- / -

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε με το θέμα της βελτιστοποίησης της σχεδίασης μιας ασύγχρονης μηχανής. Αρχικά έγινε o σχεδιασμός ενός μοντέλου ασύγχρονης μηχανής με τη χρήση του προγράμματος OPERA Electromagnetic Design. Το μοντέλο σχεδιάστηκε με βάση τα γεωμετρικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός τετραπολικού τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα κλωβού, ισχύος 4 KW, με 36 αυλακώσεις στο δρομέα και 28 στο στάτη. Η σχεδίαση του μοντέλου έγινε με χρήση κώδικα, ούτως ώστε το μοντέλο να είναι παραμετροποιημένο. Αυτό μας επιτρέπει να έχουμε τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μηχανής σαν μεταβλητές, το οποίο είναι απαραίτητο για να εφαρμοστεί η διαδικασία της βελτιστοποίησης. Στην συνέχεια προχωρήσαμε στη διαδικασία της βελτιστοποίησης. Η εύρεση του βέλτιστου μοντέλου δεν είναι μοναδική, αλλά εξαρτάται κάθε φορά από τα κριτήρια που έχουμε θέσει. Για παράδειγμα μπορούμε να επιτύχουμε βελτιστοποίηση ως προς το κόστος κατασκευής του κινητήρα, ως προς τη ροπή εκκίνησης, ως προς το συντελεστή ισχύος, ως προς το βαθμό απόδοσης κ.ο.κ. Βλέπουμε επομένως, ότι ο στόχος σε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, δηλαδή η αντικειμενική συνάρτηση, δεν είναι μοναδικός αλλά εξαρτάται από την εφαρμογή στην οποία θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε την μηχανή μας. Κατά την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήσαμε πέντε διαφορετικές βελτιστοποιήσεις, χρησιμοποιώντας κάθε φορά διαφορετική αντικειμενική συνάρτηση και διαφορετικές σχεδιαστικές μεταβλητές (παραμέτρους). Για τις βελτιστοποιήσεις χρησιμοποιήσαμε τον Optimizer της Όπερα. Στις δύο πρώτες βελτιστοποιήσεις που κάναμε είχαμε σαν παράμετρο μόνο το βάθος της μπάρας του δρομέα. Αυτό το κάναμε διότι θέλαμε να μελετήσουμε την επίδραση του βάθους της μπάρας στα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη και τη συμπεριφορά της μηχανής. Στην πρώτη βελτιστοποίηση είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση τη ροπή εκκίνησης, την οποία ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί, ενώ στη δεύτερη βελτιστοποίηση είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση το βαθμό απόδοσης της μηχανής στις ονομαστικές στροφές, τον οποίο ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί. Στις επόμενες βελτιστοποιήσεις είχαμε σαν παραμέτρους όλα τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μπάρας του δρομέα και κάθε φορά αλλάζαμε την αντικειμενική συνάρτηση του προβλήματος. Αρχικά ζητήσαμε να μας μεγιστοποιήσει τη ροπή εκκίνησης. Στη συνέχεια είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση τη ροπή που αποδίδει το μοντέλο στις ονομαστικές στροφές, την οποία ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί. Στην τελευταία βελτιστοποίηση που κάναμε είχαμε σαν αντικειμενική συνάρτηση το βαθμό απόδοσης του μοντέλου στις ονομαστικές στροφές και ζητήσαμε να μεγιστοποιηθεί. Σε κάθε μία από τις βελτιστοποιήσεις που έγιναν, προέκυψε ένα βέλτιστο μοντέλο το οποίο αναλύσαμε και συγκρίναμε με το αρχικό μοντέλο. / We made an optimization of an asynchronous motor. First we design the motor in the programma Opera. The model of the motor is a 4-pole, asynchronous motor, 4 KW with 28 rotor slots and 36 stator slots. Then we madw the optimization using the Optimizer of Opera vectorfields. We made 5 types of optimizations, each time using different objective function and design variables. The best models each time analized and compares to the first one.

Η εύρεση γεννητικών δέντρων ελάχιστου-κόστους αποτελεί ένα κλασικό επιστημονικό πρόβλημα με σημαντικές εφαρμογές στη σχεδίαση δικτύων. Δοθέντος ενός γραφήματος, όπου κάθε πλευρά σχετίζεται με ένα βάρος (κριτήριο) το πρόβλημα της εύρεσης ενός Ελάχιστου Γεννητικού Δέντρου ανέρχεται στο πρόβλημα της εύρεσης ενός γεννητικού δέντρου με το ελάχιστο συνολικό κόστος. Το πρόβλημα ΕΓΔ έχει αποτελέσει αντικείμενο ενδιαφέροντος πολλών μελετητών με αποτέλεσμα την ανάπτυξη αλγορίθμων πολυωνυμικού-χρόνου, όπως είναι ο αλγόριθμος του Prim, του Sollin και του Kruskal. Στον πραγματικό κόσμο όμως υπάρχουν περιπτώσεις όπου πρέπει να λάβουμε ταυτόχρονα υπόψη πολλά κριτήρια προκειμένου να καθορίσουμε ένα ΕΓΔ. Αυτό συμβαίνει γιατί κάθε πλευρά του γραφήματος σχετίζεται με παραπάνω από ένα κόστη. Για παράδειγμα, στη σχεδίαση ενός τηλεπικοινωνιακού δικτύου, πέρα από το κόστος κατασκευής των συνδέσεων μεταξύ των πόλεων ή των τερματικών μας ενδιαφέρουν και άλλοι παράγοντες. Ο χρόνος που απαιτείται για την κατασκευή, η δυσκολία και πολυπλοκότητα της κατασκευής, η καθυστέρηση μετάδοσης της πληροφορίας αλλά και η αξιοπιστία του συστήματος αποτελούν σημαντικούς παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη στην σχεδίαση του δικτύου. Αλλά και στην καθημερινή ζωή, πολλές φορές χρειάζεται να ληφθούν σημαντικές αποφάσεις οι οποίες εξαρτώνται από περισσότερα από ένα κριτήρια. Παραδείγματος χάριν, άνθρωποι που ταξιδεύουν θέλουν να βελτιστοποιήσουν τη διανυόμενη απόσταση, το κόστος, και το χρόνο μετακίνησης. Το ζητούμενο είναι πως μπορεί να οδηγηθεί κανείς στη λήψη μιας βέλτιστης για αυτόν απόφασης, που κάτω από δεδομένες συνθήκες μπορεί να είναι περισσότερες από μία. Δηλαδή, δεν οδηγούμαστε σε μία μοναδική βέλτιστη λύση αλλά σε ένα σύνολο από «βέλτιστες» λύσεις και ο ενδιαφερόμενος, ανάλογα με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του προβλήματος, κάνει την τελική επιλογή. Το πρόβλημα ΕΓΔ, στο οποίο ζητείται η ελαχιστοποίηση περισσοτέρων του ενός κριτηρίων είναι γνωστό ως το πρόβλημα ΕΓΔ πολλαπλών κριτηρίων (multi-criteria minimum spanning tree problem). Η συνεισφορά της παρούσας διπλωματικής λοιπόν αποτελείται από δύο μέρη: Το πρώτο, εστιάζεται στην κριτική επισκόπηση και περιγραφή των υπαρχόντων μεθόδων επίλυσης του προβλήματος ΕΓΔ δύο κριτηρίων. Το δεύτερο, αφορά την υλοποίηση και πειραματική αξιολόγηση δύο βασικών αλγορίθμων για την επίλυση του εν λόγω προβλήματος. Συγκεκριμένα, υλοποιήθηκε η τροποποιημένη εκδοχή (για το πρόβλημα ΕΓΔ πολλαπλών κριτηρίων) του αλγορίθμου του Prim καθώς και μία προσεγγιστική μέθοδος επίλυσης του προβλήματος ΕΓΔ πολλαπλών κριτηρίων. / The minimum spanning tree problem (MST) is of high importance in network optimization. Given a connected graph G where each edge has a weight, the goal is to find the spanning tree with the least cost among all spanning trees of G. Due to its many practical applications, the MST problem has been studied in depth and many efficient polynomial-time algorithms have been developed by Sollin, Kruskal, Prim etc. But in real life, there cases where one has to take simultaneously into consideration many criteria in order to determine a MST because there are multiple weights defined on each edge of the graph. For example, when designing the layout of a telecommunication network, besides the cost for connections between cities or terminals we are interested in other factors too. The time for communication and construction, the difficulty of the construction or the reliability of the system are also important factors and need to be taken into consideration. But also in everyday life, in many cases we need to take decisions that depend on multiple criteria. For instance, people who travel want to minimize simultaneously the cost, the distance and the time. The problem is that in these cases there is not only one optimal solution but rather a set of optimal solutions and the decision maker depending on the characteristics of each case will make the final call. The MST problem in which we want to minimize more than one criteria is known as the multi-criteria minimum spanning tree problem. The contribution of this thesis is composed of two parts. The first part focuses on the critical survey and description of various methods for solving the bi-criteria case of the MST problem. The other part focuses on the implementation and the experimental evaluation of two known and important algorithms. More precisely, we have implemented the modified version of the Prim’s algorithm (for the multi-criteria MST problem) and one approximate algorithm as proposed by Hamacher & Ruhe.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας με τίτλο «Εκπαιδευτικό -Υπολογιστικό Πακέτο για Αριθμητική Επίλυση μη Γραμμικών Εξισώσεων, μη Γραμμικών και Γραμμικών συστημάτων και του Προβλήματος της Βελτιστοποίησης», είναι η δημιουργία ενός υπολογιστικού πακέτου για σημαντικά επιλεγμένα θέματα αριθμητικής ανάλυσης, αξιοποιώντας το προγραμματιστικό περιβάλλον της Matlab. Με δεδομένη την ύπαρξη οργανωμένου εργαστηρίου στο Tμήμα Μαθηματικών του Πανεπιστημίου Πατρών και την εύκολη πρόσβαση των φοιτητών σε αυτό, η δημιουργία ενός τέτοιου υπολογιστικού πακέτου θα μπορούσε άμεσα να αξιοποιηθεί από προπτυχιακούς φοιτητές έτσι ώστε: • να αποτελέσει για κάθε φοιτητή ένα συμπληρωματικό εργαλείο, εύκολα προσβάσιμο ακόμα και έξω από την αίθουσα διδασκαλίας, για την ενίσχυση της κατανόησης εννοιών και μεθόδων που δουλεύονται κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας, σε χρόνο που θα επιλέξει και με την επανάληψη που επιθυμεί. • να συνδέσει ο φοιτητής τη θεωρία με δικά του παραδείγματα και με άμεσα αποτελέσματα αξιοποιώντας τα υποδείγματα και το βοηθητικό - φιλικό περιβάλλον που έχουμε δημιουργήσει για την υλοποίηση των επιλεγμένων θεμάτων. • να αποτελέσει το κίνητρο για εξάσκηση στον προγραμματισμό μέσω της Matlab, η οποία δεν διδάσκεται και χρησιμοποιείται μόνο προαιρετικά σε επίπεδο εργασιών. / The aim of this work entitled “Educational Software Package for Numerical Solution of Nonlinear Equations, Nonlinear and Linear Systems and for Optimization Problem” is the creation of a software package which could deal with important issues of the field of mathematics called numerical analysis. This is achieved by using the Matlab computational environment. Taking into account the fact that there is a well equipped lab and easily accessible from students, in the Department of Mathematics of the University of Patras, the presented software package could be used by undergraduates students in order to: • be used by each student as a supplemental “tool” which can be easily accessible, even outside the classroom, for the better understanding of meanings and methods which are introduced during of courses, in time that each student may be selected. • combine theory with his examples and have direct results just by using the “models” of the friendly- assistant environment for the specified issues that are analyzed below. • be the motive for exercising the Matlab environment which could be a useful tool for solving many mathematical, and not only, issues.

- / The main topic of this thesis is the combination of metaheuristics and other methods for solving combinatorial optimization problems (COPs). In particular, focus is given in a special category of COPs known as timetabling problems. Timetabling problems belong in general to the class of NP-hard problems meaning that exact methods are usually unable to solve problem instances with sizes of practical importance. In the first three chapters optimization problems are analyzed and four major disciplines regarding optimization approaches are examined: Mathematical Programming, Artificial Intelligence, Computational Intelligence and Metaheuristics. Borders are not always clear between them while a recent trend is to hybridize approaches originating from the same or different disciplines. Even with the progress in optimization that occurred during the last decades programming successful optimization application still is an intricate mission. Nevertheless, software developing techniques, open source software and exploitation of the processing power of modern hardware can assist in constructing applications that are expected to be of much benefit for their users. Key ideas of achieving this are described in Chapter 4. The first application, presented in Chapter 5, is a pump scheduling system for a water distribution network. The objective is to achieve a way of operation for the pumps of each reservoir that results in diminished electricity cost. A model of the problem was constructed and the metaheuristic technique of genetic algorithms with the addition of several heuristics solved the problem. The second application, presented in Chapter 6, is the examination timetabling problem for Universities. Educational timetabling problems in general attract much interest from the scientific community. Our approach targeted various models of the examination timetabling problem and constituted by two major phases: construction and improvement. A number of metaheuristics were hybridized (Simulated Annealing, GRASP, VNS, Taboo Search and others) while certain sub-problems were solved using exact methods (Integer Programming). The results that we achieved in known datasets for evaluating the performance of such methods were most promising. In particular, for the publicly available datasets of the second International Timetabling Competition our approach achieved the best published score for 6 out of 8 datasets. The third application, presented in Chapter 7, is the construction of timetables for Greek high schools. A model of the problem that had publicly available problem instances and published results was used. Better results were able to be obtained by reformulating the problem and subsequently using a branch and cut approach implemented using entirely open source software. In summary, successful results of our approaches suggest that metaheuristics and hybridized metaheuristics with other metaheuristic or exact methods appears to be a promising research direction for handling complex combinatorial optimization problems.

The present work deals with the fluidic analysis of a glaucoma drainage device, which involves modelling, three-dimensional computational fluid dynamic work of a rather difficult optimization problem involving strong nonlinearities. The results have been accompanied by in-vitro experiments in order to evaluate and finally demonstrate the power of computational analysis. The results of this work have been transferred and are applicable right away to the development of a commercial novel medical device. This study can be considered as applied and technological research. The deliverables include a user-friendly graphical interface designed in MATLAB and also drawings of the proposed optimized geometry. In the following chapters are presented the literature review about the disease, the mathematical background and the available materials and methods that are used as well. The main idea behind this report was that the study should be reproducible at any time. Therefore, special attention was paid to the way of presenting the settings of all the software that was used. The last two chapters present the results and the discussion respectively. / Η παρούσα εργασία πραγματεύεται τη λειτουργία μιας συσκευής παροχέτευσης ενδοφθάλμιου υγρού. Πιο συγκεκριμένα περιλαμβάνει τρισδιάστατη ρευστοδυναμική ανάλυση και ένα δύσκολο πρόβλημα βελτιστοποίησης που εμπεριέχει ισχυρές μη-γραμμικότητες. Τα αποτελέσματα της εργασίας έχουν μεταφερθεί και εφαρμόζονται μέσα στην ανάπτυξη μιας εμπορικής καινοτόμου ιατρικής συσκευής. Αυτή η εργασία εντάσσεται στο πλαίσιο της εφαρμοσμένης και τεχνολογικής έρευνας. Τα παραδοτέα της εργασίας περιλαμβάνουν μια φιλική διεπαφή προς το χρήστη που έχει αναπτυχθεί στο λογισμικό MATLAB και σχέδια της προτεινόμενης βελτιστοποιημένης γεωμετρίας. Στα ακόλουθα κεφάλαια γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση περί του γλαυκώματος, παρουσιάζονται τα μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν και επίσης τα μέσα και οι μέθοδοι. Ιδιαίτερη βαρύτητα κατά τη συγγραφή της παρούσας εργασίας δόθηκε στον τρόπο παρουσίασης των μεθόδων ώστε να είναι εύκολη η αναπαραγωγή του αποτελέσματος. Τα δύο τελευταία κεφάλαια της εργασίας παρουσιάζουν τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα αντίστοιχα.

Τα συστήματα διαχείρισης οδοστρωμάτων χρησιμοποιούνται ευρύτατα από τους φορείς οδοποιίας και συνεχώς βελτιώνονται επειδή μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντική εξοικονόμηση κεφαλαίου και σε υψηλά επίπεδα εξυπηρέτησης του οδικού δικτύου. Στόχος τους είναι η αξιολόγηση των αποφάσεων συντήρησης και διαχείρισης των οδοστρωμάτων για την αποτελεσματική κατανομή των περιορισμένων διαθέσιμων πόρων. Τα σύγχρονα συστήματα που έχουν αναπτυχθεί χρησιμοποιούν μεθόδους τεχνητής νοημοσύνης για την επίλυση του προβλήματος αφού αποτελούν ισχυρά εργαλεία βελτιστοποίησης με μεγάλες υπολογιστικές ικανότητες. Η πλειοψηφία των συστημάτων που έχουν δημιουργηθεί εντοπίζει τη βέλτιστη λύση που ελαχιστοποιεί το κόστος συντήρησης χωρίς να λαμβάνεται υπόψη το αντίκτυπο της επιδείνωσης της κατάστασης του οδοστρώματος στο χρήστη και στο περιβάλλον. Ωστόσο, τα σύγχρονα οδικά έργα είναι αναγκαίο να χαρακτηρίζονται από βιωσιμότητα που απαιτεί την ελαχιστοποίηση των αρνητικών επιπτώσεων που οφείλονται στην κατάσταση του οδοστρώματος. Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός συστήματος διαχείρισης οδοστρωμάτων το οποίο αποσκοπεί στην παροχή υποστήριξης αποφάσεων για τις κατάλληλες στρατηγικές συντήρησης ώστε να εξασφαλιστούν αποδεκτά επίπεδα ασφάλειας και λειτουργικότητας του δικτύου των αυτοκινητοδρόμων στη διάρκεια του χρόνου καθώς και μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Το μοντέλο που παρουσιάζεται δεν περιορίζεται μόνο στο κόστος συντήρησης, όπως οι περισσότερες μελέτες, αλλά επικεντρώνεται στο γενικευμένο κόστος που περιλαμβάνει το κόστος συντήρησης, το κόστος χρήστη και το περιβαλλοντικό κόστος. Το κόστος χρήστη αποτελείται από το κόστος λειτουργίας οχήματος, το κόστος μετακίνησης και το κόστος ατυχημάτων. Το κόστος του περιβάλλοντος συνίσταται από το κόστος εκπομπής των αέριων ρύπων, το κόστος θορύβου και το κόστος στην οικονομική, κοινωνική και πολιτική ζωή. Τα δεδομένα του προβλήματος σχετίζονται με την αρχική κατάσταση των οδοστρωμάτων που πρόκειται να συντηρηθούν, το είδος και τα χαρακτηριστικά της οδού, το είδος και τα χαρακτηριστικά των οχημάτων, τα διαθέσιμα είδη συντήρησης και το ύψος της χρηματοδότησης. Εξαιτίας του μεγέθους και της πολυπλοκότητας του προβλήματος, η βελτιστοποίηση πραγματοποιήθηκε με την εφαρμογή ενός γενετικού αλγορίθμου που έχει τη δυνατότητα να εξετάσει πλήθος οδικών τμημάτων αναζητώντας ένα ευρύ φάσμα πιθανών λύσεων μέσα σε ένα εύλογο χρονικό διάστημα υπολογισμού. Ο αλγόριθμος καταφέρνει να εντοπίζει τον κατάλληλο συνδυασμό συντηρήσεων ώστε το γενικευμένο κόστος να ελαχιστοποιείται ενώ ταυτόχρονα το οδόστρωμα να διατηρείται σε καλή κατάσταση. Για την αξιολόγηση του μοντέλου ερευνήθηκαν πολλές διαφορετικές περιπτώσεις ενώ στο τέλος σχεδιάστηκε η καμπύλη Pareto. Τα αποτελέσματα απέδειξαν ότι το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να βοηθήσει αποτελεσματικά στη διατήρηση των οδοστρωμάτων σε ικανοποιητικά επίπεδα λειτουργικότητας και κόστους μέσω των αποφάσεων συντήρησης που προτείνει. / Pavement management systems are widely used by road agencies and are improved continuously as they can lead to money savings and high levels of road services. The aim is to provide assistance to decision makers for selecting optimum strategies in the design, evaluation, and maintenance of pavements in order to maintain them in serviceable condition over a given period of time for the least cost. Nowadays, the developed systems use artificial intelligent methods to solve the problem which are powerful optimization tools with large computational abilities. The majority of pavement management systems detect the optimal solution that minimizes the maintenance cost without considering the impact of pavement deterioration in the user and the environment. However, they should be characterized by sustainability that requires an efficient use of resources and sensitivity to environmental and social constraints. In this paper, an optimisation model is developed that aims to provide decision support to engineers in developing appropriate pavement maintenance strategies to ensure acceptable levels of safety and functionalism of the highway network in time as well as reduction of environmental impacts. The model supersedes previous ones in considering the generalised cost, which includes the agency cost, the user cost, and the environmental impacts, as the main decision parameter. The user cost consists of three main components, the vehicle operation cost, the travel cost and the accident cost. The environmental cost consists of the air pollution cost and the noise cost. The input data are related to the initial pavement condition, the type and characteristics of the road, the type and characteristics of vehicles, the maintenance types and the budget limit. Due to the problem size and complexity, the optimisation is done with the employment of a genetic algorithm which can handle a large number of road sections, search a wide range of possible solutions, and reach a solution within reasonable computation time. The genetic algorithm can find the appropriate maintenance types in order to minimize the generalized cost while the pavement is kept in good condition. The model has been evaluated with several test cases and Pareto curves have been developed. The results indicate that the proposed model can effectively assist pavement preservation and management decisions in highway networks.

Θέμα της διπλωματικής εργασίας είναι οι “έξυπνες πόλεις”. Μελετάται η έννοια της “ έξυπνης πόλης”, οι εμπλεκόμενοι παράγοντες αλλά και το πώς καθορίζουν τη μορφή των μελλοντικών πόλεων. Στην διπλωματική, παρουσιάζεται ένα σύστημα, μία ηλεκτρονική εφαρμογή διαφορετικά, η οποία συμβάλλει στην βελτιστοποίηση επιλογής μεταφορών και δραστηριοτήτων. Το σύστημα αυτό, συλλέγοντας πληθώρα πληροφοριών για τη ζωή στην πόλη σε πραγματικό χρόνο, κρατά συνεχώς ενήμερο το χρήστη ενώ ταυτόχρονα, χάρη σε έναν αλγόριθμο, του προτείνει βέλτιστες λύσεις για την μετακίνησή του αλλά και την πραγματοποίηση των δραστηριοτήτων, που επιθυμεί στην πόλη. Η Πάτρα, ως μία σημαντική πόλη, η οποία, όμως, είναι σε πρώιμο στάδιο σε ό,τι αφορά την μετατροπή της σε “έξυπνη πόλη”, αποτελεί την περίπτωση μελέτης. Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές του συστήματος πάνω στην πόλη της Πάτρας, από διαφορετικές ομάδες χρηστών. Τέλος, το σύστημα αξιολογήθηκε και έγινε αντικείμενο επεξεργασίας ώστε να βελτιστοποιηθεί. / Τhe "smart cities" is the subject of this thesis. The concept of a "smart city", the stakeholders and how these factors would determine the shape of future cities is analyzed. In the thesis, a system, an electronic application in other words, is proposed. The system tries to optimize the selection and transport activities. This system, by collecting a lot of information about the life in the city in real time, keeps the user continuously updated while, at the same time, it can offer optimal solutions, thanks to an algorithm, for moving from one point of the city to another and for carrying out the activities that the users wish. Patra, as an important city, which, however, is at an early stage in the terms of its transformation into a "smart city", is selected as case study. Tests of the system, based on the city of Patras, were carried out by different groups of users. Finally, the system was evaluated and edited in order to be optimized.

Η δημοφιλής τάση για ασύρματη επικοινωνία συμβολίζει την ανάγκη μας για ανεξαρτησία και ευελιξία. Σε συνδυασμό με την έμφυτη ανάγκη του ανθρώπου για επικοινωνία, ανταλλαγή σκέψεων και εμπειριών, η τάση αυτή περιλαμβάνει τα τελευταία χρόνια την απαίτηση για ασύρματα πολυμέσα. Η ασύρματη επικοινωνία πολυμέσων έχει τη δυνατότητα να αλλάξει πολλές από τις παραμέτρους της καθημερινότητάς μας. Η πληθώρα των εφαρμογών που προσφέρονται περιορίζεται μόνο από τη δυνατότητα του ασύρματου καναλιού να διαθέσει πόρους, ενέργεια και χρόνο. Η χωρητικότητα του ασύρματου διαύλου επικοινωνίας είναι το κλειδί και η έρευνα εστιάζει στη βελτιστοποίηση της μετάδοσης εφαρμογών ροής βίντεο, αξιοποιώντας όσο το δυνατόν καλύτερα το ασύρματο κανάλι. Στα πλαίσια της διατριβής προτείνεται μια νέα αναλυτική μέθοδος δημιουργίας συνθετικών βίντεο ροών MPEG-4 που μεταδίδονται σε ένα ετερογενές ασύρματο περιβάλλον. Η κίνηση που δημιουργούν πολλαπλές ροές βίντεο μοντελοποιείται από μια αλυσίδα Μαρκόφ δύο διαστάσεων. Προκειμένου να διατηρηθεί η ποιότητα παρεχόμενης υπηρεσίας, προτείνεται ένας μηχανισμός μεταγωγής των ροών βίντεο με βάση τις πιθανότητες μετάβασης καταστάσεων του μοντέλου. Επιπλέον, παρουσιάζεται ένα αναλυτικό μοντέλο εκτίμησης της αλλοίωσης της αντιλαμβανόμενης ποιότητας κωδικοποιημένου βίντεο Η.264/AVC. Το μοντέλο αυτό αξιοποιεί τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της κωδικοποίησης Η.264/AVC και ιδιαίτερα τις αλληλεξαρτήσεις μεταξύ των πλαισίων βίντεο, ώστε να εξασφαλίσει την ακριβή εκτίμηση της συνολικής αλλοίωσης. Η μελέτη περιλαμβάνει συνδυασμούς πιθανών σφαλμάτων στο ασύρματο κανάλι ώστε να αποδειχθεί η δυνατότητα εκτίμησης της αλλοίωσης από το προτεινόμενο μοντέλο σε κάθε συνθήκη του δικτύου. Στη συνέχεια, αναλύονται μηχανισμοί προγραμματισμού της μετάδοσης πακέτων βίντεο και διαφοροποίησης της σημαντικότητας των πακέτων με βάση τον αντίκτυπό τους στη συνολική αλλοίωση του βίντεο. Η σημασία κάθε πακέτου εκτιμάται από το προτεινόμενο μοντέλο εκτίμησης της αλλοίωσης. Εξασφαλίζεται, έτσι, η προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης του βίντεο στις διαφορετικές συνθήκες του δικτύου. Η αξιολόγηση του μοντέλου εκτίμησης επεκτείνεται ώστε να συμπεριλάβει το πρωτόκολλο 802.11e το οποίο διαθέτει μηχανισμούς διασφάλισης της ποιότητας υπηρεσίας. Τέλος, παρουσιάζονται αλγόριθμοι επιλογής βέλτιστων διαδρομών μεταξύ πηγής και παραλήπτη σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων πολυμέσων. Προτείνεται μια επέκταση του πρωτοκόλλου LEACH ώστε να είναι δυνατή η δρομολόγηση πακέτων βίντεο από πολλαπλές διαδρομές με στόχο τη μικρότερη δυνατή αλλοίωση της ποιότητας και την εξοικονόμηση ενέργειας στους κόμβους. / The popular trend for wireless communications marks our demand for freedom and flexibility. Recently, the inherent human need for communication and sharing of ideas and experiences has been enriched with the need for wireless multimedia. Wireless multimedia communications have the ability to alter several parameters of our daily life. The great variety of offered services is only limited by the available resources of the wireless medium. The key is the capacity of the wireless medium and this research focuses on optimizing the video traffic while fully utilizing the wireless channel. This thesis introduces a new analytical method of creating synthetic MPEG-4 video streams over heterogeneous wireless networks. The aggregate video traffic generated by multiple wireless video sources is modeled by a two-dimensional Marcov chain. In order to achieve a guaranteed quality of service, a handoff mechanism is proposed based on the state transition probabilities of the statistical model. Moreover, an analytical distortion prediction model for H264/AVC coded video is presented. In order to precisely estimate the received video distortion, the proposed model utilizes the inherent characteristics of H.264/AVC coding and in particular, the correlation among neighboring video frames. The distortion prediction model’s ability to estimate the received video distortion is studied under different channel conditions. Hence, complex combinations of errors due to the wireless channel are considered in this thesis. Moreover, an analysis of video packet scheduling algorithms and traffic differentiation schemes, based on the video packet’s impact to the overall video distortion, is included. The importance of each video packet is estimated by the proposed distortion prediction model. Therefore, the transmission rate of a video source can be adapted to the varying wireless channel conditions. The evaluation of the model has been extended in order to include the study of the 802.11e standard, which incorporates mechanisms for guaranteeing quality of service. Finally, the thesis proposes algorithms for optimised video multipath routing in wireless multimedia sensor networks. A proposed extension of the LEACH protocol is implemented that ensures multipath video packet routing. Thus, significantly improved received video distortion and power consumption in the wireless sensor nodes, is achieved.

Η ραγδαία ανάπτυξη του διαδικτύου και των τεχνολογιών που το υποστηρίζουν έχει οδηγήσει στην ραγδαία αύξηση των εφαρμογών διαμοίρασης δεδομένων. Ταυτόχρονα, οι ανάγκες για ταχεία μεταφορά δεδομένων γίνονται ολοένα και μεγαλύτερες. Μία από τις πιο απαιτητικές κατηγορίες εφαρμογών που διανέμουν πληροφορία είναι οι εφαρμογές πολλαπλής αποστολής δεδομένων. Σε αυτές τις εφαρμογές, ένας αποστολέας θέλει να στείλει δεδομένα σε μία ομάδα παραληπτών, οι οποίοι στη γενική περίπτωση είναι γεωγραφικά κατανεμημένοι. Είναι προφανές ότι ο αποστολέας δεν μπορεί να στείλει τα δεδομένα σε όλους τους παραλήπτες ταυτόχρονα, γιατί το έυρος ζώνης που διαθέτει είναι περιορισμένο, ενώ οι παραλήπτες μπορεί να είναι χιλιάδες. Έτσι, υιοθετείται συνήθως η τακτική δημιουργίας ενός δέντρου διανομής, όπου ο αρχικός κόμβος στέλνει σε μερικούς μόνο παραλήπτες, οι οπόιοι προωθούν το μήνυμα στα παιδιά τους κ.ο.κ. Το δέντρο διανομής συνήθως κατασκευάζεται πάνω από ένα δομημένο δίκτυο ομοτίμων (p2p networks) και πιο συγκεκριμένα πάνω από ένα δίκτυο βασισμένο σε Κατανεμημένους Πίνακες Κατακερματισμού (Distributed Hash Tables - DHT). Αυτή η τεχνική, αν και λύνει το πρόβλημα της πολλαπλής αποστολής, αντιμετωπίζει όμως κάποια προβλήματα. Πιο συγκεκριμένα, το δέντρο διανομής είναι στατικό, δηλαδή δεν μπορεί να μεταβληθούν οι συνδέσεις μεταξύ των κόμβων αν αλλάξουν οι συνθήκες του υφιστάμενου δικτύου. Ακόμα, δεν υπάρχει κάποιος έλεγχος για τις δυνατότητες των κόμβων που βρίσκονται στα υψηλότερα επίπεδα του δέντρου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το δέντρο να χάνει μεγάλο μέρος από την αποδοτικότητά του. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής, μελετάμε τη δημιουργία ενός δυναμικού δέντρου διανομής, το οποίο μπορεί να αναπροσαρμόζεται στις εκάστοτε συνθήκες, αυξάνοντας έτσι σημαντικά τη συνολική αποδοτικότητα. Πιο συγκεκριμένα, η βασική μετρική είναι το εύρος ζώνης που παρατηρούν οι χρήστες κατα τη διάρκεια μιας αποστολής δεδομένων. Παρουσιάζουμε διάφορα στατιστικά στοιχεία που δείχνουν τη δραστική βελτίωση που επιτυγχάνουμε με τη χρήση του συγκεκριμένου αλγορίθμου. Ακόμα, μελετάμε τη δημιουργία ενός δέντρου διανομής που θα εκμεταλλεύεται τη δομή των DHT δίκτύων και θα μπορεί να διανέμει την πληροφορία αξιόπιστα (με χρήση erasure coding τεχνικών) ενώ θα εγγυάται ένα λογαριθμικό μέσο αριθμό βημάτων για την αποστολή των δεδομένων. Ταυτόχρονα, το σύστημα προσπαθεί να ισοκατανείμει το φόρτο προώθησης των μηνυμάτων σε όλους τους κόμβους του δικτύου. Και τα δύο συστήματα έχουν υλοποιηθέι και αξιολογηθεί χρησιμοποιώντας το DHT σύστημα Pastry και την υλοποίησή του σε Java (FreePastry). / The rapid evolution of the Internet and network technologies has led to an equally rapid increase in data dissemination applications. At the same time, the need for quick data transfer increase daily. One of the most demanding categories of information disseminating applications are file sharing applications. In these applications, one transmitter wants to send data to a group of receivers, that are geographically distributed. It is obvious that the transmitter can not send the data to all receivers simultaneously, because his bandwidth is limited , while the receivers may be hundreds or even thousands. Therefore, the most common method is that of the creation of a dissemination tree, where the initial node forwards the information to some recipients and they forward it to their children, etc. The dissemination tree is usually constructed over a peer-to-peer network, and specifically over a Distributed Hash Table (DHT) network. This method, although solves the problem of multicasting, faces some problems. First, the dissemination tree is static, which means that the connections between the nodes can not be rearranged, if the conditions of the underlying network change. Moreover, there is no control over the efficiency of the nodes in the highest levels of the tree. This leads to a significant drop in tree efficiency. In this thesis, we study the creation of a dynamic dissemination tree, which can adapt to the network conditions, thereby increasing the tree performance. Specifically, the basic evaluation metric is the bandwidth that end users perceive. We present evidence that shows the improvement that our algorithm imposes. We also study the creation of a dissemination tree that uses the existing DHT structure to efficiently and reliably (using erasure coding techniques) disseminate information and guarantees a logarithmic number of hops for message delivery. At the same time, the system tries to balance the load among all network nodes. Both systems were implemented and evaluated using the Pastry system and its implementation in Java (FreePastry).