H αυξανόμενη ανάγκη για στροφή της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε βιώσιμες και ανανεώσιμες πηγές έχει οδηγήσει στη ραγδαία ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας και στη διείσδυσή της στην αγορά ενέργειας. Η παρούσα εργασία πραγματεύεται ένα αιολικό σύστημα παραγωγής ενέργειας βασισμένο σε σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη. Η συγκεκριμένη μηχανή αποτελεί τη νέα τάση στην αγορά εξ’ αιτίας των σημαντικών πλεονεκτημάτων που προσφέρει, ιδίως αυτό της δυνατότητας για απουσία κιβωτίου ταχυτήτων που οδηγεί το σύστημα σε αυξημένη απόδοση. Στην εργασία αυτή, θα γίνει μια παρουσίαση των χαρακτηριστικών των σύγχρονων αιολικών συστημάτων, θα γίνει η μοντελοποίηση της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη και θα αναλυθεί η λογική του ελέγχου που ακολουθείται και στηρίζεται στο διανυσματικό έλεγχο προσανατολισμού σε πεδίο. Τέλος, θα γίνει η παρουσίαση και ο σχολιασμός των αποτελεσμάτων του μοντέλου, που αναπτύχθηκε σε περιβάλλον Matlab/Simulink, με την παράλληλη εξαγωγή συμπερασμάτων για την απόκρισή του. / The ongoing increase in electric power demand and the need for sustainable and renewable energy has led wind energy into high rates of growth and penetration to the energy markets. This thesis deals with a permanent magnet synchronous generator based wind power system. This type of machine has become a trend for the markets, due to its specific benefits and, especially, for the absence of gearbox that leads the whole system to higher efficiency. In this thesis, we will discuss the characteristics of a modern wind power system, then, the permanent magnet synchronous generator will be modelled, and the field oriented vector control strategy will be analyzed. Finally, we will present and discuss the outcome of the model that was built in the Matlab/Simulink programme, and we will come into certain conclusions about its response.

Τα τελευταία χρόνια, η ραγδαία αύξηση των χρηστών ασύρματης επικοινωνίας και η ολοένα και αυξανόμενη ζήτηση πιο αποδοτικών επικοινωνιών μεταξύ των χρηστών, έστρεψαν το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας στην μελέτη πιο ευέλικτων ασύρματων δικτύων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον προς αυτή την κατεύθυνση παρουσιάζουν τα Γνωστικά Συστήματα Ραδιοεπικοινωνιών (Cognitive Radios). Τα Γνωστικά Συστήματα είναι ευφυή συστήματα τα οποία έχουν την ικανότητα να αντιλαμβάνονται τα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκονται και να προσαρμόζουν κατάλληλα τις παραμέτρους της μετάδοσης τους με στόχο πιο αξιόπιστες και πιο ευέλικτες επικοινωνίες. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αυτών των συστημάτων είναι το γεγονός ότι μπορούν να συνυπάρξουν ταυτόχρονα δύο είδη χρηστών, οι κύριοι και οι δευτερεύοντες. Κύριοι είναι οι χρήστες οι οποίοι έχουν νόμιμη άδεια χρήσης μιας ζώνης συχνοτήτων από κάποια αρμόδια αρχή, ενώ δευτερεύοντες ονομάζονται οι χρήστες του δικτύου που δεν έχουν άδεια χρήσης κάποιας ζώνης συχνοτήτων αλλά υπό κατάλληλες συνθήκες μπορούν να χρησιμοποιήσουν κάποια ζώνη που ανήκει στους κύριους χρήστες. Η μετάδοση των δευτερευόντων χρηστών γίνεται με τέτοιο τρόπο (συχνότητα και χρόνο μετάδοσης), ώστε να μην δημιουργείται παρεμβολή στους κύριους χρήστες. Πρόσφατα, το ερευνητικό ενδιαφέρον στράφηκε προς την χαρτογράφηση κάποιον φαινομένων σε τέτοιου είδους συστήματα. Πιο συγκεκριμένα, με τον όρο χαρτογράφηση εννοούμε την μελέτη ενός φαινομένου, όπως για παράδειγμα της παρεμβολής ή του κέρδους του καναλιού όχι μόνο ως προς το χρόνο αλλά και ως προς το χώρο. Για παράδειγμα, στα γνωστικά συστήματα η χαρτογράφηση του καναλιού δίνει τη δυνατότητα στους δευτερεύοντες χρήστες ανά πάσα στιγμή να γνωρίζουν το πιθανό κανάλι επικοινωνίας προς όλα τα σημεία του χώρου που μελετούμε. Κάτι τέτοιο, λόγω της ιδιαιτερότητας αυτού του συστήματος, μπορεί να δώσει πολύτιμες πληροφορίες για τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να εκπέμψουν οι δευτερεύοντες χρήστες έτσι ώστε να μην παρεμβάλλονται στην μετάδοση των κύριων χρηστών. Οι εργασίες που σχετίζονται με τα γνωστικά συστήματα μέχρι τώρα είχαν ως στόχο την μελέτη είτε της επισκίασης είτε της παρεμβολής που μετριέται σε ένα σημείο του χώρου. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, στόχος μας ήταν η μελέτη της μακροπρόθεσμης πρόβλεψης (long range prediction) ενός καναλιού σε ένα δίκτυο κινούμενων γνωστικών χρηστών, κάτι το οποίο δεν έχει μελετηθεί έως τώρα. Με τον όρο μακροπρόθεσμη πρόβλεψη καναλιού αναφερόμαστε στην εκτίμηση του καναλιού σε κάποια επόμενη χρονική στιγμή. Δεδομένου ότι το κανάλι επηρεάζεται τόσο από φαινόμενα μικρής όσο και από ευρείας κλίμακας στρέψαμε το ενδιαφέρον μας σε ένα ενοποιημένο μοντέλο καναλιού που περιλαμβάνει και τα δύο είδη εξασθένησης. Αυτή η μακροπρόθεσμη πρόβλεψη του χρονικά μεταβαλλόμενου καναλιού αποσκοπεί στην χαρτογράφηση των διαθέσιμων καναλιών στο χώρο αλλά και στο χρόνο, πληροφορία που μπορεί να φανεί πολύ χρήσιμη σε διάφορες εφαρμογές όπως αυτή της δρομολόγησης πακέτων πληροφορίας σε ένα δίκτυο, ή της κατανομής ενέργειας στα γνωστικά και σε άλλα ασύρματα συστήματα. Πιο συγκεκριμένα, στο κεφάλαιο 1, θα αναφερθούμε στις νέες τάσεις που ακολουθούνται στις ασύρματες επικοινωνίες. Αρχικά θα αναφερθούμε στις συνεργατικές επικοινωνίες και τις λεγόμενες συντονισμένες μεταδόσεις πολλαπλών σημείων ενώ στην συνέχεια θα επικεντρωθούμε στα γνωστικά δίκτυα και τις λειτουργίες που επιτελούν. Στο κεφάλαιο 2 θα περιγράψουμε με λεπτομέρεια τους μηχανισμούς διάδοσης των ηλεκρομαγνητικών κυμάτων και τα δύο βασικά είδη εξασθένησης που παραμορφώνουν το λαμβανόμενο σήμα στον δέκτη. Στη συνέχεια του κεφαλαίου αυτού θα περιγράψουμε διάφορα μοντέλα που περιγράφουν τα δύο είδη εξασθένησης και τέλος, θα παρουσιάσουμε ένα μοντέλο που τα συνδυάζει. Στο κεφάλαιο 3, θα παρουσιάσουμε ένα ενοποιημένο μοντέλο το οποίο συμπεριλαμβάνει τόσο τα μικρής όσο και τα μεγάλης κλίμακας φαινόμενα το οποίο θα υιοθετήσουμε στην συνέχεια στην πειρματική μας διαδικασία. Επιπλέον, θα παρουσιάσουμε τους λόγους για τους οποίους στρέψαμε την προσοχή μας στο εν λόγω θέμα. Στο κεφάλαιο 4 θα αναφερθούμε στην έννοια της χαρτογράφησης ενός φαινομένου σε ένα γνωστικό σύστημα και στην τρέχουσα βιβλιογραφία. Πιο συγκεκριμένα, θα κάνουμε μία ιστορική αναδρομή της χρήσης της χαρτογράφησης στα γνωστικά συστήματα. Ξεκινώντας από την χαρτογράφηση της παρεμβολής σε ένα δίκτυο και την χαρτογράφηση του φάσματος, θα επικεντρωθούμε στην χαρτογράφηση των φαινομένων ευρείας κλίμακας και ειδικά στην χαρτογράφηση της επισκίασης. Στο κεφάλαιο 5 θα μελετήσουμε την έννοια της εκτίμησης και παρακολούθησης καναλιού και θα επικεντρωθούμε σε παραμετρικά κανάλια. Στο τέλος του κεφαλαίου, θα διευρύνουμε την παρακολούθηση ενός καναλιού με την διαδικασία της μακροπρόθεσμης πρόβλεψης του κέρδους του καναλιού. Αυτή η επιπλέον γνώση της μακροπρόθεσμης πρόβλεψης σε συνδυασμό με διαδικασίες χωρικής παρεμβολής σε ένα γνωστικό σύστημα μπορεί να βελτιώσει πολύ τις συνθήκες μετάδοσης. Λόγω της ιδιαιτερότητας που παρουσιάζουν τα εν λόγω συστήματα κάθε επιπλέον μακροπρόθεσμη πληροφορία της κατάστασης του δικτύου μπορεί να βοηθήσει σε σημαντικές αποφάσεις κατανομής ισχύος ή μετάδοσης ώστε να ελαχιστοποιηθεί η παρεμβολή προς τους κύριους χρήστες. Στο κεφάλαιο 6 θα περιγράψουμε με λεπτομέρεια το πρόβλημα μακροπρόθεσμης πρόβλεψης με το οποίο ασχοληθήκαμε και θα παρουσιάσουμε μία σειρά από πειραματικά αποτελέσματα που σχετίζονται με την ποιότητα της πρόβλεψης του καναλιού κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Τέλος, στο κεφάλαιο 7 θα αναφερθούμε στα συμπεράσματα που προέκυψαν από την συγκεκριμένη διπλωματική εργασία καθώς και σε κάποιες μελλοντικές κατευθύνσεις που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Οι κατευθύνσεις αυτές σχετίζονται τόσο για το συγκεκριμένο αλγόριθμο που χρησιμοποιήσαμε όσο και με πιθανές εφαρμογές του. / In recent years, the use of wireless communication systems has rapidly increased along with the demand for more resource hungry applications. To support such demands, the research community has been focusing into new more efficient and more flexible communications techniques and systems. To this end, the so-called cognitive radio systems are of particular interest. In a cognitive system, the participating communication nodes are able of understanding the special characteristics of the surrounding environment and adjust, accordingly, their transmission parameters in order to achieve a reliable level of communication. An identifying element of such systems is the co-existence of two kinds of users, i.e. the primary and the secondary ones. The first are licensed users of a specific transmission band as opposed to the second, who are not licensed to use such a band, however under certain constraints and conditions they are allowed to. Their transmission is performed in an appropriate manner so as not to interfere with the primary users. Currently, there is an active research interest in the so-called cartography of certain phenomena that occur in the wireless medium used by systems like the cognitive ones. Specifically, the term cartography is used for the study of a phenomenon such as the gain of channel through time and space for any pair of points in a given region. This information could, for example, support the decision making procedure of a secondary user related to the selection of a transmission band to use for transmission, reducing in this way the produced interference level. The research efforts, so far, has been focusing on the cartography of either the shadowing phenomenon or the interference that is present at a particular point at space. In this master thesis, the main target is the study of long-range channel prediction algorithms in a cognitive network of mobile users that take into account both small and large scale fading. The phrase “long-range channel prediction” refers to the process of predict the value of the channel at a future time instant. In order to capture the twofold nature to fading, i.e. small and large scale one, a unifying channel model is adopted. This operation and the predicted information aim at providing the necessary tools in order to map the available channels into space as well as time. This information can be valuable in numerous applications such as routing of data packets and resource allocation. In more detail, chapter 1 is an introduction to wireless communications focusing on their history and the new directions that look to the future. Specifically, a description will be provided for the evolution of cellular and ad hoc wireless networks along with three new tendencies, i.e. cooperative communications, coordinated multipoint or transmissions and cognitive networks. In chapter 2, an introduction of the wireless medium for transmitting communications signals is presented. Specifically, at first, the propagation mechanisms of electromagnetic waves along with their two main sources of fading that distort signals will be provided. Then, appropriate models for the fading sources will be described which are useful for developing and evaluating communications algorithms. A unified model that incorporates both small and large-scale fading is presented in chapter 3. This model will be used later in this thesis during the experimental analysis. Moreover, a motivation of looking into this direction will be provided. In chapter 4, a bibliographic presentation of cartography will be presented. The chapter will start with a historical review of chartography. First, the focus will be on the mapping of interference and spectrum usage. Then, the focus will shift towards the mapping of large scale phenonena, especially, the mapping of shadowing. The estimation/tracking and prediction of wireless channels will be the main focus of chapter 5. Parametric channels and associated algorithms will be presented. Moreover, a long rage prediction algorithm, that is studied in this thesis, will be described in detail. This additional information combined with spatial interpolation techniques can, in general, be used to improve the transmission conditions in a cognitive system. This information, in such systems, can assist in decision making procedures related to power allocations and transmissions, so as to mitigate the interference among the users. The aforementioned synthesized channel model along with the long rage prediction problem that is studied in this thesis will be evaluated in chapter 6. In this chapter, exhaustive simulations have been conducted targeting the prediction performance under different propagation conditions. Finally, in chapter 7, the main conclusions drawn in this thesis along with some future research directions will be provided. The directions are related both with the specific algorithm that was studied and some possible applications.

Η καλσείνη (calcein) γνωστή και με την αγγλική ορολογία Fluorexon/Fluorescein είναι μια μικρού μοριακού βάρους υδατοδιαλυτή ουσία και χρησιμοποιείται ως μόριο- πρότυπο μικρού υδατοδιαλυτού φαρμάκου, σε πλήθος εφαρμογών τόσο στο τομέα της φαρμακευτικής όσο και στο τομέα της χημείας. Η χρησιμότητα της έγκειται στο γεγονός ότι παρουσιάζει φθορισμό που αποσβένειται σε υψηλές συγκεντρώσεις(100mM) και της εύκολης παρακολούθησης της αποδέσμευσης της από σωματιδιακά συστήματα χορήγησης φαρμάκων. Τα λιποσώματα είναι καθορισμένα λιπιδικά κυστίδια με μέγεθος που κυμαίνεται μεταξύ 0,05-5μm και βρίσκονται εδώ και πολλά χρόνια στο επίκεντρο του ερευνητικού ενδιαφέροντος, ως φορείς φαρμάκων και βιοδραστικών ενώσεων καθώς και για την βελτίωση της απόδοσής τους στους οργανισμούς. Τα λιποσώματα μελετώνται για την απόδοση βιολογικά δραστικών ουσιών κυρίως για τους εξής λόγους: 1. την αδυναμία αυτών των ουσιών να επιτύχουν την επιθυμητή συγκέντρωση στην επιθυμητή περιοχή, 2. την κυτταροτοξικότητά τους και 3. προβλήματα που σχετίζονται με τη χορήγησή τους (για παράδειγμα χαμηλή διαλυτότητά τους σε κατάλληλο φορέα). Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι, η μαθηματική μοντελοποίηση και η μελέτη της κινητικής αποδέσμευσης των μορίων της καλσείνης, που λειτουργούν ως μόρια- πρότυπου υδατοδιαλυτού φαρμάκου, σε συστήματα λιποσωμάτων τα οποία παρασκευάστηκαν σε διαφορετικές λιπιδικές συστάσεις με την επίδραση της χοληστερόλης και της πολυαιθυλενογλυκόλης να καθορίζουν τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων της καλσείνης. Ειδικότερα, παρασκευάστηκαν λιποσώματα SUV με την μέθοδο του λεπτού υμενίου, στα οποία εγκλωβίστηκε καλσείνη σε υψηλή συγκέντρωση (100mM) με χρήση ακίδας υπερήχων για περίπου 15 λεπτά, σε συστάσεις (PC, PC/Chol 4:1, 2:1 και 1:1 mole/mole) καθώς και (PC/Chol/PEG 2:1:0.04, 2:1:0.08, 2:1:0.16 και 2:1:0.32 mole/mole/mole). Η μελέτη των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών των συστημάτων αυτών όπως είναι η μέση υδροδυναμική διάμετρος, η πολυδιασπορά και το ζ-δυναμικό τους, πραγματοποιήθηκε με τη χρήση DLS (Dynamic Light Scattering Nano-ZS Malvern UK) στους 25°C. Ο προσδιορισμός της ποσοστιαίας απελευθέρωσης της καλσείνης (% Cumulative calcein release) έγινε μετά από επώαση των δειγμάτων στους 37°C μέσα σε διάστημα 32h, υπολογίζοντας το ποσοστό συγκράτησης της καλσείνης (Latency %) σε καθορισμένα χρονικά διαστήματα με μέτρηση του φθορισμού (FL) της ουσίας. Στη συνέχεια τα αποτελέσματα αποδόθηκαν αναλυτικά σε διαγράμματα LATENCY% και RETENTION% σε συνάρτηση με το χρόνο με σκοπό να δημιουργηθεί ένα ολοκληρωμένο προφίλ για κάθε λιποσωμική δομή. Τέλος κατασκευάστηκαν διαγράμματα RELEASE% σε συνάρτηση με το χρόνο. Όπως αναμενόταν η διπλοστοιβάδα των PEG-λιποσωμάτων είναι πιο σταθερή σε σχέση με την διπλοστοιβάδα των λιποσωμάτων χωρίς PEG με αποτέλεσμα την ελάττωση της διαπερατότητας της λιπιδικής μεμβράνης. Η ίδια υπόθεση έγινε και στην περίπτωση που στα λιποσώματα προστέθηκε χοληστερόλη, όπου η αύξηση της συγκέντρωσης της χοληστερόλης οδήγησε σε αύξηση της ακεραιότητας της διπλοστοιβάδας τους. Τέλος μια εξίσωση-πρότυπο τριών παραμέτρων κατασκευάστηκε και τροποποιήθηκε κατάλληλα έτσι ώστε να περιγράψει με ακρίβεια τα πειραματικά αποτελέσματα. Οι παράμετροι Kon, Koff περιγράφουν την σύνδεση και την αποσύνδεση των μορίων της καλσείνης από τη λιποσωμική δομή και σε συνδυασμό με την παράμετρο Ks καθορίζουν την απελευθέρωση των μορίων της. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε η συνάρτηση Weibull, μια σαφώς απλούστερη συνάρτηση σε σχέση με την συνάρτηση τριών παραμέτρων που χρησιμοποιήσαμε αρχικά, έτσι ώστε να καθοριστεί ενδελεχώς ο ρόλος της διάχυσης στα συστήματα λιποσωμάτων που παρασκευάσαμε. Επόμενο βήμα ήταν η επεξεργασία των δύο αυτών συναρτήσεων με την τεχνική Monte Carlo, ώστε να εξαχθεί μια εκτίμηση για την τυπική απόκλιση των παραμέτρων των συναρτήσεων. Τα αποτελέσματα υπέδειξαν την ιδανικότερη τεχνική/μέθοδο προσαρμογής που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για κάθε λιποσωμική δομή που παρασκευάσαμε. / Calcein also known as Fluorexon/Fluorescein is a water-soluble substance with low molecular weight. Calcein used as a model-molecule of highly water-soluble drugs in a wide range of applications in pharmaceutics and chemistry. It’s usefulness is due to the fact that fluorescence self-quenches in high concentrations and so it’s release from liposome systems could monitor with ease. Liposomes are vesicles with particle size from 0.05 to 5μm. Liposome structures are at the heart of scientific interest for many years, as they are used as widely in drug delivery systems and have enhanced their performance in biota. Studies in liposomes, focused on the performance of bio-active substances for the following reasons: 1. Weakness of them to achieve the appropriate concentration in the appropriate area. 2. High cytotoxicity and 3. Problems that appears during their administration (f.i. low solubility). The objective of the current study, is to mathematically model and study the release kinetics of calcein molecules (that work as a hydrophilic drug model) from liposome structures with different compositions when cholesterol and polyethylene-glycol determines physicochemical properties and retentions of calcein molecules. Specifically, SUV-liposomes prepared with the thin-film hydration method which encapsulate calcein molecules of high concentration (100mM), were used. Their size was decreased by applying probe sonication for 15min. Phosphatidylcholine (PC), Cholesterol (Chol) and polyethelene-glycol 2000 (PEG) were used in different concentrations (PC, PC/Chol 4:1, 2:1 and 1:1 mole/mole) and (PC/Chol/PEG 2:1:0.04, 2:1:0.08, 2:1:0.16 and 2:1:0.32 mole/mole/mole). Study of vesicle physicochemical characteristics such as z-size, pdi and z-potential, was carried out by DLS (Nano-ZS Malvern UK) at 25°C. Determination of the percentage of Cumulative calcein release taking place during incubation of vesicles at 37°C for up to 32h. Fluorescence Intensity (FL) measurements were performed to estimate the restraint percentage of calcein molecules. Subsequently, final results were attributed to analytical plots (LATENCY % AND RETENTION % with time), in order to create a completed profile for every liposome structure. Finally, results summarized into release curves dependent on time. As expected, the lipid bilayer of PEGylated liposomes was more stable than bilayer of liposomes without PEG coating and as a result the permeability of the later formulation decreased. This was also the case when Chol was included in the liposome membrane; vesicle integrity increased with increasing Chol concentration. A model three-parameter equation was used and modified in appropriately in order to describe the experimental results with accuracy. Parameters Kon, Koff (rate constants of association and disassociation, respectively) and Ks were used to describe the cumulative release of calcein over time, for each formulation study. Subsequently, we use Weibull function, clearly a simpler function in relation to the three-parameters function used initially, in order to determine thoroughly the role of diffusion systems liposome preparations. Next step was the processing of these two functions with Monte Carlo technique in order to extract an estimation of the Standard Deviation (SD) of the parameters of the functions. Results indicated the ideal technique/method of fitting, that could be used for each liposomal structure prepared.

Λόγω της έξαρσης της τεχνολογικής ανάπτυξης ο όγκος των πληροφοριών σήμερα είναι τεράστιος και έχει δημιουργήσει την ανάγκη για την ανάλυση και την επεξεργασία των δεδομένων ώστε, μετά την επεξεργασία, να μπορούν να μετατραπούν σε χρήσιμες πληροφορίες και να μας βοηθήσουν στη λήψη αποφάσεων. Οι τεχνικές εξόρυξης δεδομένων σε συνδυασμό με τις στατιστικές μεθόδους αποτελούν σπουδαίο εργαλείο για την ανάκτηση των συγκεκριμένων πληροφοριών. Η χρήση αυτών των πληροφοριών βοηθά στη μελέτη και κατ’επέκταση στην εξαγωγή των συμπερασμάτων για το χαρακτηριστικό που εξετάζεται. Ένας τομέας που παρουσιάζει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον, λόγω του όγκου των πληροφοριών που συσσωρεύει καθημερινά, είναι το χρηματιστήριο. Η εξόρυξη γνώσης από τα δεδομένα με σκοπό την όσο το δυνατόν «σωστή» πρόβλεψη μπορεί να αποφέρει πολύ μεγάλο κέρδος και αυτός είναι ένας λόγος για τον οποίο πολλές επιχειρήσεις έχουν επενδύσει στην τεχνολογία των πληροφοριών.Η παρούσα εργασία εδράζεται στο πλαίσιο της γενικής προσπάθειας τεχνικής ανάλυσης χρηματιστηριακών δεδομένων, εστιάζοντας παράλληλα στην ανάλυση με τη χρήση τεχνικών εξόρυξης. Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση των χρηματιστηριακών δεδομένων (χρονοσειρών) χρησιμοποιώντας τεχνικές εξόρυξης που μπορούν να βοηθήσουν στη λήψη των αποφάσεων. Συγκεκριμένα, στους στόχους της εργασίας περιλαμβάνεται η ομαδοποίηση παρόμοιων μετοχών, η εύρεση της κατηγορίας των μετοχών στην οποία μπορεί να ανήκει μία νέα μετοχή και η πρόβλεψη των μελλοντικών τιμών. Οι μελέτες αυτές εκτός από το χρηματιστήριο, μπορούν να εφαρμοστούν επίσης για την αναγνώριση των προτύπων, τη διαχείριση του χαρτοφυλακίου και τις χρηματοπιστωτικές αγορές. / The rapid development of technology has led to a large increase in the volume of information, creating the need for data analysis and processing. After processing, these data can be transformed into useful information that can help us to make decisions. The data mining techniques combined with the statistical methods are important tools for the recovery of such information. This information helps us to study the features and to extract information about them. The stock market is one of the greatest research areas of interest due to the volume of the information that accumulates daily. Knowledge extraction from data aiming the best possible prediction could yield significant profit, thus making information technology a magnet for corporate investment. This thesis is based on the general effort of technical analysis for stock market data, while focusing on analysis using data mining techniques. The present thesis aims to analyze stock data (time series) by applying data mining techniques which enable decision making. Specifically, the objectives of the work include the grouping of similar stocks, the determination of the class in which a new stock may belong and the prediction of the closing values of the stocks. Apart from the stock market, these studies can also be applied for the pattern recognition, portfolio management and financial markets.

Η διενέργεια εμβιομηχανικών μελετών σε μοντέλο με τη βοήθεια ηλεκτρονικών υπολογιστών βρίσκεται σήμερα σε προχωρημένο στάδιο εξέλιξης. Σε αυτή την εξέλιξη κεντρική θέση κατέχουν λογισμικά δύο κατηγοριών. Στην πρώτη κατηγορία κατατάσσονται τα λογισμικά εμβιομηχανικής προσομοίωσης του ανθρωπίνου σώματος και στη δεύτερη κατηγορία τα λογισμικά ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων. Σε αυτή τη Μεταπτυχιακή Εργασία έγινε μία προσπάθεια διερεύνηση της συνεργασίας των δύο αυτών κατηγοριών λογισμικού με την κινηματική μελέτη ενός οσφυϊκού σπονδύλου και την ανάλυση φορτίσεών του με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Για αυτό το λόγο επιλέχτηκαν δύο λογισμικά εμπορικά διαθέσιμα. Το λογισμικό εμβιομηχανικής προσομοίωσης Anybody modeling system και το λογισμικό ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων Ansys multiphysics. Στο Πρώτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση του λογισμικού Anybody. Πιο συγκεκριμένα. αναφέρονται τα στοιχεία εκείνα που υλοποιούν ένα μοντέλο του ανθρώπινου σώματος (τμήματα, αρθρώσεις, μύες, σύνδεσμοι) καθώς και οι μελέτες που μπορούν να εκτελεστούν δηλαδή η κινηματική και η δυναμική. Κύρια θέση κατέχει η αντιστροφή δυναμική μελέτη που χαρακτηρίζεται από την εξαγωγή συμπερασμάτων για τις δυνάμεις και τις ροπές που αναπτύσσονται σε ένα σώμα αφού έχει περιγραφεί εκ των προτέρων η κίνησή του. Στο Δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια λεπτομερής περιγραφή της ανατομίας της σπονδυλικής στήλης στην οποία αναφέρονται τα επιμέρους κοινά στοιχεία που έχουν οι σπόνδυλοι καθώς κου οι διαφορές στις διαφορετικές μοίρες της σπονδυλικής στήλης. Μετά την ανατομική περιγραφή παρατίθεται η εμβιομηχανική θεώρηση της κατασκευής της οσφυϊκής μοίρας της σπονδυλικής στήλης, αναλύοντας τα επιμέρους δομικά στοιχεία από μηχανική άποψη και η λειτουργικότητά τους. Στο Τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η κατασκευή ενός μοντέλου της σπονδυλικής στήλης στο λογισμικό Anybody το οποίο υποβάλλεται σε κινήσεις κάμψης, έκτασης, πλάγιας κάμψης και στροφής και επιχειρείται ο σχολιασμός των ευρημάτων. Τέλος, στο τέταρτο κεφάλαιο τα δεδομένα τα οποία παράγει η αντίστροφή μελέτη και συγκεκριμένα οι φορτίσεις που δέχεται ο Ο5 σπόνδυλος κατά τις κινήσεις στις οποίες υποβάλλεται η οσφυϊκή μοίρα χρησιμοποιούνται ως δεδομένα εισόδου για την ανάλυση του Ο5 σπόνδυλο με το λογισμικό μηχανικής ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων ANSYS. Συνοψίζοντας, η συνεργασία των δύο λογισμικών αποδείχθηκε εφικτή και πρόσφορη. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία αναπτύχθηκε η βασική τεχνογνωσία ως προς την χρήση του λογισμικού Anybody Modeling System και την συστηματοποίηση της διασύνδεσης του με το λογισμικό Ansys με αποτέλεσμά να αποτελεί την βάση για περαιτέρω εργασίες. / The conduction of biomechanical studies on models with the aid of computers is currently at an advanced stage. In this essay, the central position is hold by two software categories. In the first category are classified various software of biomechanical simulation of the human body and in the second category are classified the software for the finite element analysis. In this Master Thesis was made an attempt to explore the cooperation of these two kinds of software. For this reason, two commercially available softwares were selected. The biomechanical simulation was performed using the Anybody Modeling System software and the finite element analysis was performed using the Ansys Multiphysics software. In the first chapter the use of the Anybody software was presented. More specifically, those elements that implement a model of the human body (segments, joints, muscles, ligaments) as well as studies that can be performed i.e. the kinematics and dynamics studies were discussed in details. The inverse dynamics study has been characterized as the main feature of the software allowing to explore the resulting forces and torques developed in a body during the in advance described movement. The second chapter includes a detailed description of the anatomy of the spine. After the anatomical description the biomechanical approach is presented, analyzing each individual component from engineering point of view as well as their functionality. The third chapter describes the construction of a model of the spine in the Anybody software that is subjected to flexion, extension, lateral bending and rotation along with the results. Finally, in the fourth chapter the data that produces the inverse study namely the loads applied to the L5 vertebra during each movement performed by the lumbar spine are used as input data for the mechanical analysis of L5 vertebra with the finite element analysis software ANSYS. As a conclusion, the collaboration of these two software programmes proved to be feasible and appropriate. In this master thesis the basic knowledge in the use of software Anybody Modeling System has been developed and an interface with the software Ansys has been built thus forming the basis for further work.

Κατά την διάρκεια των αμέσως προηγούμενων δεκαετιών, η οικοδομική βιομηχανία ενσωμάτωσε τα πολυμερή και τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας στο φάσμα των μεθόδων και υλικών που χρησιμοποιεί για ένα μεγάλο αριθμό εφαρμογών. Τα υλικά πολυμερικής μήτρας μπορούν είτε να εφαρμοστούν σε υφιστάμενα στοιχεία των κατασκευών (π.χ. ελάσματα άνθρακα σε στοιχεία από οπλισμένο σκυρόδεμα) ή μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την αντικατάσταση συμβατικών δομικών υλικών (π.χ. αντικατάσταση ράβδων χάλυβα με ράβδους υάλου ή άνθρακα). Εφόσον το σκυρόδεμα είναι ένα από τα πιο σημαντικά σύγχρονα οικοδομικά υλικά, έχει διεξαχθεί εκτεταμένη έρευνα στον τομέα της χρήσης πολυμερών για την βελτίωση των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων του. Δύο κύριες στρατηγικές έχουν ακολουθηθεί: Η πρώτη στρατηγική δεν αλλοιώνει την τσιμεντοειδή μήτρα του υλικού. Δυο κατηγορίες έχουν προκύψει από την εφαρμογή αυτής της στρατηγικής : το εμποτισμένο με πολυμερή σκυρόδεμα (Polymer Impregnated Concrete (PIC) και το τροποποιημένο με πολυμερή σκυρόδεμα (Polymer Modified Concrete (PMC). Το PIC είναι σκυρόδεμα που μετά την σκλήρυνση του έχει εμποτιστεί με ένα πολυμερές χαμηλού ιξώδους ενώ το PMC είναι ένα σκυρόδεμα στην μάζα του οποίου, ενώ βρίσκεται ακόμα στην ρευστή φάση, έχουν προστεθεί πολυμερή. Η δεύτερη στρατηγική η τσιμεντοειδής μήτρα του σκυροδέματος αντικαθίσταται εντελώς από μια πολυμερική μήτρα. Το παράγωγο αυτής της διαδικασίας ονομάζεται πολυμερικό σκυρόδεμα {Polymer Concrete (PC)}. Αυτή η εργασία είναι μια πειραματική διερεύνηση των μηχανικών ιδιοτήτων πολυμερικού σκυροδέματος που αποτελείται από εποξειδική ρητίνη και μαρμαρόσκονη, που από κοινού θα αποτελούν την υβριδική μήτρα του υλικού, και διάφορους τύπους ενίσχυσης όπως ίνες υάλου, σφαιρίδια υάλου και ίνες χάλυβα. Οι μηχανικές ιδιότητες (μέτρο ελαστικότητας και αντοχή) των υλικών διερευνήθηκαν υπό συνθήκες κάμψης τριών σημείων (TPB) ενώ αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε ένα εμπειρικό μοντέλο σε μια προσπάθεια να υπολογιστεί η μεταβολή του μέτρου ελαστικότητας συναρτήσει της περιεκτικότητας σε ενίσχυση. Επιπρόσθετα, η δομή των υλικών που κατασκευάστηκαν διερευνήθηκε με την μέθοδο της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (Scan Electron Microscopy - SEM). Τα πολυμερή είναι γνωστό ότι υφίστανται έντονη υποβάθμιση των μηχανικών τους ιδιοτήτων υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών. Για τον λόγο αυτό ακολουθήθηκε μια πειραματική διαδικασία ώστε να διερευνηθεί ποσοτικά η έκταση αυτής της υποβάθμισης όταν το υλικό υποβληθεί σε μια ανοικτή φλόγα αερίου (βουτανίου/προπανίου). Επιπροσθέτως, διερευνήθηκε η επίδραση της περιεκτικότητας σε ενίσχυση στον περιορισμό της έκτασης της υποβάθμισης, ενώ έγινε προσπάθεια για την ανάπτυξη και εφαρμογή μοντέλων για την πρόβλεψη της υποβάθμισης που προκαλείται υπό διαφορετική χρονική διάρκεια έκθεσης στην φλόγα.Τέλος, και εξαιτίας του γεγονότος ότι τα πολυμερή χαρακτηρίζονται από έντονη βισκοελαστική συμπεριφορά, διεξήχθη μια πειραματική διαδικασία (χαλάρωση υπό συνθήκες κάμψης τριών σημείων) με σκοπό να μελετηθούν οι βισκοελαστικές ιδιότητες των υλικών που κατασκευάστηκαν. Παράλληλα, αναπτύχθηκαν και εφαρμόστηκαν μοντέλα που μπορούν να αναπαράγουν την βισκοελαστική συμπεριφορά τους. / During last decades, building industry has incorporated polymers and polymer matrix composites in the spectrum of the available methods and materials for a number of applications. Polymers matrix composites can either be applied on existing structure members (e.g. carbon fiber plates on concrete beams) or they can be used to substitute traditional building materials (e.g. glass or carbon fibers rebars substituting concrete reinforcement steel rebars). Since concrete is one of the most important modern building materials, quite extensive research has been made in the field of enhancing its properties by the use of polymers. Two main strategies have been followed. First strategy does not alter the cementious composition of the material. Two main categories are derived from this approach: Polymer Impregnated Concrete (PIC) and Polymer Modified Concrete (PMC). PIC is hardened concrete which is impregnated by a low-viscosity polymer, while PMC is a cementious concrete which, when still in liquid phase, polymers are added in its mass. In the second strategy, cementious matrix is totally replaced by a polymer. The product of these procedure is called Polymer Concrete (PC). This work is an experimental investigation of a polymer concrete material consisting of a polymer epoxy matrix and marble sand, serving as a hybrid matrix, and various types of reinforcements, namely short E-glass fibers, E-glass beads and short stainless steel fibers. The mechanical properties (stiffness and flexural strength) of the materials are investigated by means of three-point bending tests (TPB) and a empirical model is developed and applied in order to reproduce the stiffness variation due to variation of the reinforcement content. Additionally, scan electron microscopy (SEM) was used in order to investigate the structure of the materials that were manufactured. Since polymers are known to exhibit high degradation of their mechanical properties under elevated temperatures, an experimental scheme was conducted to investigate, in a quantitative manner, the extend of degradation that an open gas flame causes to the materials manufactured. The role of reinforcement content in limiting mechanical degradation was studied. Additionally, an effort was made to develop and apply models capable of predicting degradation at different exposure to flame time periods. Finally, and due to the fact that polymers are characterized by strong viscoelastic behavior, an experimental procedure was conducted in order to investigate relaxation behavior of the materials manufactured and tested. Relaxation experiments were conducted on material specimens and the results were used to apply and validate a number of models used to reproduce their viscoelastic behavior.

Τα τελευταία χρόνια η αυξανόμενη σημασία της πληροφορίας και της συνεχιζόμενης μάθησης έχει καταστήσει τη χρήση των τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνιών (Τ.Π.Ε.) στην εκπαίδευση καθώς και την εξ αποστάσεως εκπαίδευση μέσω e-learning συστημάτων, ως επιτακτική ανάγκη. Το κυριότερο πλεονέκτημα των e-learning συστημάτων είναι ότι παρέχουν τη δυνατότητα στον κόσμο να παρακολουθήσει ένα μάθημα, ακόμα κι ένα ολόκληρο πρόγραμμα σπουδών εξ αποστάσεως, μέσω της σύγχρονης και παγκοσμίως πλέον διαδεδομένης μεθόδου των online courses. Τα περισσότερα μεγάλης εμβέλειας και αναγνωρισιμότητας, πανεπιστήμια του εξωτερικού προσφέρουν online μαθήματα μέσω τεχνολογιών του διαδικτύου, χρησιμοποιώντας διαφάνειες, βιντεο-διαλέξεις και online εκπαιδευτικές δραστηριότητες. Ένας τομέας όμως στον οποίο υστερεί η εκπαίδευση εξ αποστάσεως, ακόμα και στα πιο πρόσφατα ανεπτυγμένα e-learning συστήματα, είναι ο τομέας της προσωποποίησης του σπουδαστή και εξατομίκευσης του συστήματος στις ανάγκες του. Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει τις δυνατότητες που παρέχονται από τα ήδη υπάρχοντα συστήματα e-learning, την τωρινή κατάσταση με τα παρεχόμενα online μαθήματα από πανεπιστήμια του εξωτερικού και το ερευνητικό κενό που υπάρχει σχετικά με την «προσωποποίηση» (personalization) του σπουδαστή και την προσαρμογή (adaptation) του συστήματος στις ανάγκες του. Μελετάται η μοντελοποίηση του χρήστη (user modeling), τα μαθησιακά προφίλ, ο εμπλουτισμός του προφίλ του σπουδαστή ώστε να παρέχει περισσότερες και αξιόλογες πληροφορίες, καθώς και οι δυνατότητες εξατομίκευσης του συστήματος στον εκάστοτε σπουδαστή, ώστε να επιτευχθεί η επιτάχυνση και αποτελεσματικότητα της ηλεκτρονικής μάθησης. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα σύστημα ηλεκτρονικής μάθησης, το οποίο στηρίζεται στο λογισμικό Moodle και έχουν αναπτυχθεί σε αυτό, νέες υπηρεσίες εξατομίκευσης και προσαρμοστικότητας του συστήματος στις ανάγκες και προτιμήσεις του εκπαιδευομένου. Το Moodle LMS (Modular Object Oriented Dynamic Learning Environment) είναι ελεύθερο λογισμικό διαχείρισης εκπαιδευτικού περιεχομένου και χρησιμοποιείται από πολλά πανεπιστήμια παγκοσμίως. Είναι ευέλικτο, εύκολο στην εκμάθηση και αρκετά ασφαλές για την ασύγχρονη εκπαίδευση από απόσταση. Ενσωματώνει πληθώρα λειτουργιών και δυνατοτήτων που επιτρέπουν στο διδάσκοντα να διαμορφώσει ένα καλά οργανωμένο και ευχάριστο μάθημα με ευρεία κλίμακα δραστηριοτήτων. Στο εξατομικευμένο και προσαρμοστικό σύστημα ηλεκτρονικής μάθησης που αναπτύχθηκε, διαμορφώθηκε ένα μάθημα με πλούσιο εκπαιδευτικό υλικό, το οποίο απαρτίζουν πολλά και διαφορετικού τύπου μαθησιακά αντικείμενα (πηγές πληροφόρησης, δραστηριότητες, κ.α.). Εμπλουτίστηκε το προφίλ χρήστη με περισσότερες προσωπικές πληροφορίες γι αυτόν και στη συνέχεια αναπτύχθηκαν μαθησιακά μονοπάτια που στηρίζονται είτε στα πεδία προφίλ χρήστη, είτε στο μαθησιακό στυλ του εκπαιδευομένου, είτε σε άλλους παράγοντες που παρουσιάζονται αναλυτικά στην εργασία. Για την εξατομίκευση του συστήματος αναπτύχθηκε μία ενότητα «Pre-course test» η οποία περιλαμβάνει δύο νέες υπηρεσίες για την άντληση πληροφοριών του χρήστη, μορφωτικό υπόβαθρο, μαθησιακό στυλ, προηγούμενη γνώση στο αντικείμενο του μαθήματος κ.α. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από εκεί, αξιοποιούνται κατάλληλα για τη διαμόρφωση ομάδων των εκπαιδευομένων και για τις υπηρεσίες προσαρμοστικότητας του συστήματος. Επίσης, στο διαδικτυακό αυτό σύστημα ηλεκτρονικής μάθησης έχουν αναπτυχθεί μαθησιακά αντικείμενα που ενισχύουν στη συνεργατική μάθηση, βελτιώνουν την ποιότητα του μαθήματος και έτσι αυξάνεται το κίνητρο του σπουδαστή. / Nowdays, e-learning environments have become increasingly popular in educational establishments. The rapid growth of e-learning has changed traditional learning behavior and presented a new situation to both educators (lecturers) and learners (students). The majority of current e-learning systems are based on Learning Management Systems (LMS), which allow students attending courses free from space and time limitations. They can attend the class anytime they are available and regardless of the place. LMS are web-based educational systems that offer students an active role in their own education through a variety of learning activities and different kinds of learning content, that the educator has produced. Although this fact, most Learning Management Systems lack of personalization and adaptivity features. The modern trend in education is the production and organization of Massive Open Online Courses (MOOCs) from large and internationally recognized Universities. So, they focus on gathering too many people in these courses (MOOCs) and not on personalization and adaptivity. Personalization in web-based systems means “attention to the user and his needs”. Web-based systems, such as e-commerce sites, focus on personalization by observing the user, his common actions and navigation paths, in order to understand his preferences and what he is looking for. So they differentiate each individual according to his interests, preferences, and generally his “profile”. Then, they adapt the content appropriately to his needs, and the user watches first the content that may interest him. Traditional and commonly used e-learning platforms offer to their users same educational content, same learning activities and possibilities, and generally exactly the same content, with no further personalization support. Some existing open source e-Learning systems may support, under certain circumstances adaptation and personalization features, but need extension and elaboration to acquire sufficiently these characteristics. Especially in the case of distance learning, that teacher and students have no face-to-face communication, learner’s personalization is essential in order the teacher to be aware of each learner’s characteristics. In e-learning systems, personalization could be achieved with an integrated user profile (student profile), which would include except from the classic information (name, surname, email) more specific and useful information. If the teacher had more information about each student, he could be able to guide him more effectively and evaluate him more correctly. In addition to that, if teacher was aware of each learner’s profile, meaning his learning style, interests, preferences and his previous knowledge of the course topics, he would be able to adapt the learning content to his needs. That would increase student’s satisfaction, motivation and consequently his participation in the course. In this master thesis, a personalized and adaptive e-learning system has been developed. The development of this integrated personalized e-learning system, is based on a very popular open source LMS, which in this case is used for further extension and development of new features. The most suitable LMS for implementing those new features is Moodle (Modular Object-oriented Dynamic Learning Environment), due to its modularity and extensibility as well as its vast community of users. There have been added new features in order to enrich student’s profile and adjust learning material to the learner, depending on his profile and learning progress. The teacher has the ability to organize suitable learning objects and learning paths for each student, depending on particular user profile fields, learning styles and student’s performance. This personalized and adaptive e-learning system increases student’s motivation and participation.

In the present thesis a novel numerical approach for the optimization of composite structures fabricated from woven composite materials is developed. The aim is to increase the ultimate strength of the structure while at the same time decreasing its weight. The numerical approach is based on a combination of the numerical algorithm of progressive damage modelling (PDM), along with shape optimization (SO) in an iterative subroutine. PDM, which is comprised of three steps, namely stress analysis, failure analysis and material property degradation, is used to predict the initiation and propagation of failure in the structure. During the phase of SO certain geometrical parameters are varied within limits in order to minimize the stresses that lead the structure to ultimate failure as indicated by PDM results. Finally the resulting geometry is solved with PDM to ensure the enhancement in the ultimate strength and the decrease in ultimate weight. Within the frame of this approach, a new methodology for the numerical modeling and the simulation of mechanical behavior of woven composite materials is proposed. The highly inhomogeneous nature of woven composite materials in the micro-scale is taken under consideration to create accurate representative volume element (RVE) FE models which represent the actual material. Then PDM is used for the simulation of their mechanical response. The calculated properties, in terms of stiffnesses and strengths, are then inserted as inputs in the global FE model of the composite structure. Additionally, the reliability and applicability of a continuum damage model (CDM), in comparison with cohesive zone model (CZM), are assessed in order to use the CDM for the modeling of the adhesive’s mechanical behavior. The mentioned numerical approach is applied in an H-shaped joining element fabricated from two different woven composite materials for the loading case of tension. In the first case NCF composite is used while in the second case the joint is made of 3D fully interlaced weave (FIW) composite. The purpose of the H-shaped element is the joining of two composite plates via the method of adhesive bonding. / Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος αριθμητικής βελτιστοποίησης δομικών στοιχείων από σύνθετα υλικά με σκοπό την αύξηση της αντοχής τους. Η μέθοδος βασίζεται σε έναν αριθμητικό αλγόριθμο Προοδευτικής Εξέλιξης της Βλάβης (ΠΕΒ) και τη Βελτιστοποίηση Σχήματος (ΒΣ) τα οποία συνδυάζονται σε μια επαναληπτική υπό-ρουτίνα. Στην ΠΕΒ περιλαμβάνονται τα βήματα της ανάλυσης τάσεων, ανάλυσης αστοχίας και υποβάθμιση των ιδιοτήτων των στοιχείων. Η χρησιμότητα της έγκειται στην πρόβλεψη της έναρξης και εξέλιξης της αστοχίας στο δομικό στοιχείο κάτι απαραίτητο για την κατανόηση της μηχανικής συμπεριφοράς. Η ΒΣ έχει ως σκοπό την μεταβολή συγκεκριμένων γεωμετρικών παραμέτρων για να επιτευχθεί ελαχιστοποίηση των κρίσιμών τάσεων που προκύπτουν από τα αποτελέσματα της ΠΕΒ και οδηγούν στην αστοχία του στοιχείου. Παράλληλα, για την μοντελοποίηση και τον υπολογισμό των μηχανικών ιδιοτήτων πρωτότυπων πλεγμένων σύνθετων υλικών προτείνεται καινούργια μια μεθοδολογία η οποία λαμβάνει υπ’ όψιν την υψηλή ανομοιογένεια των υλικών στην μικρό-κλίμακα για να υπολογίσει τις ιδιότητες τους. Η μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε ένα νέο συνδετικό στοιχείο σχήματος H κατασκευασμένο από δύο διαφορετικά πλεγμένα σύνθετα υλικά, τα μη πτυχωτά και τα τρισδιάστατα πλεγμένα σύνθετα υλικά, για την περίπτωση του εφελκυσμού. Σκοπός του συνδέσμου είναι η ένωση δύο πλακών από σύνθετα υλικά χρησιμοποιώντας κόλλα. Αρχικά το μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων του συνδέσμου δημιουργείται και επιλύεται με την μέθοδο ΠΕΒ. Για την προσομοίωση της μη-γραμμικής συμπεριφοράς της κόλλας αναπτύσσεται ένα δι-γραμμικό μοντέλο. Για την προσομοίωση της πλήρης μηχανικής συμπεριφοράς των μη πτυχωτών και τρισδιάστατα πλεγμένων συνθέτων υλικών, αναπτύσσεται μια διαδικασία η οποία περιλαμβάνει τα βήματα της γεωμετρικής μοντελοποίησης, της κατασκευής του μοντέλου πεπερασμένων στοιχειών και την επίλυση αυτού με την μέθοδο ΠΕΒ. Τα αποτελέσματα, σε όρους διαγραμμάτων τάσεων-παραμορφώσεων, χρησιμοποιούνται ως δεδομένα στο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων του συνδέσμου το οποίο επιλύεται και υπολογίζεται το διάγραμμα δύναμης-μετατόπισης. Στην συνέχεια, λαμβάνει μέρος η γεωμετρική βελτιστοποίηση βασιζόμενη στα αποτελέσματα της επίλυσης της αρχικής γεωμετρίας. Σε αυτό το σημείο επιλέγεται η μεταβλητή προς ελαχιστοποίηση στην διαδικασία της βελτιστοποίησης. Το μέγεθος αυτό ονομάζεται Συνάρτηση Σκοπού (ΣΣ) και ορίζεται ως ο συντελεστή βλάβης που ευθύνεται για την τελική αστοχία του δομικού στοιχείου. Ως ένα επιπλέον κριτήριο για την επιλογή της βέλτιστης γεωμετρίας επιλέγεται η μείωση βάρους δεδομένου ότι πρόκειται για αεροπορική κατασκευή. Η γεωμετρία που ελαχιστοποιεί την συνάρτηση σκοπού και ταυτόχρονα είναι ελαφρύτερη από την αρχική, επιλέγεται ως η τελική γεωμετρία. Τέλος, γίνεται η επιτυχής επικύρωση της βελτιστοποίησης με την σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων μεταξύ της αρχικής και τελικής γεωμετρίας. Η μεθοδολογία της ΠΕΒ εφαρμόζεται στην τελική γεωμετρία και τα διαγράμματα δύναμης μετατόπισης συγκρίνονται για να διαπιστωθεί η αύξηση στο μέγιστο φορτίο που μπορεί να φέρει το συνδετικό στοιχείο πριν την τελική αστοχία.

Η μοριακή αρχιτεκτονική και ο σχεδιασμός πολύπλοκων μορίων που περιέχουν φουλλερένια αντιπροσωπεύει ένα πεδίο της υπερμοριακής επιστήμης στο οποίο προσφάτως αναπτύσσεται έντονη ερευνητική δραστηριότητα. Η κατάλληλη «χημική τροποποίηση του φουλλερένιου» έχει οδηγήσει στον σχηματισμό μιας μεγάλης ποικιλίας υγροκρυσταλλικών παραγώγων του. Στην παρούσα διατριβή, με την εισαγωγή μιας απλής μοριακής θεωρίας του συναρτησιακού της πυκνότητας και με υπολογιστικές προσομοιώσεις, προσπαθούμε να συνδέσουμε την αυτοοργάνωση που εκδηλώνουν αυτά τα συστήματα με την μοριακή τους δομή και τις διαμοριακές αλληλεπιδράσεις. Στο πρώτο κεφάλαιο κάνουμε μια αναδρομή στο μόριο φουλλερένιο και στις χημικές δομές αυτού, που παρουσιάζουν ενδιαφέρον σε σχέση με υγροκρυσταλλική συμπεριφορά. Παρουσιάζουμε εν συντομία, με μια φαινομενολογική περιγραφή και ταξινόμηση, τις υγροκρυσταλλικές φάσεις που θα συναντήσουμε στα επόμενα κεφάλαια. Τέλος, αναφερόμαστε στις μεθόδους που χρησιμοποιούμε για τη θεωρητική μελέτη φουλλερενικών υγρών κρυστάλλων. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η στατιστική μηχανική και θερμοδυναμική εύκαμπτων μεγαλομοριακών συστημάτων. Προχωράμε στη διατύπωση της ακριβούς έκφασης της ελεύθερης ενέργειας Helmholtz στην κανονική συλλογή (NVT) για ένα μονοσυστατικό σύστημα εύκαμπτων μεγαλομορίων. Εισάγουμε την προσέγγιση των αλληλομετατρεπόμενων μοριακών «σχημάτων», ομαδοποιώντας τις μοριακές διαμορφώσεις σε έναν ορισμένο αριθμό «σχημάτων», ορίζουμε τη συνάρτηση κατανομής του ενός μορίου και αναπτύσσουμε την ελεύθερη ενέργεια σε σειρά χρησιμοποιώντας τη θεωρία των μεταβολών. Λαμβάνουμε μια προσεγγιστική έκφραση για την ελεύθερη ενέργεια κρατώντας τους όρους που προέρχονται από δυάδες ταυτόχρονα αλληλεπιδρώντων μορίων, αγνοώντας τους υπόλοιπους όρους. Δίνουμε τις αντίστοιχες εκφράσεις ανάλογα με τις συμμετρίες της υγρο-κρυσταλλικής φάσης, για τη μελέτη μοριακών συστημάτων των οποίων τα μόρια μπορούν να λαμβάνουν διάφορα σχήματα. Αναπτύσσουμε τις θερμοδυναμικές εκφράσεις για την περιγραφή των μετατροπών φάσης. Να σημειώσουμε ότι η συνάρτηση κατανομής του ενός μορίου είναι γινόμενο δύο παραγώντων: ο πρώτος όρος σχετίζεται με την πιθανότητα εύρεσης του απομονωμένου μορίου σε ορισμένο «σχήμα» και ο δεύτερος με την πιθανότητα εύρεσης του μορίου σε ορισμένο «σχήμα» και διευθέτηση στο υλικό. Γενικεύουμε την παραπάνω μεθοδολογία, στη μελέτη συστημάτων που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα είδη εύκαμπτων μορίων. Στο τρίτο κεφάλαιο εφαρμόζουμε την θεωρία των αλληλομετατρεπόμενων σχημάτων, για τη μελέτη της φασικής συμπεριφοράς τηγμάτων αδροποιημένων φουλλερενικών υγρών κρυστάλλων. Κάθε μόριο φουλλερενικού υγρού κρύσταλλου (ΥΚ) υποδιαιρείται σε έναν αριθμό τμημάτων ορισμένου τύπου. Εισάγουμε τρείς τύπους τμημάτων που αντιστοιχούν σε φουλλερενικές μονάδες, σε μεσογόνες μονάδες και σε μη μεσογόνες ή συνδετικές ομάδες. Η διαμοριακή αλληλεπίδραση υπολογίζεται με άθροιση επάνω σε όλα τα δυνατά ζεύγη τμημάτων μεταξύ δύο μορίων. Η κίνηση και η περιστροφή των μορίων θεωρούμε ότι πραγματοποιείται σε ένα κυβικό πλέγμα, και η μοριακή ευκαμψία εισάγεται επιπτρέποντας να λαμβάνουν έναν ελάχιστο αριθμό αντιπροσωπευτικών μοριακών σχημάτων, στο πλαίσιο της αναπαράστασής τους στο κυβικό πλέγμα. Πραγματοποιούνται υπολογισμοί για μια ποικιλία μοριακών αρχιτεκτονικών, που περιλαμβάνουν φουλλερενικούς ΥΚ με δίδυμους μεσογόνους βραχίονες, φουλλερενικούς ΥΚ με δίδυμους δενδριτικούς βραχίονες, και κωνικούς ή πυραμιδικούς φουλλερενικούς ΥΚ με απευθείας συνδεδεμένα μεσογόνα στην επιφάνεια του φουλλερένιου. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί αναπαράγουν σε εντυπωσιακά καλή συμφωνία τον υγροκρυσταλλικό πολυμορφισμό; τα σύνορα ευστάθειας των υγροκρυσταλλικών φάσεων, καθώς και η μοριακή οργάνωση σε αυτά, κατανοούνται με όρους διαμοριακών αλληλεπιδράσεων και μοριακής ευκαμψίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο διερευνούμε την φασική συμπεριφορά μιγμάτων άκαμπτων σωματιδίων. Τα σωματίδια κινούνται και περιστρέφονται σε ένα κυβικό πλέγμα. «Χτίζονται» από έναν ορισμένο αριθμό τμημάτων όπου καθένα έχει το μέγεθος μιας πλεγματικής κυψελίδας του κυβικού πλέγματος. Αρχικά, εξετάζουμε μίγματα αδροποιημένων φουλλερένιων (που καταλαμβάνουν μια πλεγματική κυψελίδα) με ραβδόμορφα και αλληλεπιδρούν με «σκληρές» αλληλεπιδράσεις. Διερευνούμε την εκδήλωση σμηκτικής, νηματικής ή ισότροπης συμπεριφοράς για κάθε συστατικό. Βρίσκουμε ότι εμφανίζουν σύνθετη φασική συμπεριφορά που συνίσταται στην συνύπαρξη δύο ή περισσοτέρων φάσεων εκ των οποίων μια τουλάχιστον είναι υγροκρυσταλλική (νηματική ή σμηκτική). Η σμηκτική φάση αποτελείται από διαδοχικά στρώματα ράβδων που εναλλάσσονται από υποστρώματα φουλλερένιων. Ελέγχουμε την αξιοπιστία της θεωρίας, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα που λαμβάνουμε με την υπάρχουσα βιβλιογραφία σε θεωρητικά αποτελέσματα για παρόμοια συστήματα. Διαπιστώνουμε συμφωνία ως προς την φασική συμπεριφορά και την οργάνωση μέσα στην σμηκτική φάση και προχωράμε σε προβλέψεις. Διερευνούμε τον ρόλο της «μη φιλικότητας» των σωματιδίων στην φασική συμπεριφορά, ενισχύοντας την «φοβικότητα» μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων (μέσω τροποιήσης του διασωματιδιακού δυναμικού αλληλεπίδρασης). Οι υγροκρυσταλλικές φάσεις τότε μπορούν να «υποστηρίξουν» μικρότερες ποσότητες φουλλερενίων, ενώ η σμηκτική φάση (με υποστρώματα φουλλερενίων) καθίσταται ευσταθής σε μια στενή περιοχή του διαγράμματος φάσης πίεσης - συγκέντρωσης. Στην συνέχεια εξετάσαμε μίγματα δισκόμορφων σωματιδίων και φουλλερένιων και την σχετική ευστάθεια στην εκδήλωση ισότροπης, νηματικής, σμηκτικής και κιονικής φάσης. Τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με «σκληρό» δυναμικό ενώ στην συνέχεια, εξετάζουμε και την επίδραση της «φοβικότητας» μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων στη φασική συμπεριφορά. Η σμηκτική φάση είναι απούσα σε όλες τις περιπτώσεις που εξετάσαμε; παρατηρούμε θερμοδυναμικά ευσταθείς κιονική και νηματική. Και πάλι διαπιστώνουμε ότι η ενίσχυση της «φοβικότητας» μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων έχει σαν αποτέλεσμα στις υγροκρυσταλλικές φάσεις να αναμιγνύονται μικρότερες ποσότητες φουλλερένιων. Για λόγους πληρότητας σε σχέση με τα παραπάνω συστήματα, εξετάσαμε μίγματα σωματιδίων από συστατικά που το καθένα μπορεί να εκδηλώσει ΥΚ συμπεριφορά, δηλαδή μίγματα δισκόμορφων με ραβδόμορφα σωματίδια. Τα σωματίδια αλληλεπιδρούν αποκλειστικά με «σκληρό» δυναμικό. Λαμβάνουμε ποιοτικά αποδεκτά αποτελέσματα όσον αφορά την τοπολογία του διαγράμματος φάσης στην περιοχή συνύπαρξης νηματικής καλαμιτικής και νηματικής δισκοτικής φάσης. Επιπρόσθετα προβλέπουμε την συνύπαρξη νηματικής καλαμιτικής με κιονική φάση. Τα αποτελέσματα αυτού του κεφαλαίου μπορούν να χρησιμεύσουν για την μελέτη περισσότερο πολύπλοκων συστημάτων, που θα περιλαμβάνουν μόρια τα οποία μπορούν να λάβουν περισσότερες από μια διαμόρφωση, και διαφορετική παραμετρικοποίηση στα δυναμικά αλληλεπίδρασης. Στο πέμπτο κεφάλαιο εξετάζουμε την φασική συμπεριφορά αδροποιημένων φουλλερενικών ΥΚ που περιλαμβάνουν δενδριμερή τύπου Percec. Τήγματα των παραπάνω φουλλερενικών ΥΚ εκδηλώνουν κιονική φάση. Στη μοντελοποίηση των μορίων ομαδοποιούμε τις μοριακές διαμορφώσεις σε ένα μοριακό σχήμα. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί πραγματοποιούνται σε ένα κυβικό πλέγμα. Τα μόρια αποτελούνται από ένα φουλλερένιο (που καταλαμβάνει ένα τμήμα -μια πλεγματική κυψελίδα- ) και από έναν ορισμένο αριθμό τμημάτων, για την περιγραφή του δενδριτικού μέρους του μορίου. Σε μια ευρεία περιοχή των υπολογισμένων, με τη μοριακή θεωρία, διαγραμμάτων φάσης εκδηλώνουν κιονική συμπεριφορά; τα μόρια στην κιονική φάση αυτοσυναρμολογούνται σε δισκόμορφες πεπλατυσμένες υπερμοριακές δομές οι οποίες με την σειρά τους τοποθετούνται η μια πάνω στην άλλη σχηματίζοντας κίονες. Τα αποτελέσματα αυτά είναι σε ποιοτική συμφωνία με πειραματικά αποτελέσματα ανάλογων συστημάτων. Μεταβάλλοντας τη «φοβικότητα» φουλλερένιων - δενδριτικών τμημάτων παρατηρούμε την εμφάνιση δύο σμηκτικών φάσεων που διαφέρουν στον βαθμό αλληλοδιείσδυσης των δενδριτικών μερών μέσα στο σμηκτικό στρώμα. Στην συνέχεια εξετάσαμε την επίδραση που έχει στη φασική συμπεριφορά αυτών των τηγμάτων φουλλερενικών ΥΚ η προσθήκη φουλλερένιων. Η οργανωμένη κιονική φάση του μίγματος μπορεί να υποστηρίξει μικρές ποσότητες «ελεύθερων» φουλλερενίων τα οποία διατάσσονται γύρω από τους άξονες των κιόνων. Στο έκτο κεφάλαιο εξετάζουμε την φασική συμπεριφορά μονοσυστατικών κωνικών (ή πυραμιδικών) φουλλερενικών ΥΚ με την εκτέλεση μοριακών προσομοιώσεων Monte Carlo (NVT) σε κυβικό πλέγμα. Αρχικά, εκτελούμε μοριακές προσομοιώσεις αθερμικoύ σύστηματος (με διαμοριακές αλληλεπιδράσεις στερικής άπωσης) για μια σειρά πυκνοτήτων και διαπιστώνουμε ότι το σύστημα μεταβαίνει από μια κιονική φάση στην ισότροπη. Στην συνέχεια θέτουμε την παραμετρικοποίηση των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων ίδια με εκείνη των αντίστοιχων μοριακών συστημάτων που μελετήσαμε με θεωρία στο τρίτο κεφάλαιο. Εξετάζουμε την φασική συμπεριφορά του συστήματος σε ορισμένη πυκνότητα, για μια σειρά θερμοκρασιών. Παρατηρούμε ότι εμφανίζεται μια μετατροπή φάσης, ισότροπης σε μια απολική τετραγωνική κιονική φάση τόσο κατά την ψύξη όσο και κατά την θέρμανση. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα που λαμβάνουμε δεν μπορούν να συγκριθούν με το πλήρες θεωρητικό διάγραμμα που παρέχει η μοριακή θεωρία για αυτά τα συστήματα, επειδή στις μοριακές προσομοιώσεις που εκτελέσαμε εστιάσαμε σε ορισμένη πυκνότητα. Επιτυγχάνεται ποιοτική συμφωνία ως προς την πρόβλεψη εμφάνισης κιονικής φάσης. Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζουμε τα συμπεράσματα της διατριβής. / The covalent linkage of [C60] fullerene to liquid crystalline (LC) chemical compounds has produced a great variety of non-conventional liquid crystals. Herein, we introduce a coarse grained description for the molecular modeling of these systems which takes into account the elements of primary importance for their mesomorphic behavior: the global molecular shape, the molecular flexibility and the submolecular partitioning into chemically distinct regions. A simple molecular theory and computer simulations studies are used to relate the self-organization exhibited by these systems to their molecular structure. The molecules are constructed by a number of submolecular blocks to which specific block-block interactions are assigned. We have introduced three different types of blocks: fullerene units, mesogenic units and non-mesogenic units (i.e. flexible spacers and linkage groups). The total interaction of the molecular ensemble is then built up as a combination of all block - block interactions within the ensemble. For reasons of simplicity, the molecules are constrained to move and rotate in a cubic lattice. The theoretical calculations are initially applied to a variety of mono dispersed fullerene containing LCs, including: twin mesogenic branch monoadducts of C60, twin dendromesogenic branch monoadducts of C60, simple dendromesogenic branch monoadducts and conical (badminton shuttlecock) multiadducts of C60. The latter system is also studied by computer simulations. In spite of its many simplifications, the coarse-grained molecular model accounts remarkably well for the phase polymorphism of these systems and offers valuable insights into the conformational aspects of the phase transitions. Keeping the simplicity of the above modeling, the phase behavior of binary mixtures of "fullerene" with anisotropic particle (rodlike or disklike) and binary mixtures of rodlike and disklike particles is also studied. We compare the predicted phase behavior with the existing theoretical (hard rodlike and disklike particles) and experimental (colloidal systems) results. Finally attempts are made to study how the molecular organization of mono dispersed fullerene containing LC systems is influenced by the addition of non-bonded fullerenes. The theoretical approach is quite general and can be applied to a variety of systems such as, liquid crystalline dendrimers and mixtures of colloidal particles.

Στην διδακτορική διατριβή αναπτύξαμε μοντέλα για την ασυνήθη δικτυακή κυκλοφορία βασισμένη σε χαρακτηριστικά της TCP/IP επικοινωνίας ανάμεσα σε υπολογιστικά συστήματα, αλλά και στην συμπεριφορά συστημάτων και χρηστών κάτω από επιθέσεις ιών και δικτυακών σκουληκιών. Για την ανάπτυξη συνδυάσαμε το μαθηματικό φορμαλισμό πάνω σε πραγματικά χαρακτηριστικά που εντοπίσαμε πως υπάρχουν σχεδόν σε όλες τις προσπάθειες επίθεσης προς υπολογιστικά και δικτυακά συστήματα από προσπάθειες επιτιθέμενων, αλλά και με αυτοματοποιημένα συστήματα μετάδοσης ιών. Υλοποιήσαμε ένα πραγματικό κατανεμημένο σύστημα έγκαιρης και έγκυρης προειδοποίησης και λήψης άμεσων μέτρων για την προστασία δικτύων υπολογιστών από τη διάδοση των ιών και από τις διαρκώς εξελισσόμενες επιθέσεις των hackers. Τέλος η αυξανόμενη παρουσία δυνατοτήτων για fast worms μας παρακίνησε να μοντελοποιήσουμε την συμπεριφορά ιών που μεταδίδονται μέσα από τα κοινωνικά δίκτυα που σχηματίζονται από τον κατάλογο που έχουν οι χρήστες για γνωστούς και φίλους σε e-mail και Instant Messaging. Προτείνουμε λοιπόν δύο μοντέλα: ένα μοντέλο που περιγράφει την συμπεριφορά fast worms βασισμένα σε κοινωνικά δίκτυα στηριζόμενοι στο μαθηματικό μοντέλο σε Constraint Satisfaction Problems (CSP), αλλά και ένα μοντέλο για τη μετάδοση ιών και την εξουδετέρωσή τους, που λαμβάνει υπόψη την δικτυακή κίνηση και την λειτουργία των εξυπηρετητών βασισμένοι στο M/M/1 μοντέλο ουρών. Στην διατριβή προτείνουμε ένα είδος διαδραστικότητας ανάμεσα στους antivirus Agents και τους ιούς και αναλύουμε ένα μαθηματικό μοντέλο για την διάδοση πληθυσμού ιών και antivirus βασισμένα σε θεωρίες ουρών. / In this PhD Thesis we developed models for the abnormal network traffic based on TCP/IP communication protocol of computer systems, and the behavior of systems and users under viruses and worms attacks. For the development we combined mathematical formalism on real attributes that characterize almost all attacking efforts of hackers, virus and worms against computers and networking systems. Our main goal was based upon the theoretic models we proposed, to provide a useful tool to deal with intrusions. Thus we developed a Software Tool for Distributed Intrusion Detection in Computer Networks. Based on an improved model we produced a real time distributed detection system for early warning administrators of worm and virus propagation and hackers’ attacks. Also in this work we propose a discrete worm rapid propagation model based on social networks that are built using the address book of e-mail and instant messaging clients using the mathematic formalism of Constraint Satisfaction Problems (CSP). The address book, which reflects the acquaintance profiles of people, is used as a “hit-list”, to which the worm can send itself in order to spread fast. We also model user reaction against infected email as well as the rate at which antivirus software is installed. We then propose a worm propagation formulation based on a token propagation algorithm, further analyzed with a use of a system of continuous differential equations, as dictated by Wormald’s theorem on approximating “well-behaving” random processes with deterministic functions. Finally in this work we present a virus propagation and elimination model that takes into account the traffic and server characteristics of the network computers. This model partitions the network nodes into perimeter and non-perimeter nodes. Incoming/outgoing traffic of the network passes through the perimeter of the network, where the perimeter is defined as the set of the servers which are connected directly to the internet. All network nodes are assumed to process tasks based on the M/M/1 queuing model. We study burst intrusions (e.g. Denial of Service Attacks) at the network perimeter and we propose a kind of interaction between these agents that results using the formalism of distribution of network tasks for Jackson open networks of queues.