Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με την εφαρμογή της υπολογιστικής νοημοσύνης στη μουσική, επιχειρώντας ταπεινά να συνεισφέρει, έστω και κατ' ελάχιστο, στην μακραίωνη πορεία της σύζευξης των μουσικών εννοιών με τα μαθηματικά. Οι τρεις πυλώνες πάνω στους οποίους στηρίζεται αυτή η διατριβή αφορούν τη χρήση μεθόδων υπολογιστικής νοημοσύνης για α) την εξέταση των μαθηματικών μουσικών χαρακτηριστικών με στόχο την επιτυχή κατηγοριοποίηση, αναγνώριση και χαρακτηρισμό περιεχομένου σε μουσικά κομμάτια, β) την ευφυή αυτόματη σύνθεση μουσικής βάσει μαθηματικών μουσικών χαρακτηριστικών και γ) τη διαδραστική ευφυή σύνθεση μουσικής και τις επεκτάσεις της. Ενώ οι τρεις αυτοί πυλώνες φαίνονται επιφανειακά ασύνδετοι, το κοινό τους θεμέλιο είναι τα μαθηματικά μουσικά χαρακτηριστικά και ο ρόλος που αυτά διαδραματίζουν έτσι ώστε να αναπτυχθούν μοντέλα υπολογιστικής νοημοσύνης που τελικά προσομοιάζουν τον τρόπο που οι άνθρωποι ``αντιλαμβάνονται'' τη μουσική. Το γεγονός ότι όλοι οι δίαυλοι έρευνας που παρουσιάζονται σε αυτή τη διατριβή διοχετεύονται στο ίδιο κανάλι, γίνεται φανερό στο τελευταίο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 9) όπου τα μαθηματικά μουσικά χαρακτηριστικά, η ευφυής σύνθεση μουσικής και η διαδραστική ευφυής σύνθεση μουσικής, ενσωματώνονται σε ένα καινοτόμο σύστημα που περιγράφεται λεπτομερώς στο εν λόγω κεφάλαιο. Επίσης, βασική μέριμνα των μελετών που παρουσιάζονται στης έρευνες που αποτελούν την παρούσα διατριβή ήταν η απόδοση αντικειμενικών, λεπτομερών και αμερόληπτων αποτελεσμάτων, μέσα από εξαντλητικές πειραματικές διαδικασίες, πολλές από τις οποίες περιείχαν και καθεαυτές νεοτερισμούς. Η επισήμανση της παραπάνω πρότασης θέλει να καταδείξει τη διαφοροποίηση της παρούσας διατριβής από την εν πολλοίς καθεστηκυία αντίληψη για τον τρόπο παρουσίασης των αποτελεσμάτων για τις μεθόδους αυτόματης σύνθεσης μουσικής, μέσα από την εμφάνιση τμημάτων από συνθέσεις (σε μορφή παρτιτούρας ή ήχου). Το πρώτο μέρος της διατριβής περιλαμβάνει τα Κεφάλαια 2 και 3, όπου μελετάται η κατηγοριοποίηση μουσικών κομματιών σε συμβολική μορφή, καθώς και η αναγνώριση και ο χαρακτηρισμός περιεχομένου από ηχογραφήσεις. Στόχος του μέρους αυτού είναι η παρουσίαση της καθοριστικότητας αφενός του χώρου του προφίλ τονικής τάξης για την ανάπτυξη μαθηματικών μουσικών χαρακτηριστικών που ενσωματώνουν την ανθρώπινη μουσική αντίληψη μέχρι ενός βαθμού, και αφετέρου η ανάδειξη της αποτελεσματικότητας των μεθόδων υπολογιστικής νοημοσύνης ως εργαλεία αποτελεσματικού εντοπισμού αυτής της ιδιότητας των προαναφερθέντων χαρακτηριστικών. Η συνεισφορά του πρώτου μέρους αφορά κυρίως την πρόταση νέων μεθοδολογιών που επιτελούν αποτελεσματικά προσομοιώσεις κατηγοριοποίησης κομματιών ανά συνθέτη ή είδος, αναγνώρισης περιεχομένου ηχογράφησης τυμπάνων και χαρακτηρισμού μουσικού ηχητικού υλικού με τμηματοποίηση σε περιοχές με διαφορετικό κλειδί σύνθεσης. Επίσης, στη συνεισφορά του μέρους αυτού μπορεί να ενταχθεί και η εισαγωγή και ανάλυση του πρωτεύοντος χρωματικού ιδιοχώρου. Το δεύτερο μέρος περιλαμβάνει τα Κεφάλαια 4, 5, 6 και 7, στα οποία αναλύεται η συνεισφορά της διατριβής στον τομέα της ευφυούς αυτόματης σύνθεσης μουσικής. Συγκεκριμένα, η συνεισφορά του Κεφαλαίου 4 είναι η πρόταση μιας κατηγοριοποίησης των ευφυών μεθόδων σύνθεσης σύμφωνα με το αποτέλεσμα που επιδιώκουν, προτείνοντας δηλαδή τις κατηγορίες των μη επιβλεπόμενων, των επιβλεπόμενων και των διαδραστικών συστημάτων ευφυούς σύνθεσης. Με αυτή την κατηγοριοποίηση ο αναγνώστης εισάγεται στα επόμενα κεφάλαια όπου περιγράφονται τα καινοτόμα συστήματα που προτάθηκαν, κυρίως για επιβλεπόμενη σύνθεση βάσει χαρακτηριστικών, για την ευφυή παραγωγή ρυθμών (Κεφάλαιο 5), τόνων (Κεφάλαιο 6), καθώς και για την ολοκλήρωση των συνθέσεων μέσω της έννοιας της οριζόντιας αντιγραφής ενορχήστρωσης και την ευφυή συνοδεία αυτοσχεδιαστή (Κεφάλαιο 7). Τα αποτελέσματα που παρέχονται για όλα τα συστήματα αυτού του μέρους εξετάζουν ενδελεχώς πολλές πτυχές των συνθετικών τους ιδιοτήτων, αποκαλύπτοντας τα σημεία υπεροχής τους αλλά και τις αδυναμίες τους. Στο τρίτο μέρος γίνεται η περιγραφή των διαδραστικών συστημάτων που μελετήθηκαν στη διατριβή, αναλύοντας όχι μόνο την ανάπτυξη των αλγόριθμων πίσω από τα συστήματα αυτά, αλλά εστιάζοντας κυρίως στα ουσιώδη ζητήματα που άπτονται της αντίληψης της ανθρώπινης μουσικής και της σύνδεσής της με την ευφυή-αυτόματη σύνθεση. Συγκεκριμένα, στο Κεφάλαιο 8 γίνεται αρχικά η παρουσίαση ενός καινοτόμου υπολογιστικού συστήματος που εξελίσσει διαδραστικά (με βαθμολογίες παρεχόμενες από τον χρήστη) συναρτήσεις με τη μέθοδο του γενετικού προγραμματισμού. Σκοπός του συστήματος αυτού είναι η παραγωγή κυματομορφών που ακούγονται γενιά με τη γενιά όλο και πιο ευχάριστες για την προσωπική του αισθητική του χρήστη. Μέσω αυτού του συστήματος προτάθηκε το ενδεχόμενο της άντλησης πληροφοριών για τα ηχητικά χαρακτηριστικά των μελωδιών σε διαφορετικά εξελικτικά στάδια - από τις μη εξελιγμένες και χαμηλά βαθμολογημένες στις εξελιγμένες και υψηλά βαθμολογημένες μελωδίες - έτσι ώστε να μελετηθεί το κατά πόσο τα ηχητικά χαρακτηριστικά αυτά μπορεί να παρέχουν ενδείξεις για την αισθητική αρτιότητα μιας μελωδίας. Αυτό το σύστημα επίσης αξιοποιήθηκε για την ανάπτυξη των γενετικών τελεστών προσαρμοσμένου βάθους, οι οποίοι, συνδυαζόμενοι με την παράμετρο ``παράγοντα ρίσκου'', δίνουν στον χρήστη έναν επιπλέον έλεγχο στην εξελικτική διαδικασία, απαλλάσσοντάς τον από ένα μέρος του φαινομένου της κόπωσης του χρήστη. Το τρίτο μέρος, και η ερευνητική διαδρομή αυτής της διατριβής, κλείνει με το Κεφάλαιο 9, όπου παρουσιάζεται ένα διαδραστικό σύστημα εξελικτικής σύνθεσης μουσικής σε δύο επίπεδα, το οποίο πέρα από το ότι συνδυάζει την έρευνα που έγινε σχεδόν σε ολόκληρη τη διατριβή, περιέχει επίσης νεοτερισμούς σε πολλά επίπεδα: από την κεντρική σύλληψη, την υλοποίηση, ως και τη διαδικασία εξαγωγής αποτελεσμάτων. Η κεντρική σύλληψη αφορά την εξέλιξη των μαθηματικών μουσικών χαρακτηριστικών που περιγράφουν μια μελωδία αντί για τη μελωδία καθεαυτή (ή το μοντέλο που την παράγει). Η υλοποίηση έγινε σε δύο επίπεδα, τον πάνω επίπεδο εξέλιξης χαρακτηριστικών και το κάτω επίπεδο ευφυούς επιβλεπόμενης σύνθεσης μουσικής με καινοτόμους αλγόριθμους και στα δύο επίπεδα. Τέλος, η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε, στην οποία προτάθηκε και υλοποιήθηκε η χρήση αυτόματων βαθμολογητών που προσομοιάζουν τη βαθμολογική συμπεριφορά των ανθρώπων, επέτρεψε την πλήρως αντικειμενική εξέταση των δυνατοτήτων του συστήματος να συγκλίνει στις βέλτιστες μελωδίες του χρήστη. / The PhD thesis at hand discusses the employment of computational intelligence in music, attempting to humbly commit a minimal contribution to the deep history of studies that relate music to mathematics. The three cornerstones upon which the thesis at hand is founded, discuss the employment of computational intelligence methods for a) the examination of musical-mathematical features towards classifying, identifying and characterising music content, b) intelligent music composition based on musical-mathematical features and c) interactive intelligent music composition and further developments. While at a first glance these three parts seem unrelated, their common keystone is the music-mathematical features and the role that these features play towards developing computational intelligence models which at some extent simulate the human ``perception’’ of music. The fact that all the research channels that are presented in this thesis, are finally led to a single stream, becomes evident in the final chapter of the thesis (Chapter 9) where the music-mathematical features, the intelligent music composition and the interactive music composition are embodied in an innovative system that is thoroughly described. Additionally, a main concern of the studies that comprise this thesis was the presentation of objective, detailed and unbiased results, achieved through exhaustive experimental processes, many of which were by themselves innovative. The latter comment intents to highlight the different approach that the research in this thesis follows, in comparison to the most common approaches concerning the presentation of experimental results for automatic music composition methods - which simply include small score or audio parts of automatically composed music. The first part of the thesis includes the Chapters 2 and 3, where the categorisation of music pieces in symbolic form is examined, as well as the identification and characterisation of music recordings. Aim of this part is on the hand to present the rich quality of information that can be extracted by several pitch class space-related features regarding human perception of music, while on the other hand to pinpoint the effectiveness of computational intelligence methods as tools to extract the aforementioned rich information. The first part’s contribution is primarily the presentation of novel methodologies that achieve effective categorisation of music pieces per composer or style, identify the content of drums recordings and characterise the content of recorded pieces by recognising locations of composition key changes. An additionally contribution of this part is the presentation and study of the principal chroma eigenspace. The second part encompasses Chapters 4, 5, 6 and 7, which discuss the contribution of this thesis in intelligent music composition. Specifically, the contribution of Chapter 4 includes a proposed categorisation of intelligent music composition methods based on their intended result, proposing their segregation to unsupervised, supervised and interactive intelligent music composition methodologies. Through this categorisation, an introduction to the subsequent chapters is achieved, which mainly discuss supervised intelligent music composition based on music-mathematical features for the generation of rhythmic sequences (Chapter 5), tonal sequences (Chapter 6), as well as integrated synthesis through the concept of horizontal orchestration replication and intelligent improviser accompaniment (Chapter 7). The results of the presented studies in this part constitute of exhausted research processes that examine different compositional aspects of the proposed methodologies, revealing their strengths and weaknesses over other methodologies presented in the literature. In the third part the interactive systems that were studied in the thesis are presented, not only by analysing the algorithmic development of the underlying methodologies, but mostly focussing on matters that pertain to the human perception and intelligent music composition. Specifically, in the beginning of Chapter 8 an innovative system is presented that evolves mathematical functions interactively (through user ratings), through genetic programming. Aim of this system is the generation and evolution of waveforms that sound more pleasant to the user, according to hers/his subjective criteria. This system allowed the proposition to obtain information about several audio features of the melodies in different evolutionary stages - from non evolved and low rated melodies to evolved and highly rated ones - in order to study whether these features incorporate indications about the aesthetic integrity of a melody. This system was also utilised towards the development of fitness-adaptive genetic operators, which, combined with the ``risk factor’’ parameter, gave the user additional control over the evolutionary process, alleviating user fatigue at a considerable extent. The third part, along with the research conducted in the context of this thesis, concludes with Chapter 9, where an interactive evolutionary intelligent music composition system is presented, that combines almost all research presented in the thesis up to that point. This chapter includes also several innovative research propositions in many levels: the core concept, the implementation and the experimental process. The core concept discusses the evolution of music-mathematical features that describe a melody, rather than evolving the melody per se (or the model that generates it). The implementation incorporated two levels of serial evolution: the upper level of feature evolution and the lower level of supervised intelligent music composition, with novel algorithms in both levels. Finally, the experimental process that was developed - in the context of which the utilisation of automatic raters that simulate human behaviour was proposed - allowed a completely subjective evaluation of the systems capabilities, regarding its convergence to the optimal melodies of the user’s subjective preference.

Οι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης είναι επιθυμητό να είναι σε θέση να γενικεύσουν για οποιασδήποτε κλάση με ίδια ακρίβεια. Δηλαδή σε ένα πρόβλημα δύο κλάσεων - θετικών και αρνητικών περιπτώσεων - ο αλγόριθμος να προβλέπει με την ίδια ακρίβεια και τα θετικά και τα αρνητικά παραδείγματα. Αυτό είναι φυσικά η ιδανική κατάσταση. Σε πολλές εφαρμογές οι αλγόριθμοι καλούνται να μάθουν από ένα σύνολο στοιχείων, το οποίο περιέχει πολύ περισσότερα παραδείγματα από τη μια κλάση σε σχέση με την άλλη. Εν γένει, οι επαγωγικοί αλγόριθμοι είναι σχεδιασμένοι να ελαχιστοποιούν τα σφάλματα. Ως συνέπεια οι κλάσεις που περιέχουν λίγες περιπτώσεις μπορούν να αγνοηθούν κατά ένα μεγάλο μέρος επειδή το κόστος λανθασμένης ταξινόμησης της υπερ-αντιπροσωπευόμενης κλάσης ξεπερνά το κόστος λανθασμένης ταξινόμησης της μικρότερη κλάση. Το πρόβλημα των ανομοιογενών συνόλων δεδομένων εμφανίζεται και σε πολλές πραγματικές εφαρμογές όπως στην ιατρική διάγνωση, στη ρομποτική, στις διαδικασίες βιομηχανικής παραγωγής, στην ανίχνευση λαθών δικτύων επικοινωνίας, στην αυτοματοποιημένη δοκιμή του ηλεκτρονικού εξοπλισμού, και σε πολλές άλλες περιοχές. Η παρούσα διπλωματική εργασία με τίτλο ‘Μηχανική Μάθηση με Ανομοιογενή Δεδομένα’ (Machine Learning with Imbalanced Data) αναφέρεται στην επίλυση του προβλήματος αποδοτικής χρήσης αλγορίθμων μηχανικής μάθησης σε ανομοιογενή/ανισοκατανεμημένα δεδομένα. Η διπλωματική περιλαμβάνει μία γενική περιγραφή των βασικών αλγορίθμων μηχανικής μάθησης και των μεθόδων αντιμετώπισης του προβλήματος ανομοιογενών δεδομένων. Παρουσιάζεται πλήθος αλγοριθμικών τεχνικών διαχείρισης ανομοιογενών δεδομένων, όπως οι αλγόριθμοι AdaCost, Cost Senistive Boosting, Metacost και άλλοι. Παρατίθενται οι μετρικές αξιολόγησης των μεθόδων Μηχανικής Μάθησης σε ανομοιογενή δεδομένα, όπως οι καμπύλες διαχείρισης λειτουργικών χαρακτηριστικών (ROC curves), καμπύλες ακρίβειας (PR curves) και καμπύλες κόστους. Στο τελευταίο μέρος της εργασίας προτείνεται ένας υβριδικός αλγόριθμος που συνδυάζει τις τεχνικές OverBagging και Rotation Forest. Συγκρίνεται ο προτεινόμενος αλγόριθμος σε ένα σύνολο ανομοιογενών δεδομένων με άλλους αλγόριθμους και παρουσιάζονται τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα που δείχνουν την καλύτερη απόδοση του προτεινόμενου αλγόριθμου. Τελικά διατυπώνονται τα συμπεράσματα της εργασίας και δίνονται χρήσιμες ερευνητικές κατευθύνσεις. / Machine Learning (ML) algorithms can generalize for every class with the same accuracy. In a problem of two classes, positive (true) and negative (false) cases-the algorithm can predict with the same accuracy the positive and negative examples that is the ideal case. In many applications ML algorithms are used in order to learn from data sets that include more examples from the one class in relationship with another class. In general inductive algorithms are designed in such a way that they can minimize the occurred errors. As a conclusion the classes that contain some cases can be ignored in a large percentage since the cost of the false classification of the super-represented class is greater than the cost of false classification of lower class. The problem of imbalanced data sets is occurred in many ‘real’ applications, such as medical diagnosis, robotics, industrial development processes, communication networks error detection, automated testing of electronic equipment and in other related areas. This dissertation entitled ‘Machine Learning with Imbalanced Data’ is referred to the solution of the problem of efficient use of ML algorithms with imbalanced data sets. The thesis includes a general description of basic ML algorithms and related methods for solving imbalanced data sets. A number of algorithmic techniques for handling imbalanced data sets is presented, such as Adacost, Cost Sensitive Boosting, Metacost and other algorithms. The evaluation metrics of ML methods for imbalanced datasets are presented, including the ROC (Receiver Operating Characteristic) curves, the PR (Precision and Recall) curves and cost curves. A new hybrid ML algorithm combining the OverBagging and Rotation Forest algorithms is introduced and the proposed algorithmic procedure is compared with other related algorithms by using the WEKA operational environment. Experimental results demonstrate the performance superiority of the proposed algorithm. Finally, the conclusions of this research work are presented and several future research directions are given.

Στο πλαίσιο της εργασίας αυτής προτείνεται μια τεχνική η οποία προσπαθεί να κάνει ταυτόχρονα εκτίμηση της οπτικής ροής καθώς επίσης και διαμέριση της σκηνής σε διαφορετικά κινούμενα σώματα. Συγκεκριμένα προτείνεται η λύση μιας ακολουθίας προβλημάτων ελαχιστοποίησης. Κάθε πρόβλημα ελαχιστοποίησης προσπαθεί να απομονώσει κάποιο κινούμενο σώμα από την σκηνή και εκτιμά για αυτό μία ταχύτητα. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή της τεχνικής σε προβλήματα εκτίμησης της οπτικής ροής διαφορετικής πολυπλοκότητας δείχνουν ότι η επίδοση της προτεινόμενης τεχνικής είναι ικανοποιητική. / In this thesis, a method, which tries to estimate the optical flow field, and segment the scene at the same time, is suggested. Specifically, a series of minimization problems are solved. Each of these minimization problems, tries to isolate a moving object from the scene, and estimate for it a velocity. The results from applying the suggested method in several optical flow estimation problems, with varying complexities, show that the performance of the method is very promising.

It is well-known that, increasing the flow rate in polymer extrusion, the flow becomes unstable and the smooth extrudate surface becomes wavy and disordered to an increasing degree. In order to investigate the mechanisms responsible for these instabilities we perform a linear stability analysis of the steady extrusion of a viscoelastic fluid flowing through a planar die under creeping flow conditions. We consider the Phan-Thien-Tanner (PTT) model to account for the viscoelasticity of the material. We employ the mixed finite element method combined with an elliptic grid generator to account for the deformable shape of the interface. The generalized eigenvalue problem is solved using Arnoldi’s algorithm. We perform a thorough parametric study in order to determine the effects of all material properties and rheological parameters. We investigate in detail the effect of interfacial tension and the presence of a deformable interface. It is found that the presence of a finite surface tension destabilizes the flow as compared to the case of the stick-slip flow. We recognize two modes which are found to become unstable beyond a critical value of the Weissenberg number and perform an energy analysis to examine the mechanisms responsible for the destabilization of the flow and compare against the mechanisms that have been suggested in the literature. / --

Η διατριβή πραγματεύεται το αντικείμενο της Υπολογιστικής Νοημοσύνης στην Οικονομική και Χρηματοοικονομική επιστήμη. Στο πρώτο μέρος της διατριβής αναπτύσσονται μέθοδοι ομαδοποίησης και υπολογιστικής νοημοσύνης για τη μοντελοποίηση και πρόβλεψη χρονολογικών σειρών ημερησίων συναλλαγματικών ισοτιμιών. Η προτεινόμενη μεθοδολογία κατασκευάζει τοπικούς προσέγγιστές, με τη μορφή νευρωνικών δικτύων, για ομάδες προτύπων στο χώρο εισόδων που αναγνωρίζονται από μη-επιβλεπόμενους αλγόριθμους ομαδοποίησης. Στη συνέχεια κατασκευάζονται τεχνικοί κανόνες συναλλαγών απευθείας από τα δεδομένα με τη χρήση γενετικού προγραμματισμού. Η επίδοση των νέων κανόνων συγκρίνεται με αυτή των γενικευμένων κανόνων κινητού μέσου. Το δεύτερο μέρος της διατριβής πραγματεύεται την εφαρμογή εξελικτικών αλγορίθμων για τον υπολογισμό και την εκτίμηση του πλήθους σημείων ισορροπίας σε προβλήματα από τη θεωρία παιγνίων και τη νέα οικονομική γεωγραφία. Πιο συγκεκριμένα, αξιολογείται η ικανότητα των εξελικτικών αλγορίθμων να εντοπίσουν σημεία ισορροπίας κατά Nash σε πεπερασμένα στρατηγικά παίγνια και προτείνονται τεχνικές για τον εντοπισμό περισσοτέρων του ενός σημείων ισορροπίας. Τέλος εφαρμόζονται κριτήρια από τη θεωρία υπολογισμού σταθερών σημείων και τη θεωρία τοπολογικού βαθμού για τη διερεύνηση της ύπαρξης και της υπολογιστικής πολυπλοκότητας του υπολογισμού βραχυχρόνιων σημείων ισορροπίας σε μοντέλα νέας οικονομικής γεωγραφίας. / The thesis investigates Computational Intelligence methods in Economics and Finance. The first part of the thesis is devoted to computational intelligence methods and unsupervised clustering methods for modeling and forecasting daily exchange rate time series. A methodology is proposed that relies on local approximation, using artificial neural networks, for subregions of the input space that are identified through unsupervised clustering algorithms. Furthermore, we employ genetic programming to construct novel trading rules directly from the data. The performance of the novel rules is compared to that of generalised moving average rules. In the second part of the thesis we employ evolutionary algorithms to compute and to estimate the number of equilibria in finite strategic games and new economic geography models. In particular, we investigate the capability of evolutionary and swarm intelligence algorithms to compute Nash equilibria and propose an approach for the computation of more than one equilibria. Finally we employ criteria from the theory on computation of fixed points and topological degree theory to investigate the existence and the computational complexity of computing short run equilibria in new economic geography models.

Η παρούσα διατριβή κινείται στο χώρο των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων και έχει ως αντικείμενο τη μελέτη και τη σύνθεση μηχανισμών που βελτιώνουν τη λειτουργία τους. Ο όρος Ασύρματα Δικτυωμένα Συστήματα αναφέρεται στα συστήματα των οποίων τα δομικά στοιχεία συνδέονται μέσω ασύρματων δικτύων, με την έμφαση να δίνεται στα αυτό-οργανωμένα δίκτυα και στα δίκτυα αισθητήρων. Η βελτιστοποίηση και ο έλεγχος ενός Ασύρματα Δικτυωμένου Συστήματος γίνεται με γνώμονα την Ποιότητα των παρεχόμενων Υπηρεσιών του δικτύου, η οποία χρησιμοποιείται ως μέτρο αξιολόγησης και επαναπροσδιορισμού των παραμέτρων λειτουργίας αυτού. Προσεγγίζοντας το θέμα από την οπτική γωνία του δικτύου, οι μηχανισμοί που είναι υπεύθυνοι για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων, αποστασιοποιούνται από την ανάπτυξη νέων πρωτοκόλλων για τα διάφορα επίπεδα του μοντέλου αναφοράς Ανοιχτής Διασύνδεσης Συστημάτων. Για τον λόγο αυτό, αναφορικά με το μοντέλο αναφοράς Ανοιχτής Διασύνδεσης Συστημάτων, το ζήτημα της βελτιστοποίησης της λειτουργίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων προσεγγίζεται από τα ακραία επίπεδα της στοίβας πρωτοκόλλων, και συγκεκριμένα από την οπτική γωνία του Επιπέδου Εφαρμογής και του Φυσικού Επιπέδου. Στο Επίπεδο Εφαρμογής το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην διασφάλιση των περιθωρίων ευστάθειας για τα Ασύρματα Δικτυωμένα Συστήματα Ελέγχου. Η διασφάλιση της ομαλής λειτουργίας του συστήματος κλειστού βρόχου βασίζεται σε διακοπτικές δομές ελέγχου, των οποίων οι παράμετροι λειτουργίας καθορίζονται από την Ποιότητα Υπηρεσίας του δικτύου, και συγκεκριμένα από το ποσοστό των επιτυχώς ληφθέντων πακέτων. Στο Φυσικό Επίπεδο εξετάζεται αρχικά το πρόβλημα αποκατάστασης της συνδεσιμότητας μεταξύ των μελών ενός Ασύρματα Δικτυωμένου Συστήματος και στην συνέχεια το πρόβλημα επαναπροσδιορισμού της ποιότητας των ασύρματων ζεύξεων. Οι κεντρικοποιημένοι και κατανεμημένοι μηχανισμοί που αναπτύσσονται για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων της Ποιότητας Υπηρεσίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων στο Φυσικό Επίπεδο βασίζονται σε εργαλεία της Υπολογιστικής Γεωμετρίας, συνδυάζοντας τα χωρικά χαρακτηριστικά ενός Ασύρματα Δικτυωμένου Συστήματος με δημοφιλή μοντέλα διάδοσης μεγάλης κλίμακας. Τέλος, η αξιολόγηση των μεθόδων ελέγχου και βελτιστοποίησης της λειτουργίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων πραγματοποιείται με την εφαρμογή τους σε κατάλληλες πειραματικές διατάξεις και σε ένα καθορισμένο σύνολο σεναρίων εξομοίωσης. / The primary objective of the present PhD thesis is the analysis and the synthesis of mechanisms and algorithms that optimize the operation of Wireless Networked Systems. The term Wireless Networked Systems is used to describe the distributed systems, whose components are interconnected over wireless networks. Referring to wireless networking, the emphasis is given at the self-organized Ad-hoc and Sensor Networks. The effort made is focused on the reconfiguration of the Quality of Service of the underlying network. From such a perspective, the mechanisms responsible for improving the Quality of Service differentiate from the design of novel, specialized communication protocols. More specifically, with respect to the Open Systems Interconnection Reference Model (OSI-RM), the optimization issues of the Wireless Networked Systems’ operation are examined at the Application and Physical Layer. At the Application Layer, problems related to the guarantee of the stability margins for Wireless Networked Controlled Systems are studied. More precisely, the assurance of the desired performance for the closed-loop controlled system is based on switching control techniques. The optimization decision variables are determined by the network’s Quality of Service parameters. At the Physical Layer the objective is twofold: (a) to establish the physical connectivity among the members of the Wireless Networked System and (b) to optimize of the wireless link’s quality. Based on the combination of the spatial characteristics of the Wireless Networked Systems with large-scale radio propagation models, the centralized and distributed mechanisms, synthesized for the optimization of the network’s Quality of Service at the Physical Layer, exploit effectively concepts adopted by the Computational Geometry. Finally, properly developed experimental testbeds and network simulation scenaria are utilized to examine the efficiency of the synthesized mechanisms for the control and optimization of the operation of Wireless Networked Systems at the Application and Physical Layer.

Τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (ΑΔΑ) αποτελούν μία αρκετά πρόσφατη και πολλά υποσχόμενη νέα τεχνολογία που βρίσκει πληθώρα εφαρμογών. Λόγω της ευρύτατης εφαρμοσιμότητάς της και της προφανούς θέσης που βρίσκει στο σύγχρονο κατανεμημένο υπολογιστικό κόσμο, η επιστημονική τυπική θεμελίωση των νόμων που διέπουν αυτή τη νέα τεχνολογία καθίσταται απαραίτητη. Έτσι, έχουν προταθεί πολλά νέα υπολογιστικά μοντέλα για ΑΔΑ. Μία ειδική κατηγορία τέτοιων συστημάτων είναι τα Πρωτόκολλα Πληθυσμών (ΠΠ). Αυτά διέπονται από τρία ιδιαίτερα χαρακτηριστικά: Οι κόμβοι αίσθησης (πράκτορες) κινούνται παθητικά, δηλαδή δε μπορούν να ελέγξουν την κίνηση στην οποία υπόκεινται, η διαθέσιμη μνήμη κάθε κόμβου είναι πολύ περιορισμένη και οι πράκτορες αλληλεπιδρούν κατά ζεύγη. Έχει αποδειχθεί ότι ένα κατηγόρημα είναι υπολογίσιμο από το μοντέλο των ΠΠ εάν και μόνο εάν είναι ημιγραμμικό. Η κλάση των ημιγραμμικών κατηγορημάτων αποτελεί μία αρκετά μικρή κλάση. Στην παρούσα εργασία, βασικός μας στόχος είναι η επέκταση του μοντέλου των πρωτοκόλλων πληθυσμών με σκοπό το κέρδος σε υπολογιστική ισχύ. Πρώτα κάνουμε την παραδοχή ότι, πέρα των κόμβων αίσθησης, και οι ακμές του γραφήματος μπορούν να διατηρούν περιορισμένες καταστάσεις. Έτσι, σε ένα πλήρες γράφημα n κόμβων είναι σα να έχουμε προσθέσει Ο(n^2) επιπλέον θέσεις μνήμης οι οποίες διαβάζονται και γράφονται μόνο από τα άκρα της αντίστοιχης ακμής. Αποδεικνύουμε ότι το νέο μοντέλο, το οποίο καλούμε μοντέλο Πρωτοκόλλων Πληθυσμών με Διαμεσολαβητή, μπορεί να λειτουργήσει ως μία κατανεμημένη ανταιτιοκρατική μηχανή Turing (ΜΤ) που χρησιμοποιεί όλη τη διαθέσιμη μνήμη. Η μόνη διαφορά από μία συνήθη ΜΤ είναι ότι η συγκεκριμένη μηχανή υπολογίζει μόνο συμμετρικές γλώσσες. Πιο τυπικά, δείχνουμε ότι ένα κατηγόρημα είναι υπολογίσιμο από το νέο μοντέλο εάν και μόνο εάν είναι συμμετρικό και ανήκει στην NSPACE(n^2). Επιπλέον, μελετάμε και τη δυνατότητα του νέου μοντέλου να διαγιγνώσκει γλώσσες γραφημάτων (για γενικά γραφήματα). Εν συνεχεία, αγνοούμε τις καταστάσεις των ακμών και δίνουμε μία νέα βελτίωση και πάλι απευθείας απ' το μοντέλο των ΠΠ. Η υπόθεση που κάνουμε τώρα είναι ότι οι πράκτορες είναι πολυταινιακές ΜΤ με άπειρη μνήμη, που μπορούν τόσο να εκτελούν εσωτερικό υπολογισμό όσο και να αλληλεπιδρούν με άλλους πράκτορες και ορίζουμε χωρικά φραγμένους υπολογισμούς. Καλούμε το νέο αυτό μοντέλο, μοντέλο Παθητικά κινούμενων Μηχανών. Αποδεικνύουμε ότι αν χρησιμοποιείται σε κάθε πράκτορα μνήμη το πολύ f(n) για f(n)=Ω(log n) τότε ένα κατηγόρημα είναι υπολογίσιμο από το νέο μοντέλο εάν και μόνο εάν είναι συμμετρικό και ανήκει στην NSPACE(nf(n)). Δείχνουμε επίσης ότι αυτό δεν ισχύει για f(n)=o(log n). Βασιζόμενοι σε αυτά, δείχνουμε ότι για f(n)=Ω(log n) υπάρχει μία χωρική ιεραρχία ακριβώς όπως και για τις συνήθεις (συμμετρικές) ΜΤ. Δείχνουμε επίσης ότι αυτό δεν ισχύει για f(n)=o(loglog n), καθώς στην τελευταία περίπτωση η αντίστοιχη κλάση καταρρέει μέσα στην κλάση των ημιγραμμικών κατηγορημάτων, και τέλος ότι για f(n)=Ω(loglog n) η κλάση γίνεται αυστηρά μεγαλύτερη των ημιγραμμικών κατηγορημάτων. Αφήνουμε ανοικτό το πρόβλημα του τι ακριβώς συμβαίνει για χωρικά φράγματα f(n) τέτοια ώστε f(n)=Ω(loglog n) και f(n)=o(log n). / Wireless Sensor Networks (WSNs) constitute a recent and promising new technology that is widely applicable. Due to the applicability of this technology and its obvious importance for the modern distributed computational world, the formal scientific foundation of its inherent laws becomes essential. As a result, many new computational models for WSNs have been proposed. Population Protocols (PPs) are a special category of such systems. These are mainly identified by three distinctive characteristics: the sensor nodes (agents) move passively, that is, they cannot control the underlying mobility pattern, the available memory to each agent is restricted, and the agents interact in pairs. It has been proven that a predicate is computable by the PP model iff it is semilinear. The class of semilinear predicates is a fairly small class. In this work, our basic goal is to enhance the PP model in order to improve the computational power. We first make the assumption that not only the nodes but also the edges of the communication graph can store restricted states. In a complete graph of n nodes it is like having added O(n^2) additional memory cells which are only read and written by the endpoints of the corresponding edge. We prove that the new model, called Mediated Population Protocol model, can operate as a distributed nondeterministic Turing machine (TM) that uses all the available memory. The only difference from a usual TM is that this one computes only symmetric languages. More formally, we establish that a predicate is computable by the new model iff it is symmetric and belongs to NSPACE(n^2). Moreover, we study the ability of the new model to decide graph languages (for general graphs). The next step is to ignore the states of the edges and provide another enhancement straight away from the PP model. The assumption now is that the agents are multitape TMs equipped with infinite memory, that can perform internal computation and interact with other agents, and we define space-bounded computations. We call this the Passively mobile Machines model. We prove that if each agent uses at most f(n) memory for f(n)=Ω(log n) then a predicate is computable iff it is symmetric and belongs to NSPACE(nf(n)). We also show that this is not the case for f(n)=o(log n). Based on these, we show that for f(n)=Ω(log n) there exists a space hierarchy like the one for classical symmetric TMs. We also show that the latter is not the case for f(n)=o(loglog n), since here the corresponding class collapses in the class of semilinear predicates and finally that for f(n)=Ω(loglog n) the class becomes a proper superset of semilinear predicates. We leave open the problem of characterizing the classes for f(n)=Ω(loglog n) and f(n)=o(log n).

Η διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στη μελέτη νέων τεχνικών κρυπτογραφίας και κρυπτανάλυσης, αλλά και στην ανάπτυξη νέων πρωτοκόλλων για την ασφαλή ηλεκτρονική συγκέντρωση δεδομένων. Το πρώτο πρόβλημα το οποίο διερεύνησε η διατριβή ήταν η δυνατότητα εφαρμογής των μεθόδων Υπολογιστικής Νοημοσύνης στην κρυπτολογία. Στόχος ήταν η ανίχνευση των κρίσιμων σημείων κατά την εφαρμογή των μεθόδων αυτών στον πολύ απαιτητικό αυτό τομέα προβλημάτων και η μελέτη της αποτελεσματικότητας και της αποδοτικότητάς τους σε διάφορα προβλήματα κρυπτολογίας. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα της διατριβής για την εφαρμογή μεθόδων Υπολογιστικής Νοημοσύνης στην κρυπτολογία υποδεικνύουν ότι παρά το γεγονός ότι η κατασκευή των αντικειμενικών συναρτήσεων είναι πολύ κρίσιμη για την αποδοτικότητα των μεθόδων, η Υπολογιστική Νοημοσύνη μπορεί να προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα στον κλάδο αυτό όπως είναι η αυτοματοποίηση κάποιων διαδικασιών κρυπτανάλυσης ή κρυπτογράφησης, ο γρήγορος έλεγχος της σθεναρότητας νέων κρυπτοσυστημάτων αλλά και ο συνδυασμός τους με τυπικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα για την αξιοποίηση της απλότητας και της αποδοτικότητάς τους. Το δεύτερο πρόβλημα που μελετάται στην διατριβή είναι η εφαρμογή μεθόδων αντίστροφης πολυωνυμικής παρεμβολής για την εύρεση της τιμής του διακριτού λογαρίθμου αλλά και του λογαρίθμου του Lucas. Για την μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν δύο υπολογιστικές μέθοδοι αντίστροφης πολυωνυμικής παρεμβολής, οι μέθοδοι Aitken και Neville, οι οποίες είναι κατασκευαστικές και επιτρέπουν την πρόσθεση νέων σημείων παρεμβολής για καλύτερη προσέγγιση του πολυωνύμου με μικρό υπολογιστικό κόστος. Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι και με την προτεινόμενη μεθοδολογία το συνολικό κόστος υπολογισμού της τιμής των λογαρίθμων παραμένει υψηλό, ωστόσο η κατανομή των πολυωνύμων που έδωσαν την λύση των προβλημάτων δείχνει ότι η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε είτε εντόπισε την λύση στα πρώτα στάδια κατασκευής των πολυωνύμων είτε εντόπισε πολυώνυμα μικρού σχετικά βαθμού που προσεγγίζουν την αντίστοιχη λύση. Το τρίτο πρόβλημα που πραγματεύεται η παρούσα διατριβή είναι η δημιουργία νέων σθεναρών κρυπτοσυστημάτων με την χρήση μη-γραμμικών δυναμικών απεικονίσεων. Η αξιοποίηση των ιδιοτήτων του χάους στην κρυπτογραφία έχει αποτελέσει αντικείμενο μελέτης τα τελευταία χρόνια από τους ερευνητές λόγω της αποδεδειγμένης πολυπλοκότητας των συστημάτων του και των ιδιαίτερων στατιστικών ιδιοτήτων τους. Η διατριβή συνεισφέρει προτείνοντας ένα νέο συμμετρικό κρυπτοσύστημα που βασίζεται σε περιοδικές δυναμικές τροχιές και παρουσιάζει και τρεις τροποποιήσεις του που το καθιστούν ιδιαίτερα σθεναρό απέναντι στις συνήθεις κρυπταναλυτικές επιθέσεις. Δίνεται επίσης το υπολογιστικό κόστος κρυπτογράφησης και αποκρυπτογράφης του προτεινόμενου σχήματος και παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που δείχνουν ότι η δομή των κρυπτογραφημάτων του κρυπτοσυστήματος δεν παρέχει πληροφορία για την ύπαρξη τυχόν μοτίβων στο αρχικό κείμενο. Τέλος, στην διατριβή αυτή προτείνονται δύο πρωτόκολλα για την ασφαλή ηλεκτρονική συγκέντρωση δεδομένων. Η συγκέντρωση δεδομένων από διαφορετικές βάσεις με ασφάλεια και ιδιωτικότητα θα ήταν σημαντική για την μελέτη των γνώσεων που ενυπάρχουν στα δεδομένα αυτά, με διάφορες μεθόδους εξόρυξης δεδομένων και ανάλυσης, καθώς οι γνώσεις αυτές ενδεχομένως δεν θα μπορούσαν να αποκαλυφθούν από την επιμέρους μελέτη των δεδομένων χωριστά από κάθε βάση. Τα δύο πρωτόκολλα που προτείνονται βασίζονται σε τροποποιήσεις πρωτοκόλλων ηλεκτρονικών εκλογών με τρόπο τέτοιο ώστε να ικανοποιούνται τα απαραίτητα κριτήρια ασφάλειας και ιδιωτικότητας που απαιτούνται για την συγκέντρωση των δεδομένων. Η βασική διαφορά των δύο πρωτοκόλλων είναι ότι στο ένα γίνεται χρήση έμπιστου τρίτου μέλους για την συγκέντρωση των δεδομένων, ενώ στο δεύτερο όχι. Και στις δύο περιπτώσεις, παρουσιάζεται ανάλυση της ασφάλειας των σχημάτων αλλά και της πολυπλοκότητάς τους αναφορικά με το υπολογιστικό τους κόστος. / In this PhD thesis we study problems of cryptography and cryptanalysis through Computational Intelligence methods and computational mathematics. Furthermore, we examine the establishment and security of new privacy preserving protocols for electronic data gathering. Part I is dedicated to the application of Computational Intelligence (CI) methods, namely Evolutionary Computation (EC) methods and Artificial Neural Networks (ANNs), for solving problems of cryptology. Initially, three problems of cryptanalysis are formulated as discrete optimization tasks and Evolutionary Computation methods are utilized to address them. The first conclusion derived by these experiments is that when EC methods are applied to cryptanalysis special attention must be paid to the design of the fitness function so as to include as much information as possible for the target problem. The second conclusion is that when EC methods (and CI methods in general) can be used as a quick practical assessment for the efficiency and the effectiveness of proposed cryptographic systems. We also apply EC methods for the cryptanalysis of Feistel ciphers and for designing strong Substitution boxes. The results show that the proposed methods are able to tackle theses problem efficiently and effectively with low cost and in automated way. Then, ANNs are employed for classical problems of cryptography as a measure of their robustness. The results show that although different topologies, training methods and formulation of the problems were tested, ANNs were able to obtain the solution of the problems at hand only for small values of their parameters. The performance of ANNs is also studied on the computation of a Boolean function derived from the use of elliptic curves in cryptographic applications. The results indicate that ANNs are able to adapt to the data presented with high accuracy, while their response to unknown data is slightly better than a random selection. Another important finding is that ANNs require a small amount of storage for the known patterns in contrast to the storage needed of the data itself. Finally, a theoretical study of the application of Ridge Polynomial Networks for the computation of the least significant bit of the discrete logarithm is presented. In Part II, computational mathematics are utilized for different cryptographic problems. Initially, we consider the Aitken and Neville inverse interpolation methods for a discrete exponential function and the Lucas logarithm function. The results indicate that the computational cost for addressing the problems through this approach is high; however interesting features regarding the degree of the resulting interpolation polynomials are reported. Next, a new symmetric key cryptosystem that exploits the idea of nonlinear mappings and their fixed points to encrypt information is presented. Furthermore, a measure of the quality of the keys used is introduced. The experimental results indicate that the proposed cryptosystem is efficient and secure to ciphertext-only attacks. Finally, three modifications of the basic cryptosystem that render it more robust are presented and efficiency issues are discussed. Finally, at Part III of the thesis, two protocols for privacy preserving electronic data gathering are proposed. The security requirements that must be met for data gathering with privacy are presented and then two protocols, based on electronic voting protocols, are analytically described. Security and complexity issues are also discussed.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύσσεται ο υδροδυναμικός και δομικός (μηχανολογικός) σχεδιασμός μιας υποθαλάσσιας κατασκευής για την απάντληση πετρελαίου σε μεγάλα βάθη. Η κατασκευή αποτελείταια από 6 διαφορετικά τμήματα. Ο μηχανολογικός σχεδιασμός ξεκίνησε με την προσαρμογή κατάλληλων προδιαγραφών για το κάθε εξάρτημα. Το πρώτο εξάρτημα από το οποίο ξεκίνησε η ανάλυση είναι τα καλώδια ενίσχυσης των οποίων το φορτίο προέντασης είναι ήδη γνωστό από τα κριτήρια σχεδιασμού και τον αρχικό σχεδιασμό και περιορίζεται στους 1000 τόνους (10000 kN). Πραγματοποιήθηκε η τελική επιλογή του υλικού και των χαρακτηριστικών που έπρεπε να έχει ώστε να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις του θαλάσσιου περιβάλλοντος. Ο κατακόρυφος αγωγός με βάση την φιλοσοφία ανάπτυξης του συστήματος θα έπρεπε να αποτελείται από επιμέρους τμήματα αγωγών πεπερασμένου μήκους, κατασκευασμένους από πολυαιθυλένιο οι οποίοι καλύπτουν το συνολικό επιχειρησιακό βάθος. Η αλληλεπίδραση του θαλασσίου ρεύματος με τον αγωγό (Fluid Structure Interaction) για την κάθε διαφορετική ταχύτητα του θαλασσίου προφίλ ώστε να αποφευχθεί η πιθανότητα εμφάνισης επαγώμενων στροβίλων που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ανεπιθύμητες ταλαντώσεις και σε κόπωση (Vortex Induced Vibration, VIV) τέθηκε σε πρώτη πρωτεραιότητα. Ο συνδυασμός αναλυτικών σχέσεων και πειραματικών δεδομένων από την βιβλιογραφία χρησιμοποιήθηκαν για να υπολογιστεί το μήκος των επιμέρους τμημάτων των αγωγών ώστε να περιοριστούν οι υψηλές εγκάρσιες μετατοπίσεις λόγω των ταλαντώσεων. Η μελέτη της διφασικής ροής πετρελαίου/ νερού σε κώδικα πεπερασμένων όγκων (FLUENT) πραγματοποιήθηκε τόσο για κατακόρυφη όσο και για κεκλιμένη θέση του αγωγού για να επιβεβαιωθεί ότι το αργό πετρέλαιο διατηρεί ανωστική πορεία προς την επιφάνεια ξεπερνώντας τις δυνάμεις τριβής που αναπτύσσονται λόγω της επαφής με τα τοιχώματα των αγωγών. Η ταχύτητα του μίγματος της εσωτερικής ροής καταγράφεται ώστε να ελεγχθεί η εσωτερική μεταβολή της πίεσης του αγωγού. Πιθανή υψηλή διαφοροποίηση της υδροστατικής πίεσης στο εσωτερικό του αγωγού σε σχέση με το εξωτερικό θα οδηγούσε σε επιπλέον φορτία στην δομή του αγωγού (ο αγωγός θα λειτουργούσε τοπικά ως πιεστικό δοχείο). Η προσομοίωση της εξωτερικής ροής γύρω από τμήμα του αγωγού με τα καλώδια ενίσχυσης τοποθετημένα στην περιφερειά του σε κώδικα πεπερασμένων όγκων FLUENT πραγματοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των υδροδυναμικών συντελεστών στο εύρος ταχυτήτων 0.1-0.7 m/sec. Επίσης η μοντέλοποίηση αυτή έδειξε κατά πόσο η θέση των νημάτων επιρεάζει ή όχι την δημιουργία επαγώμενων στροβίλων γύρω από τον αγωγό. Η δομική ανάλυση με χρήση πακέτου πακέτου πεπερασμένων στοιχείων (NASTRAN/ PATRAN) έδειξε τα επίπεδα των μέγιστων τάσεων και μετατοπίσεων που αναπτύσσονται λόγω της ύπαρξης της δυναμικής πίεσης η οποία και καταπονεί τοπικά τους αγωγούς. Η αποθηκευτική δεξαμενή (πλωτήρας και συλλέκτης) σχεδιάστηκε με χρήση βασικών υπολογισμών ώστε να επιτευχθεί η κατάλληλη χωρητικότητα αλλά και η προδεγεγραμμένη άνωση. Ο προσδιορισμός των υδροδυναμικών συντελεστών πραγματοποιήθηκε σε FLUENT έτσι ώστε να διερευνηθεί το ροικό πεδίο γύρω από την δεξαμενή καθώς και το μέγεθος των δυνάμεων που μεταφέρονται στο σύστημα από την αλληλεπιδρασή της με το θαλάσσιο ρεύμα. Η δομή του πλωτήρα σχεδιάστηκε με χρήση βασικών δομικών υπολογισμών και η συνολική του συμπεριφορά κάτω από τα φορτία υδροστατικής πίεσης ελέγχθηκε με πεπερασμένα στοιχεία (NASTRAN/ PATRAN). Η δομή του συλλέκτη διαστασιολογήθηκε με βάση την επίδραση της δυναμικής πίεσης ένεκα της ροής γύρω του. Επίσης παρατίθονται οι βασικές δομικές αναλύσεις των συνδέσμων που χρησιμοποιήθηκαν για την ένωση των διαφόρων τμημάτων πλωτήρα και συλλέκτη. Το μοντέλο πλήρους κλίμακας αναπτύχθηκε με βάση τα πειράματα της υδροσήραγγας που πραγματοποιήθηκαν στην MARIN και με βάση του μοντέλου δυναμικής απόκρισης που δημιουργήθηκε στο ORCAFLEX από την SIREHNA. Σκοπός του μοντέλου πλήρους κλίμακας (με την χρήση NASTRAN/PATRAN) ήταν να εξομοιώσει την απόκριση του μοντέλου του ORCAFLEX το οποίο είχε ρυθμιστεί με βάση την υδροσήραγγα ώστε να υπολογιστούν οι δυνάμεις που μεταφέρονται στους δακτυλίους ενίσχυσης και τα φορτία (δυνάμεις και ροπές) που μεταφέρονται στο ενδιάμεσο στοιχείο. Τα δύο μοντέλα θα έπρεπε να εμφανίζουν την ίδια μέγιστη μετατόπιση ώστε να θεωρηθούν όμοια. Στην φάση αυτή τα καλώδια ενίσχυσης που μοντελοποιούνται με μονοδιάστατα στοιχεία στο NASTRAN/PATRAN . Το ενδιάμεσο στοιχείο αποτέλεσε το εξάρτημα στο οποίο μεταφέρονται τα φορτία του αγωγού στο σημείο σύνδεσης (δυνάμεις και οι ροπές) καθώς και οι δυνάμεις από τα καλώδια ενίσχυσης. Η δομική του ανάλυση περιλαμβάνει την διαστασιολόγηση του με βασικούς υπολογισμούς και την χρήση πεπερασμένων στοιχείων για τον έλεγχο τοπικών υπεφορτίσεων που δεν ήταν εφικτό να προσδιοριστούν με αναλυτικές σχέσεις. Ο θόλος επιρεάζεται από την ταχύτητα των θαλασσίων ρευμάτων που κινούνται γύρω του και αποτελούν τις κύριες δυνάμεις που τον επιρεάζουν. Η μοντελοποίηση της δυναμικής πίεσης πάνω στον αγωγό γίνεται με την χρήση υδροδυναμικού μοντέλου σε FLUENT ενώ η δομική του αντοχή προσδιορίστηκε με χρήση μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων σε NASTRAN/ PATRAN. Οι δυνάμεις μεταφέρονταν στα καλώδια ενίσχυσης του θόλου που με την σειρά τους τις μμετέφεραν στο σύστημα αγκύρωσης στον βυθό. Το σύστημα αγκύρωσης διαστασιολογείται με αναλυτικούς υπολογισμούς από την βιβλιογραφία με βάση την μέγιστη δύναμη που μεταφέρεται από τα καλώδια αγκύρωσης του θόλου. Οι διαστάσεις του είναι συνάρτηση τόσο της σύστασης του βυθού όσο και της μέγιστης επιτρεπόμενης διάστασης που επιλέγεται από τα πλοία που συμμετέχουν στην ανάπτυξη του συστήματος. Τα βασικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την ανάλυση ήταν η δυνατότητα της περαιτέρω ανάπτυξης του συστήματος σε ρηχά και πολύ βαθιά ύδατα καθώς και η ανάγκη για την μείωση του χρόνου κατασκευής ώστε να αυξηθεί η αποδοτικότητα του συστήματος. / In this PhD work, the mechanical design of a Sub sea Oil Recovery Structure is carried out. The structure is consisted of 6 different parts. The mechanical design methodology starts with the calculation of the diameter of the mooring lines for a tension force of 10000 kN. The fluid/ structure interaction is a design aspect for the Riser tube. Analytical equations were used to identify the dimensions of each riser tube’s part in order to avoid Vortex Induced Vibrations (VIV). As a second step, the oil upward movement into the riser tube was investigated. The buoyancy flow was examined using CFD analysis for both, vertical and inclined tube position to confirm that the crude oil could overcome the frictional forces due to contact with the internal tube’s wall. The external flow field around the riser tube, with the mooring lines along its periphery, was investigated in order to calculate the hydrodynamic coefficients for a range from 0.1 to 0.7 m/sec. This analysis was necessary since it helps to quantify the hydrodynamic load for the structural analysis. The structural analysis for the riser tube parts was performed using FEM and it was used for the study of the behavior under “local” loads such as the sea current’s dynamic pressure. The Buffer Bell’s analysis is based on the prediction of hydrodynamic coefficients (obtained from CFD analysis) and the use of a FE model for the structural analysis of the Buffer Bell hull subject to the hydrostatic pressure. The maximum displacement of the system due to the sea currents was also examined. A scale model test was performed in a water tunnel and a dynamic response model was created in order to predict the system’s behavior under operational loads and during the deployment phase. Additional, a FE model was developed to predict the loads (forces and moments) acting on the stiffening rings and the dome interface unit during the operational scenario. This FE model was compared with the Dynamic Response Model for the maximum displacement criterion. The maximum loads (forces and moments) from the Maximum Displacement FE model was used for the calculation of the dimensions of the stiffening ring and the dome interface unit. Finite element models were developed for these two components. A CFD analysis was performed to investigate the pressure distribution over the surface of the Dome. This pressure load and the reaction forces resulted from the analysis of the Dome Interface Unit were used to calculate the stresses faced by the Dome and the total force applied on the mooring system. For the dimensioning of the anchoring system, the highest force calculated for the mooring lines was chosen. The volume of cement for the anchoring system was calculated in order to withstand this force. Analytical equations were used to secure the anchor’s stability on different types of seabed (cohesion or cohesion less). At the end, the maximum calculated force on the mooring line was compared against the force resulted during the first step in order to confirm that fracture does not occur. The conclusions from this analysis is that the system can be applied to all depths (shallow waters, ultra deep waters) but also the final erection time should be minimized in order to increase the system’s efficiency.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάπτυξη ενός αποδοτικού συστήματος ελέγχου που θα επιτυγχάνει τον ακριβή έλεγχο της θέσης ενός λαπαροσκοπικού ρομποτικού εργαλείου που χρησιμοποιεί ‘έξυπνα μορφομνήμονα κράματα’ ως τένοντες-επενεργητές. Το γεγονός ότι το εργαλείο που χρησιμοποιείται είναι με πλεονάζοντες βαθμούς ελευθερίας, καθιστά ιδιαίτερα δύσκολο πρόβλημα την επίλυση της αντίστροφης κινηματικής. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι, μέσω τεχνικών υπολογιστικής όρασης, να επιλυθεί προσεγγιστικά η αντίστροφη κινηματική ανάλυση της θέσης των αρθρώσεων του ρομποτικού εργαλείου. Ο προτεινόμενος νόμος ελέγχου χρησιμοποιεί την αριθμητική επίλυση των γωνιών των αρθρώσεων από την αντίστροφη κινηματική για την επιτυχή παρακολούθηση της επιθυμητής τροχιάς του ρομποτικού εργαλείου. / This thesis deals with the development of a robust control system responsible for the precise position control of an innovative, SMA-based tendon-driven endoscopic robotic surgical tool. Given the hyper-redundant features of this robotic tool, the solution to the inverse kinematics problem is quite complicated. Henceforth, the main objective of this thesis is the numerical solution of the joints' positions using image processing techniques. The proposed control law utilizes this information for trajectory tracking purposes of the tool's end-effector.