επίσης για την αναγνώριση και επίδειξη τρόπων βιομηχανικής οικολογίας για την βιώσιμη ανάπτυξη της βιομηχανίας τσιμέντου και σκυροδέματος. Η παρούσα Διατριβή συνεισφέρει στην αξιολόγηση του περιβαλλοντικού κόστους κάθε συστατικού του σκυροδέματος αλλά και στην παροχή ενός καλύτερου δυνατού σχεδιασμού σύνθεσης σκυροδέματος (μέσω ενός ολιστικού αναλυτικού λογισμικού) υπό όρους χαμηλού περιβαλλοντικού κόστους, καθώς και στο να αξιολογήσει την προτεινόμενη σύνθεση υπό όρους αντοχής και απαιτήσεων ανθεκτικότητας. Συνολικά, πρέπει να τονισθεί ότι στη παρούσα Διατριβή προτείνεται για πρώτη φορά ένας νέος δείκτης για σκοπούς σχεδιασμού: το περιβαλλοντικό κόστος, το οποίο μπορεί να προστεθεί στους υπάρχοντες δείκτες αντοχής, ανθεκτικότητας και οικονομικού κόστους προς μια ολοκληρωμένη αριστοποίηση σχεδιασμού κατασκευών από σκυρόδεμα. Τέλος, προκύπτει το συμπέρασμα ότι η ενσωμάτωση νέων συμπληρωματικών υδραυλικών υλικών (SCM: Supplementary Cementing Materials), όπως οι τέφρες βιομάζας και ειδικά η τέφρα φλοιού ρυζιού (RHA: Rice Husk Ash), προσφέρει νέες προοπτικές για τη μείωση του περιβαλλοντικού κόστους σκυροδέματος.

Η είσοδος των ηλεκτρονικών λύσεων, εφαρμογών και διευκολύνσεων στις τραπεζικές συναλλαγές δεν είναι κάποια νέα υπόθεση. Το διαφορετικό, σήμερα, βρίσκεται στις τεράστιες δυνατότητες, που προσφέρει η τεχνολογία για την άμεση και συνεχόμενη διασύνδεση της τρα-πεζικής πελατείας με όλα τα προϊόντα και υπηρεσίες του τραπεζικού συστήματος. Οι νέες αυτές δυνατότητες περιγράφονται με τον όρο ηλεκτρονική τραπεζική. Αυτόματες ταμειακές μηχανές σε όλα τα τραπεζικά καταστήματα, ηλεκτρονικές αγορές μέσω καρτών και τηλεφωνικές συναλλαγές προσφέρουν υπηρεσίες που εφαρμόζονται ήδη με μεγάλη επιτυχία. Επίσης και η τραπεζική μέσω του Διαδικτύου αναπτύσσεται με αξιοσημείωτους βαθμούς. Η σχέση των πελατών με την τράπεζά τους ενδύεται πλέον τις ανάγκες της εποχής και προσαρμόζονται στους ρυθμούς με τους οποίους εργάζεται η σύγχρονη, παγκοσμοποιούμενη και συνεχώς ανταγωνιστικότερη οικονομία. Συνεχής λειτουργία επί 24 ώρες και για τις 7 ημέρες της εβδομάδες, με παράλληλη εντυπωσιακή μείωση του χρόνου εκτέλεσης των εντολών και περιορισμού του κόστους. Το ηλεκτρονικό δίκτυο, όπως απεικονίζεται στη φιλική μορφή του Διαδίκτυο (internet) προσφέρει πολλαπλές δυνατότητες εμπορικής ανάπτυξης των ηλεκτρονικών συναλλαγών. Με το ηλεκτρονικό χρήμα να αποτελεί, εδώ και πολύ καιρό, μια καθημερινή συνήθεια ο δρόμος για ριζοσπαστικές αλλαγές έχει ανοίξει. / The entrance of electronic solutions, applications and facilities in banking is not a new case. The different today is the enormous possibilities offered by technology for direct and con-tinuous connection of bank customers with all products and services of the banking system. These new features are described by the term electronic banking. Cash machines in all bank branches, electronic shopping cards and telephone transactions offer services that are be-ing applied with great success. Also the bank via the Internet is growing at a remarkable degree. The customer relationship with their bank now wears the needs of the times and adapt to the rhythms with which modern works, globalized and increasingly competitive economy. Contin-uous operation for 24 hours and 7 days of the week, while striking reduction in the time of exe-cution and cost containment. The electronic network, as illustrated in the friendly form of Internet offers multiple pos-sibilities for commercial development of electronic transactions. With electronic money to be here a long time, a daily habit the way for radical changes has opened.

Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας νέας κλάσης εξωτερικά εξαρτώμενων στοχαστικών συναρτησιακών μοντέλων για την αναγνώριση (identification) δυναμικών συστημάτων που παρουσιάζουν πολλαπλά σημεία λειτουργίας, τα οποία καθορίζονται από μετρήσιμη εξωτερική μεταβλητή (όπως για παράδειγμα, η θερμοκρασία, η υγρασία, κ.λ.π.). Επιπλέον, στόχος είναι η ανάπτυξη καινοτόμου μεθοδολογίας διάγνωσης (ανίχνευσης, προσδιορισμού και εκτίμησης) βλαβών σε δυναμικά συστήματα βάσει των στοχαστικών συναρτησιακών μοντέλων. Η διατριβή αρχικά πραγματεύεται την ανάπτυξη κατάλληλης μεθοδολογίας που αντιμετωπίζει τα επιμέρους προβλήματα της ανίχνευσης, του προσδιορισμού και της εκτίμησης βλαβών στη σύνθετη περίπτωση όπου η κατασκευή διεγείρεται υπό σεισμική διέγερση. Η αποτίμηση της μεθόδου αποτέλεσε και το έναυσμα για τη διαμόρφωση καινοτόμου μεθοδολογίας, η οποία βασίζεται σε μια νέα κλάση εξωτερικά εξαρτώμενων στοχαστικών συναρτησιακών μοντέλων. Τα μοντέλα αυτά έχουν την ικανότητα να αναπαριστούν, με μεγάλη ακρίβεια, μια κατασκευή για συγκεκριμένο τύπο βλάβης και συνεχές εύρος μεγεθών, χρησιμοποιώντας μοναδική μαθηματική αναπαράσταση παραμετροποιημένη ως προς το μέγεθος της βλάβης. Επισημαίνεται ότι τέτοιου τύπου συναρτησιακά μοντέλα δεν αναφέρονται στην βιβλιογραφία. Οι πιο συγγενείς οικογένειες μοντέλων προέρχονται από τις επιστήμες της στατιστικής και της οικονομετρίας, οι οποίες όμως δεν παρουσιάζουν συναρτησιακή μορφή και δεν μπορούν να καλύψουν συνεχή εύρη τιμών. Εξαιτίας αυτού του γεγονότος στη συνέχεια της διατριβής ορίζεται η νέα κλάση εξωτερικά εξαρτώμενων στοχαστικών Συναρτησιακών (F) μοντέλων Αυτοπαλινδρόμησης (AR) με Εξωγενή (X) είσοδο, των οποίων οι παράμετροι και η διασπορά του θορύβου είναι συναρτήσεις μετρήσιμης εξωτερικής μεταβλητής. Αυτή η συναρτησιακή εξάρτηση δίνει τη σημαντική ικανότητα στη νέα κλάση μοντέλων να μπορούν να χρησιμοποιηθούν: α) για τη δυναμική αναγνώριση συστημάτων με πολλαπλά σημεία λειτουργίας που καθορίζονται από μετρήσιμη εξωτερική μεταβλητή και, β) για την ανίχνευση, τον προσδιορισμό και την εκτίμηση βλαβών σε στοχαστικά δυναμικά συστήματα όπου η εξωτερική μεταβλητή είναι το μέγεθος της βλάβης. Επιπλέον, για τα μοντέλα αυτά αναπτύσσονται κατάλληλες μέθοδοι εκτίμησης των οποίων τα χαρακτηριστικά μελετώνται, και η αποτίμηση τους πραγματοποιείται μέσω προσομοιώσεων Monte Carlo. Στη συνέχεια ορίζεται η νέα κλάση εξωτερικά εξαρτώμενων στοχαστικών Συναρτησιακών (F) μοντέλων Αυτοπαλινδρόμησης (AR) και Κινητού Μέσου Όρου (ΜΑ) με Εξωγενή (X) είσοδο των οποίων επίσης οι παράμετροι και η διασπορά του θορύβου εκφράζονται ως συναρτήσεις μετρήσιμης εξωτερικής μεταβλητής. Τα μοντέλα FARΜΑX προσφέρουν επιπλέον ευελιξία σε σχέση με τα μοντέλα FARX εξαιτίας της εισαγωγής του πολυωνύμου ΜΑ. Για τα μοντέλα αυτά αναπτύσσονται επίσης κατάλληλες μεθοδολογίες εκτίμησης που βασίζονται στη μέγιστη πιθανοφάνεια και στην αρχή του σφάλματος πρόβλεψης. Επιπλέον, διαμορφώνονται δύο ακόμη μέθοδοι εκτίμησης που βασίζονται στην ελαχιστοποίηση του σφάλματος πρόβλεψης μέσω διαδοχικών γραμμικών σταδίων, οι οποίες παρουσιάζουν κάποια πρακτικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις προηγούμενες, μπορούν να συνδυαστούν με αυτές, αλλά απαιτούν την ανάπτυξη κατάλληλης άλγεβρας για τα μοντέλα FARΜΑX. Επίσης, μελετώνται ζητήματα όπως η συνέπεια και η ασυμπτωτική κατανομή της εκτιμήτριας σφάλματος πρόβλεψης. Η αποτίμηση όλων των μεθόδων εκτίμησης πραγματοποιείται μέσω προσομοιώσεων Monte Carlo. Τέλος, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αναπτύσσεται καινοτόμος μεθοδολογία ανίχνευσης, προσδιορισμού και εκτίμησης βλαβών σε δυναμικά συστήματα, η οποία βασίζεται στις νέες κλάσεις στοχαστικών συναρτησιακών μοντέλων των προηγούμενων κεφαλαίων. Η αποτίμηση της μεθοδολογίας πραγματοποιείται μέσω πειραματικής εφαρμογής σε διεθνές πρότυπο σκελετού αεροσκάφους υπό κλίμακα, όπου επιτυγχάνει με μεγάλη ακρίβεια, ανίχνευση, προσδιορισμό και εκτίμηση όλων των τύπων και μεγεθών βλάβης και επιπλέον ξεπερνά δυσκολίες που αντιμετωπίζουν άλλες τεχνικές της βιβλιογραφίας. / The aim of the present dissertation is the development of a new class of externally dependent stochastic functional models for the identification of dynamical systems under multiple operating conditions, which are defined by an external measurable variable (i.e. temperature, humidity, etc). The development of a novel methodology for fault diagnosis (fault detection, identification and estimation) in dynamical systems based upon the stochastic functional models is also an additional aim. The development of a proper method for fault detection, identification and estimation in structures under earthquake excitation is initially achieved. The method’s assessment was the motivation for the development of a novel methodology, which is based upon a new class of externally dependent stochastic functional models. These models are capable of accurately representing a structure for a certain type of fault in a continuous range of magnitudes by using a single mathematical representation parameterized in terms of the fault magnitude. It is noticed that such models are not referred in the literature until now. The most related families of models are found in sciences of statistics and econometrics. These models are mathematical representations without functional form and they are incapable of covering continuous ranges of values. Due to this fact, the new class of externally dependent stochastic Functional (F) AutoRegressive (AR) with eXogenous (X) excitation models, with parameters and innovations variance expressed as functions of a measurable external variable, is defined in the sequel of the dissertation. This functional dependence offers to the new class of models the important advantage of being used for: a) the identification of dynamical systems under multiple operating conditions which are defined by an external measurable variable and, b) fault detection, identification and estimation in stochastic dynamical systems where the external variable is the fault magnitude. Proper methods for FARX estimation are also developed and studied and their assessment is achieved via Monte Carlo simulations. In the following, the new class of externally dependent stochastic Functional (F) AutoRegressive (AR) Moving Average (MA) with eXogenous (X) excitation models, with parameters and innovations variance expressed as functions of a measurable external variable, is defined. The FARMAX models offer extra flexibility due to the MA part. Proper methods for FARMAX estimation, which are based upon the Maximum Likelihood and the Prediction Error principles, are also developed. Two further estimation methods are also formulated which are based upon minimization of the prediction error via successive linear stages. These methods offer some practical advantages comparing with the previous methods, they can be combined with the latter but they require the development of a proper algebra for FARMAX models. Additionally, the consistency and the asymptotic distribution of the prediction error estimator are considered. The assessment of all estimation methods is achieved via Monte Carlo simulations. In the last part of the dissertation a novel methodology for fault detection, identification and estimation in dynamical systems, which is based upon the new class of stochastic functional models of the previous chapters, is developed. The methodology’s assessment is accomplished via an experimental application in a prototype scale aircraft skeleton structure, where it achieves accurate fault detection, identification and estimation of several kinds and magnitudes of faults and also overcomes difficulties that are referred by other methods.

Το πρόβλημα που αντιμετωπίζει η διατριβή αφορά στη μοντελοποίηση μη-στασίμων τυχαίων ταλαντώσεων επί τη βάσει μετρήσεων του σήματος της ταλάντωσης, μέσω μοντέλων FS-TAR/TARMA. Οι στόχοι της διατριβής περιλαμβάνουν την αποτίμηση της εφαρμοσιμότητας των μεθόδων FS-TAR/TARMA για την μοντελοποίηση και ανάλυση της ταλάντωσης χρονικά μεταβαλλόμενών κατασκευών, καθώς και τη σύγκρισή τους με εναλλακτικές παραμετρικές μεθόδους του πεδίου του χρόνου. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται και στην αντιμετώπιση θεμάτων που σχετίζονται με την εκτίμηση μοντέλων FS-ΤAR/TARMA, καθώς και στην θεωρητική ασυμπτωτική ανάλυση των ιδιοτήτων των εκτιμητριών που χρησιμοποιούνται. Η διατριβή αρχικά παρουσιάζει μια συγκριτική ανασκόπηση της βιβλιογραφίας στο θέμα της μοντελοποίησης μη-στασίμων ταλαντώσεων μέσω παραμετρικών μεθόδων του πεδίου του χρόνου, η οποία και επιδεικνύει τα πλεονεκτήματα των μεθόδων FS-TAR/TARMA. Στη συνέχεια αντιμετωπίζεται μια σειρά προβλημάτων που εμφανίζονται κατά την εκτίμηση (των παραμέτρων) και την επιλογή της δομής του μοντέλου. Η αποτελεσματικότητα των μεθόδων FS-TAR/TARMA για την μοντελοποίηση και ανάλυση μη-στάσίμων ταλαντώσεων επιδεικνύεται και πειραματικά μέσω εφαρμογής στην οποία πραγματοποιείται επιτυχής εξαγωγή των δυναμικών χαρακτηριστικών μιας εργαστηριακής χρονικά μεταβαλλόμενης κατασκευής. Στη συνέχεια, η διατριβή εστιάζει στην αναζήτηση ακριβέστερων εκτιμητριών, καθώς και στην ασυμπτωτική ανάλυση των ιδιοτήτων των εκτιμητριών «γενικών» (όχι αναγκαστικά περιοδικά μεταβαλλόμενων) μοντέλων FS-TAR/TARMA. Συγκεκριμένα, εξετάζονται οι περιπτώσεις των εκτιμητριών σταθμισμένων ελαχίστων τετραγώνων [Weighted Least Squares (WLS)], μέγιστης πιθανοφάνειας [Maximum Likelihood (ML)], καθώς και μια εκτιμήτρια πολλαπλών σταδίων [Multi Stage (MS)], η οποία αναπτύσσεται στην παρούσα διατριβή και είναι ασυμπτωτικά ισοδύναμη με την εκτιμήτρια ML ενώ ταυτόχρονα χαρακτηρίζεται από μειωμένη υπολογιστική πολυπλοκότητα. Στη διατριβή αποδεικνύεται η συνέπεια (consistency) των εκτιμητριών αυτών και εξάγεται η ασυμπτωτική κατανομή (asymptotic distribution) τους. Παράλληλα, αναπτύσσεται μια συνεπής εκτιμήτρια του ασυμπτωτικού πίνακα συνδιασποράς και μια μέθοδος για τον έλεγχο εγκυρότητας των μοντέλων FS-TAR/TARMA. Η ορθότητα των αποτελεσμάτων της ασυμπτωτικής ανάλυσης επιβεβαιώνεται μέσω μελετών Monte Carlo. / The thesis studies the problem of non-stationary random vibration modeling and analysis based on available measurements of the vibration signal via Functional Series Time-dependent AutoRegressive / AutoRegressive Moving Average (FS-TAR/ TARMA) models. The aims of the thesis include the assessment of the applicability of FS-TAR/TARMA methods for the modeling and analysis of non-stationary random vibration, as well as their comparison with alternative time-domain parametric methods. In addition, significant attention has been paid to the FS-TAR/TARMA estimation problem and to the theoretical asymptotic analysis of the estimators. A critical overview and comparison of time-domain, parametric, non-stationary random vibration modeling and analysis methods is firstly presented, where the high potential of FS-TAR/TARMA methods is demonstrated. In the following, a number of issues concerning the FS-TAR/TARMA model (parameter) estimation and model structure selection are considered. The effectiveness of the FS-TARMA methods for non-stationary random vibration modeling and analysis is experimentally demonstrated, through their application for the recovery of the dynamical characteristics of a time-varying bridge-like laboratory structure. In the sequel, the thesis focuses on the asymptotic analysis of “general” (that is not necessarily periodically evolving) FS-TAR/TARMA estimators. In particular, the Weighted Least Squares (WLS) and Maximum Likelihood (ML) estimators are both investigated, while a Multi Stage (MS) estimator, that approximates the ML estimator at reduced complexity, is developed. The consistency of the considered estimators is established and their asymptotic distribution is extracted. Furthermore, a consistent estimator of the asymptotic covariance matrix is formulated and an FS-TAR/TARMA model validation method is proposed. The validity of the theoretical asymptotic analysis results is assessed through several Monte Carlo studies.

Σε αυτή την εργασία, μελετάμε την κλάση των Υψηλής Τάξης Νευρωνικών Δικτύων και ειδικότερα των Πι—Σίγμα Νευρωνικών Δικτύων. Η απόδοση των Πι—Σίγμα Νευρωνικών Δικτύων αξιολογείται με την εφαρμογή τους σε διάφορα πολύ γνωστά χαρακτηριστικά προβλήματα εκπαίδευσης νευρωνικών δικτύων. Στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν, για την εκπαίδευση των Πι—Σίγμα Νευρωνικών Δικτύων υλοποιήθηκαν και εφαρμόστηκαν Σειριακοί και Παράλληλοι/Κατανεμημένοι Εξελικτικοί Αλγόριθμοι. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν οι σειριακές καθώς και οι παράλληλες/κατανεμημένες εκδοχές των Διαφοροεξελικτικών Αλγόριθμων. Η προτεινόμενη μεθοδολογία βασίστηκε σε αυτές τις εκδοχές και εφαρμόστηκε για την εκπαίδευση των Πι—Σίγμα δικτύων χρησιμοποιώντας συναρτήσεις ενεργοποίησης «κατώφλια». Επιπρόσθετα, όλα τα βάρη και οι μεροληψίες των δικτύων περιορίστηκαν σε ένα μικρό εύρος ακέραιων αριθμών, στο διάστημα [-32, 32]. Συνεπώς, τα εκπαιδευμένα Πι—Σίγμα νευρωνικά δίκτυα μπορούν να αναπαρασταθούν με ακεραίους των 6-bits. Αυτής της μορφής τα δίκτυα είναι πιο κατάλληλα για την εφαρμογή τους σε «υλικό» (hardware), από νευρωνικά δίκτυα με πραγματικά βάρη. Τα πειραματικά αποτελέσματα μας δείχνουν ότι η διαδικασία εκπαίδευσης είναι γρήγορη, σταθερή και αξιόπιστη. Ακόμα η εφαρμογή των παράλληλων/κατανεμημένων Εξελικτικών Αλγορίθμων για την εκπαίδευση των Πι—Σίγμα δικτύων μας επιδεικνύει αρκετά καλές ικανότητες γενίκευσης των εκπαιδευμένων δικτύων καθώς και προσφέρει επιτάχυνση στην διαδικασία εκπαίδευσης τους. / In this contribution, we study the class of Higher-Order Neural Networks and especially the Pi-Sigma Networks. The performance of Pi-Sigma Networks is evaluated through several well known neural network training benchmarks. In the experiments reported here, Evolutionary Algorithms and Parallel/Distributed Evolutionary Algorithms are implemented for Pi-Sigma neural networks training. More specifically the serial as well as a parallel/distributed version of the Differential Evolution have been employed. The proposed approach is applied to train Pi-Sigma networks using threshold activation functions. Moreover, the weights and biases were confined to a narrow band of integers, constrained in the range [-32, 32]. Thus the trained Pi-Sigma neural networks can be represented by just 6 bits. Such networks are better suited for hardware implementation than the real weight ones. Experimental results suggest that this training process is fast, stable and reliable and the trained Pi-Sigma networks, with both serial and parallel/distributed algorithms, exhibited good generalization capabilities. Furthermore, the usage of a distributed version of the Differential Evolution, has demonstrated a speedup of the training process.

Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται μία γενική επισκόπηση της αυτόματης αναγνώρισης γενικευμένων ακουστικών γεγονότων. Επιπλέον συζητάμε τις εφαρμογές της τεχνολογίας αναγνώρισης ακουστικού σήματος και δίνουμε μία σύντομη περιγραφή του state of the art. Τέλος, αναφέρουμε τη συνεισφορά της διατριβής. Στο κεφάλαιο 2 εισάγουμε τον αναγνώστη στο χώρο της επεξεργασίας ακουστικών σημάτων που δε περιλαμβάνουν ομιλία. Παρουσιάζονται οι σύγχρονες προσεγγίσεις όσον αφορά στις μεθοδολογίες εξαγωγής χαρακτηριστικών και αναγνώρισης προτύπων. Στο κεφάλαιο 3 προτείνεται ένα καινοτόμο σύστημα αναγνώρισης ήχων ειδικά σχεδιασμένο για το χώρο των ηχητικών γεγονότων αστικού περιβάλλοντος και αναλύεται ο σχεδιασμός της αντίστοιχης βάσης δεδομένων. Δημιουργήθηκε μία ιεραρχική πιθανοτική δομή μαζί με δύο ομάδες ακουστικών παραμέτρων που οδηγούν σε υψηλή ακρίβεια αναγνώρισης. Στο κεφάλαιο 4 ερευνάται η χρήση της τεχνικής πολλαπλών αναλύσεων όπως εφαρμόζεται στο πρόβλημα της διάκρισης ομιλίας/μουσικής. Στη συνέχεια η τεχνική αυτή χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία ενός συστήματος το οποίο συνδυάζει χαρακτηριστικά από διαφορετικά πεδία με στόχο την αποδοτική ανάλυση online ραδιοφωνικών σημάτων. Στο κεφάλαιο 5 προτείνεται ένα σύστημα το οποίο εντοπίζει μη-τυπικές καταστάσεις σε περιβάλλον σταθμού μετρό με στόχο να βοηθήσει το εξουσιοδοτημένο προσωπικό στην συνεχή επίβλεψη του χώρου. Στο κεφάλαιο 6 προτείνεται ένα προσαρμοζόμενο σύστημα για ακουστική παρακολούθηση εν δυνάμει καταστροφικών καταστάσεων ικανό να λειτουργεί κάτω από διαφορετικά περιβάλλοντα. Δείχνουμε ότι το σύστημα επιτυγχάνει υψηλή απόδοση και μπορεί να προσαρμόζεται αυτόνομα σε ετερογενείς ακουστικές συνθήκες. Στο κεφάλαιο 7 ερευνάται η χρήση της μεθόδου ανίχνευσης καινοτομίας για ακουστική επόπτευση κλειστών και ανοιχτών χώρων. Ηχογραφήθηκε μία βάση δεδομένων πραγματικού κόσμου και προτείνονται τρεις πιθανοτικές τεχνικές. Στο κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται μία καινοτόμα μεθοδολογία για αναγνώριση γενικευμένου ακουστικού σήματος που οδηγεί σε υψηλή ακρίβεια αναγνώρισης. Εκμεταλλευόμαστε τα πλεονεκτήματα της χρονικής συγχώνευσης χαρακτηριστικών σε συνδυασμό με μία παραγωγική τεχνική κατηγοριοποίησης. / The dissertation is outlined as followed: In chapter 1 we present a general overview of the task of automatic recognition of sound events. Additionally we discuss the applications of the generalized audio signal recognition technology and we give a brief description of the state of the art. Finally we mention the contribution of the thesis. In chapter 2 we introduce the reader to the area of non speech audio processing. We provide the current trend in the feature extraction methodologies as well as the pattern recognition techniques. In chapter 3 we analyze a novel sound recognition system especially designed for addressing the domain of urban environmental sound events. A hierarchical probabilistic structure was constructed along with a combined set of sound parameters which lead to high accuracy. chapter 4 is divided in the following two parts: a) we explore the usage of multiresolution analysis as regards the speech/music discrimination problem and b) the previously acquired knowledge was used to build a system which combined features of different domains towards efficient analysis of online radio signals. In chapter 5 we exhaustively experiment on a new application of the sound recognition technology, space monitoring based on the acoustic modality. We propose a system which detects atypical situations under a metro station environment towards assisting the authorized personnel in the space monitoring task. In chapter 6 we propose an adaptive framework for acoustic surveillance of potentially hazardous situations under environments of different acoustic properties. We show that the system achieves high performance and has the ability to adapt to heterogeneous environments in an unsupervised way. In chapter 7 we investigate the usage of the novelty detection method to the task of acoustic monitoring of indoor and outdoor spaces. A database with real-world data was recorded and three probabilistic techniques are proposed. In chapter 8 we present a novel methodology for generalized sound recognition that leads to high recognition accuracy. The merits of temporal feature integration as well as multi domain descriptors are exploited in combination with a state of the art generative classification technique.

H διδακτορική διατριβή μελετά ζητήματα που αφορούν την ενσωμάτωση υπολογιστικών μοντέλων ακοής για την μοντελοποίηση και επεξεργασία ηχητικών σηματών για την βέλτιστη αναπαραγωγή τους σε χώρους με αντήχηση καθώς και την κωδικοποίηση ηχητικών δεδομένων. Το κύριο μέρος της διατριβής επικεντρώθηκε στην μοντελοποίηση των αντιληπτικά σημαντικών αλλοιώσεων λόγω αντήχησης, με την βοήθεια κατάλληλα οριζόμενων μόνο-ωτικών και διαφορικών ενδο-καναλικών παραμέτρων και την απεικόνιση τους με τη βοήθεια χρονο-συχνοτικών 2Δ αναπαραστάσεων. Ο λεπτομερής εντοπισμός των αλλοιώσεων στα ηχητικά σήματα μέσω του προτεινόμενου Δείκτη Επικάλυψης λόγω Αντήχησης (ΔΕΑ) διαμόρφωσε κατάλληλη μεθοδολογία ανάλυσης-σύνθεσης, για την καταστολή της αντήχησης σε συγκεκριμένες χρονο-συχνοτικές περιοχές. Το κύριο πλεονέκτημα της προτεινόμενης, εξαρτώμενης του σήματος, μεθοδολογίας είναι ότι επιτυγχάνεται η καταστολή των, με σχετική καθυστέρηση, παραμορφώσεων λόγω αντήχησης σε μια μεγαλύτερη κλίμακα, δεδομένου ότι μόνο οι αντιληπτικά σημαντικές περιοχές του σήματος επηρεάζονται από την επεξεργασία. Επιπλέον, αναζητήθηκε η δυνατότητα ανάλυσης των ηχητικών δεδομένων με βάση τις εσωτερικές τους αναπαραστάσεις (όπως δηλαδή τις παρέχει το υπολογιστικό μοντέλο ακοής) με εφαρμογή στην περιοχή της κωδικοποίησης σημάτων. Ο προτεινόμενος μη-ομοιόμορφος κβαντιστής πραγματοποιεί τη διαδικασία της κβάντισης χρονο-συχνοτικά με κατάλληλη οδήγηση από το υπολογιστικό μοντέλο ακοής, εξασφαλίζοντας καλύτερη υποκειμενική ηχητική ποιότητα, σε σχέση με ένα ομοιόμορφο PCM κβαντιστή. Χρησιμοποιώντας τη βασική λειτουργία του μη-ομοιόμορφου κβαντιστή, υλοποιήθηκε ενά κριτήριο αξιολόγησης ηχητικών δεδομένων, όπου σε αντίθεση με καθιερώμενα κριτήρια (όπως το Noise to Mask Ration, NMR) επιτελεί τις λειτουργίες του στο πεδίο χρόνου-συχνότητας και παρέχει τη δυνατότητα εντοπισμού της υποκειμενικά σημαντικής παραμόρφωσης με βάση την χρονική εξέλιξη του σήματος. / The dissertation studies issues concerning the integration of computational auditory models for modeling and processing of audio signals for optimal reproduction in reverberant spaces as well as topics related to audio coding. Based on the theoretical framework analysis that was established, the necessity of a signal-dependent approach was underlined for modeling the perceptually-relevant effects of reverberation. The main part of the dissertation thesis was focused on describing the perceptually-relevant alterations due to reverberation, based on appropriate defined monaural and differential inter-channel parameters and also their representation with well-defined time-frequency 2D maps. The detailed localization of alterations due to reverberation in the acoustic signals via the proposed Reverberation Masking Index (RMI) introduced an analysis-synthesis methodology for the compensation of reverberation in perceptually-significant time-frequency regions incorporating also, well-established digital signal processing techniques. The main advantage of the proposed signal-dependent methodology is that the suppression of reverberant tails can be achieved on a larger scale under practical conditions, since only perceptually significant regions of the signal are affected after processing. Additionally, the proposed framework complements the more traditional system-dependent inverse filtering methods, enabling novel and efficient signal processing schemes to evolve for room dereverberation applications. The thesis examines also the feasibility of the acoustic signal analysis based on the internal representations provided by the computational auditory model, applicable in the area of audio coding. The proposed non-uniform quantizer operates in the time-frequency domain, where a novel quantization process is driven by the computational auditory model, thus enabling an overall better perceptual quality with respect to uniform PCM quantizer. Considering the fundamental operation of the novel non-uniform quantizer, a criterion for audio quality evaluation was proposed, where contrary to well-established criteria (i.e., Noise to Mask Ratio, NMR) its potential structure performs in the time-frequency domain and provides the detailed localization of perceptually-important distortions based on the input signal’s evolution.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται το πρόβλημα της αποτελεσματικής σχεδίασης ιστοτόπων που υποστηρίζουν την εύχρηστη διαδραστική αναζήτηση. Με τον όρο διαδραστική αναζήτηση περιγράφεται η διερευνητική αλληλεπίδραση ενός χρήστη με έναν ιστότοπο, με στόχο την εύρεση πληροφορίας στο πλαίσιο μίας εργασίας του, χωρίς τη χρήση διαδικτυακών μηχανών αναζήτησης. Η διατριβή εντάσσεται στην περιοχή της ευχρηστίας του Διαδικτύου και γενικότερα της μελέτης αλληλεπίδρασης ανθρώπου-υπολογιστή και ειδικότερα αλληλεπίδρασης χρηστών με πληροφορία. Ένας ιστότοπος είναι συχνά, όχι μόνο μια εφαρμογή με την οποία αλληλεπιδρά ο χρήστης αλλά και ένας πληροφοριακός χώρος, του οποίου η κατάλληλη δόμηση και διασύνδεση του περιεχομένου επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την ευχρηστία του. Συνεπώς, η ανάπτυξη μεθοδολογιών για τον επιτυχή σχεδιασμό της πληροφοριακής αρχιτεκτονικής (information architecture) ενός ιστοτόπου παραμένει μία σημαντική σχεδιαστική πρόκληση. Η διατριβή προτείνει μία νέα μεθοδολογία σχεδιασμού και αξιολόγησης της πληροφοριακής αρχιτεκτονικής ιστοτόπων, τη MEDIAMIS (Methodology for the Efficient Design of Information Architectures based on Models of Interactive Search). Η συνεισφορά της έγκειται στο γεγονός ότι βελτιστοποιεί και συστηματοποιεί τη διαδικασία σχεδιασμού ή αξιολόγησης. Η MEDIAMIS είναι εμπνευσμένη από εδραιωμένες χρηστοκεντρικές τεχνικές και πρόσφατα μοντέλα της συμπεριφοράς των ανθρώπων κατά τη διαδραστική αναζήτηση. Η μεθοδολογία απευθύνεται σε μηχανικούς του Διαδικτύου και αποσκοπεί στη δημιουργία ιστοτόπων που υποστηρίζουν την εύχρηστη διαδραστική αναζήτηση από τους χρήστες τους. Προκειμένου να υποστηριχθεί η MEDIAMIS αναπτύχθηκαν δύο πρωτότυπα εργαλεία, το AutoCardSorter (Automated Card Sorting Tool) και το ISEtool (InfoScent Evaluator Tool). Το πρώτο υποστηρίζει τη διαδικασία δόμησης του περιεχομένου ενός ιστοτόπου, ενώ το δεύτερο τη δημιουργία σημασιολογικά κατάλληλων λεκτικών περιγραφών για τους υπερσυνδέσμους ενός ιστοτόπου. Τέλος, στο πλαίσιο της διατριβής, εξετάζεται η εγκυρότητα και αποδοτικότητα της MEDIAMIS και των υποστηρικτικών εργαλείων, μέσα από έξι πειραματικές μελέτες. Στις μελέτες αυτές συγκρίθηκαν εκτενώς τα αποτελέσματα της προτεινόμενης προσέγγισης με αυτά καθιερωμένων χρηστοκεντρικών τεχνικών και μετρικών της παρατηρούμενης συμπεριφοράς των χρηστών. Τα συμπεράσματα των μελετών έδειξαν ότι η MEDIAMIS παράγει αποτελέσματα εφάμιλλης ποιότητας με εδραιωμένες χρηστοκεντρικές τεχνικές, αλλά με σημαντικά αποδοτικότερο τρόπο. / This thesis addresses the problem of effective design of websites that enhance findability of information during interactive search. The term interactive search is used to describe the exploratory, goal−directed browsing activity of a user, while seeking information in a website. Seeking information using a search engine is not an object of study in this thesis. The thesis falls into the field of human computer interaction, and the subfields of Web usability and human information interaction. A website should be treated both as a user interface as well as a hypertext information space, whose structural design has a significant influence on intuitive access to content, task completion and overall user experience. In today’s information explosion, one of the biggest challenges in web design is the effective design of its information architecture. The latter constitutes the research objective of this thesis. The thesis proposes a new methodology to design and evaluate the information architecture of websites, the MEDIAMIS (Methodology for the Efficient Design of Information Architectures based on Models of Interactive Search). The contribution of the proposed approach is that is optimizes and systemizes the information architecture design or evaluation process. MEDIAMIS is inspired by established user-centered techniques and recent cognitive models of user’s interactive search behavior. MEDIAMIS is addressed to Web practitioners and deals with the design or evaluation of a website’s information structure and labeling system. In the context of the proposed methodology, two innovative tools have been developed. The first tool, AutoCardSorter (Automated Card Sorting Tool), supports the structural design of a website. The second tool, ISEtool (InfoScent Evaluator Tool), facilitates the production of semantically appropriate hyperlink labels for the typical goals of a website. The applicability of the proposed methodology and the effectiveness and efficiency of the associated tools were examined through six experimental studies. These studies compared both quantitavely and qualitatively the results of the proposed methodology against the ones derived from established user-centered design approaches, such as card sorting, and against observed and subjective user data. It was found that the proposed methodology lead to a substantial efficiency gain, without expense in the quality of results.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και ανάλυση ενός υψηλής τάξης μοντέλου διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής μηχανής, κατάλληλο για μελέτες μεταβατικής κατάστασης αιολικών συστημάτων. Αρχικά, γίνεται μία εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, με ιδιαίτερη αναφορά στην αιολική ενέργεια. Κατόπιν, περιγράφονται οι διάφοροι τρόποι ταξινόμησης των ανεμογεννητριών που υπάρχουν σήμερα, τα δομικά στοιχεία αυτών, καθώς και η αεροδυναμική τους μετατροπή. Ακολουθεί η γενική παρουσίαση μίας διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής γεννήτριας. Προκειμένου να γίνει μελέτη των μεταβατικών καταστάσεων, παρουσιάζεται το δυναμικό μοντέλο και ο διανυσματικός έλεγχος μίας διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής γεννήτριας υψηλής τάξης. Εν συνεχεία, αναλύεται -βάσει εξισώσεων- η συμπεριφορά της εν λόγω γεννήτριας σε τριφασικές και ασύμμετρες βυθίσεις τάσεων, που είναι αποτέλεσμα διαφόρων μεταβατικών καταστάσεων. Τέλος, γίνεται η προσομοίωση ενός αιολικού πάρκου, που περιλαμβάνει ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου και μελετώνται διάφορες διαταραχές στο σύστημα, όπως: συμμετρικά και ασύμμετρα βραχυκυκλώματα, απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου, απώλεια και μεταβολή φορτίου. Η προσομοίωση πραγματοποιείται με τη βοήθεια του λογισμικού MATLAB/Simulink, έκδοση 7.6. / The subject of this thesis is the study and analysis of a high-order model of a doubly-fed induction machine (DFIM), suitable for unbalanced condition studies on a wind farm. At first, an introduction is made of the renewable energy sources, with special mention of the wind energy. Then, there is the description of the different types of wind turbines than exist nowadays, their components and their aerodynamic conversion. A general presentation of a doubly-fed induction generator (DFIG) is made and after that, for the study of disturbances, the dynamic model and the vector control of a high-order model of a doubly-fed induction generator are presented. Through mathematical equations, the performance of this generator under voltage dips is then described, result of various transition phenomena. Finally, the simulation of a wind farm that includes wind turbines of this type, is made and several disturbances on the grid, such as: symmetrical and asymmetrical faults, sudden changes of the wind speed, loss and change of the load. Simulation is made with the use of the software MATLAB/Simulink, version 7.6.