Τα Δίκτυα Αισθητήρων αποτελούνται από ένα μεγάλο αριθμό μικρών αυτόνομων συσκευών, που αλληλεπιδρούν με το άμεσο περιβάλλον τους μέσω αισθητήρων, συλλέγουν δεδομένα και τα προωθούν προς ένας σταθερό, συνήθως, κέντρο ελέγχου, με αναμεταδόσεις στους ενδιάμεσους κόμβους. Η διαδικασία αυτή έχει ως αποτέλεσμα τη μεγάλη κατανάλωση ενέργειας στις συσκευές, ιδιαίτερα σε αυτές που βρίσκονται κοντά στο κέντρο ελέγχου, αφού πρέπει να αναμεταδίδουν και τα δεδομένα που φτάνουν από το υπόλοιπο δίκτυο προς το κέντρο ελέγχου. Για την επίτευξη μιας πιο ισορροπημένης και αποδοτικής διαδικασίας συλλογής δεδομένων, τα τελευταία χρόνια έχει υιοθετηθεί μια νέα προσέγγιση, όπου το κέντρο ελέγχου είναι κινητό. Η βασική ιδέα είναι ότι το κέντρο ελέγχου διαθέτει σημαντικά και εύκολα ανανεώσιμα αποθέματα ενέργειας, επομένως μπορεί να κινείται στην περιοχή όπου έχει αναπτυχθεί το δίκτυο αισθητήρων, αναλαμβάνοντας να συλλέξει τα δεδομένα από τους κόμβους με πολύ μικρό κόστος. Ωστόσο, η μετάδοση των δεδομένων μπορεί να παρουσιάζει σημαντικές καθυστερήσεις. Συλλογή δεδομένων με προσαρμοστικούς χρόνους αναμονής: Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκαν πρωτόκολλα ελέγχου της κίνησης ενός κέντρου ελέγχου σε δίκτυο αισθητήρων με ανομοιογενή ανάπτυξη των κόμβων αισθητήρων, με στόχο την αποδοτική, ως προς την ενέργεια και τον χρόνο παράδοσης, συλλογή των δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα, αρχικά παρουσιάζεται ένα πρωτόκολλο με βάση το οποίο το κέντρο ελέγχου διαιρεί νοητά το δίκτυο σε περιοχές τις οποίες και επισκέπτεται διαδοχικά, σταματώντας σε κάθε περιοχή για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, ώστε να συλλέξει τα δεδομένα. Προτείνουμε δύο τρόπους κίνησης του κέντρου ελέγχου, ντετερμινιστικό και τυχαίο. Στην τυχαία κίνηση, η επιλογή της επόμενης περιοχής την οποία θα επισκεφτεί το κέντρο ελέγχου γίνεται με τυχαίο τρόπο, εισάγοντας όμως ένα όρο μεροληψίας, έτσι ώστε να προτιμούνται περιοχές που έχουν δεχτεί λιγότερες επισκέψεις. Επιπλέον η μέθοδός μας αποφασίζει το χρόνο παύσης σε κάθε περιοχή λαμβάνοντας υπόψιν κάποιες βασικές παραμέτρους του δικτύου, όπως τα αρχικά αποθέματα ενέργειας των κόμβων αισθητήρων και την πυκνότητα της κάθε περιοχής, έτσι ώστε να παραμένει περισσότερο χρόνο σε περιοχές με μεγαλύτερη πυκνότητα, άρα και μεγαλύτερη ποσότητα πληροφορίας. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η γρήγορη κάλυψη όλου του δικτύου, καθώς επίσης και η δίκαιη εξυπηρέτηση των επιμέρους περιοχών του δικτύου. Προσαρμοστικοί τυχαίοι περίπατοι Στη συνέχεια, μελετάται η χρήση τυχαίων περιπάτων κατά την κίνηση του κέντρου ελέγχου σε δίκτυα αισθητήρων με στόχο την επίτευξη ενός ικανοποιητικού σημείου ισορροπίας μεταξύ κατανάλωσης ενέργειας και καθυστέρησης στην παράδοση των μηνυμάτων. Για την ικανοποίηση του στόχου αυτού, προτείνουμε τρεις νέους τυχαίους περιπάτους, τους α) Τυχαίος Περίπατος με Αδράνεια, κατά τον οποίο το κινούμενο αντικείμενο τείνει να διατηρεί την ίδια κατεύθυνση στην κίνησή του όσο ανακαλύπτει κόμβους αισθητήρων που δεν έχει επισκεφτεί και αλλάζει την κατεύθυνσή του όταν φτάνει σε κόμβους που έχει ξαναεπισκεφτεί, β) Explore-and-Go, κατά τον οποίο το κινούμενο αντικείμενο τείνει να εκτελεί μια Brownian κίνηση γύρω από την περιοχή του όσο υπάρχουν κόμβοι που δεν έχουν δεχτεί επίσκεψη, γ) Curly Random Walk, όπου το κινούμενο αντικείμενο διαπερνάει όλη την περιοχή του δικτύου ξεκινώντας από το κέντρο και επεκτείνοντας την κίνησή του με συνεχόμενες κυκλικές κινήσεις προς τα έξω. Για την εφαρμογή των τυχαίων περιπάτων χρησιμοποιούμε ένα νοητό πλέγμα ώστε να καλύπτουμε την περιοχή του δικτύου αισθητήρων• οι περίπατοι κινούνται πάνω στους κόμβους του πλέγματος. Αν και στις περισσότερες περιπτώσεις οι τυχαίοι περίπατοι μελετώνται σε Gn,p και Grid γράφους, τα δίκτυα αισθητήρων μοντελοποιούνται με μεγαλύτερη ακρίβεια χρησιμοποιώντας το μοντέλο των Random Geometric Graphs (RGG), εφόσον έτσι αναπαρίσταται καλύτερα η χωρική εγγύτητα του δικτύου. Οι παραπάνω τυχαίοι περίπατοι δεν δίνουν τα επιθυμητά αποτελέσματα όταν τρέχουν σε RGG. Έτσι οδηγηθήκαμε στο σχεδιασμό ενός νέου τυχαίου περιπάτου, του γ-Stretched Random Walk, η βασική ιδέα του οποίου είναι να μεροληπτεί υπέρ της επίσκεψης των πιο μακρινών γειτόνων του τρέχοντος κόμβου έτσι ώστε να μειώσει στο ελάχιστο τις επικαλύψεις στις επισκέψεις. Αλγόριθμοι που λαμβάνουν υπόψιν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στο δίκτυο: Εκτός από τη μελέτη της κίνησης του κέντρου ελέγχου σε δίκτυα αισθητήρων, στη διατριβή αυτή παρουσιάζεται μια πρώτη προσπάθεια μελέτης θεμάτων σχετικά με την επίγνωση της εκπομπή ακτινοβολίας σε περιβάλλοντα όπου λειτουργούν πολλαπλά ετερογενή ασύρματα δίκτυα. Ως ακτινοβολία σε ένα σημείου του τρισδιάστατου χώρου καλούμε τη συνολική ποσότητητα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που δέχεται το σημείο αυτό. Έτσι, καταρχάς μελετάμε σε αναλυτικό επίπεδο την ακτινοβολία σε διάφορες γνωστές τοπολογίες (τυχαίες, πλέγματα) και κατόπιν επικεντρώνουμε το ενδιαφέρον μας στην εύρεση ενός μονοπατιού ελάχιστης ακτινοβολίας το οποίο ακολουθείται από κάποιο άτομο που κινείται στην περιοχή που καλύπτεται από ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων. Προτείνουμε τρεις ευρετικές μεθόδους για την εύρεση του μονοπατιού καθώς το άτομο κινείται, ενώ υπολογίζουμε και την οffline λύση χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο ελάχιστου μονοπατιού. Κατόπιν, εξετάζουμε το θεμελιώδες πρόβλημα της διάδοσης των δεδομένων σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, προσπαθώντας τόσο να παραμείνει γρήγορη η διαδικασία παράδοσης των μηνυμάτων, παράλληλα όμως και η συνολική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που παράγεται από τις συνεχείς ασύρματες μεταδόσεις να διατηρηθεί σε χαμηλά επίπεδα. Αυτό επιτυγχάνεται αρχικά χρησιμοποιώντας κάποιες άπληστες ευρετικές μεθόδους που όμως λαμβάνουν υπόψιν την ακτινοβολία. Επιπλέον, οι μέθοδοι αυτοί συνδυάζονται με μεθόδους που πραγματοποιούν back-off στο χρόνο, χρησιμοποιώντας τοπικές ιδιότητες του δικτύου (όπως ο αριθμός γειτόνων, η απόσταση από το κέντρο ελέγχου), έτσι ώστε «απλωθεί» κατά κάποιο τρόπο η ακτινοβολία τόσο ως προς το χρόνο αλλά και ως προς το χώρο. Τα προτεινόμενα πρωτόκολλα αξιολογήθηκαν πειραματικά μέσω προσομοίωσης, χρησιμοποιώντας ποικίλες τιμές για βασικές παραμέτρους του δικτύου και σύγκρινοντάς τα με σχετικές υπάρχουσες ευρέως αποδεκτές μεθόδους. Συστημικές Εφαρμογές: Τέλος, στη διατριβή παρουσιάζονται κάποιες συστημικές εφαρμογές ασύρματων δικτύων αισθητήρων σε κτίρια. Συγκεκριμένα, η πρώτη εφαρμογή αναλαμβάνει σε περίπτωση ανίχνευσης φωτιάς, την εύρεση του ελάχιστου μονοπατιού μακριά από το σημείο όπου έγινε η ανίχνευση. Επιπλέον, παρέχει καθοδήγηση στους ενοίκους του κτιρίου (οι οποίοι μοντελοποιούνται από ένα κινούμενο ρομπότ) έτσι ώστε να εγκαταλείψουν με ασφάλεια το κτίριο. Η επόμενη εφαρμογή παρουσιάζει τη δυνατότητα της απρόσκοπτης διασύνδεσης αυτοματισμών έξυπνων κτιρίων, αποτελούμενων από ενσωματωμένα συστήματα, στο διαδίκτυο και την αφαιρετικοποίησή τους ως απλά web services. Η προσέγγιση αυτή έχει στόχο την δημιουργία ενός ευέλικτου, εύκολα κλιμακώσιμου συστήματος που είναι προσβάσιμο και ελεγχόμενο απομακρυσμένα. Η προσέγγιση που ακολουθήθηκε και παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός αριθμού αισθητήρων μέσα σε ένα κτίριο, οι οποίοι αποκτούν IPv6 διεύθυνση ώστε να είναι προσβάσιμοι διαδικτυακά, ενώ παράλληλα διασυνδέονται με ηλεκτρικές συσκευές του κτιρίου για σχηματισμό αυτοματισμών. Τέλος αναπτύχθηκε μία web εφαρμογή για απομακρυσμένη διαχείριση του δικτύου και του κτιρίου γενικότερα. / Wireless Sensor Networks consist of a large number of small, autonomous devices, that are able to interact with their environment by sensing and collaborate to fulfill their tasks, as, usually, a single node is incapable of doing so; and they use wireless communication to enable this collaboration. The collected data is disseminated to a static control point – data sink in the network, using node to node - multi-hop data propagation. However, sensor devices consume significant amounts of energy in addition to increased implementation complexity, since a routing protocol is executed. Also, a point of failure emerges in the area near the control center where nodes relay the data from nodes that are farther away. Recently, a new approach has been developed that shifts the burden from the sensor nodes to the sink. The main idea is that the sink has significant and easily replenishable energy reserves and can move inside the area the sensor network is deployed, in order to acquire the data collected by the sensor nodes at very low energy cost. However, the need to visit all the regions of the network may result in large delivery delays. Data collection with biased stop times: In this work we have developed protocols that control the movement of the sink in wireless sensor networks with non-uniform deployment of the sensor nodes, in order to succeed an efficient (with respect to both energy and latency) data collection. More specifically, we first propose a protocol, where the sink partitions the network area in equal square regions and then performs a network traversal by visiting each area sequentially. Also, it pauses in each area for a certain amount of time, in order to collect the data. Two network traversal methods are proposed, a deterministic and a random one. When the sink moves in a random manner, the selection of the next area to visit is done in a biased random manner depending on the frequency of visits of its neighbor areas. Thus, less frequently visited areas are favored. Moreover, our method locally determines the stop time needed to serve each region with respect to some global network resources, such as the initial energy reserves of the nodes and the density of the region, stopping for a greater time interval at regions with higher density, and hence more traffic load. In this way, we achieve accelerated coverage of the network as well as fairness in the service time of each region. Besides randomized mobility, we also propose an optimized deterministic trajectory without visit overlaps, including direct (one-hop) sensor-to-sink data transmissions only. Adaptive random walks: Afterwards, in order to achieve satisfactory energy-latency trade-offs the use of random walks for the sink' s motion pattern is studied. Towards this direction three new random walks evaluated on a grid overlaying the wireless sensor network are proposed. The first one is the Random Walk with Inertia where the sink tends to keep the same direction as long as it discovers new nodes, while changing direction when it encounters already visited ones. The second one is the Explore-and-Go Random Walk, where as long as there are undiscovered nodes on the nearby sub-regions of the network it tends to make a Brownian-like motion until all this area is covered. When no new sensors are discovered, it performs a more or less straight-line walk in order to move to a different, possibly unvisited area. The last one is the Curly Random Walk where the sink traverses the network area beginning from the center and expanding its traversal to the entire network area with consecutive circular-like moves. In random walk studies the Gn,p and Grid graph models are well established. However, wireless sensor networks are more accurately modeled via Random Geometric Graphs (RGG), as RGG better capture certain characteristics of WSN's such as link existence dependencies of neighbouring nodes due to geometric proximity. The above mentioned random walks do not behave well on this particular graph model, thus a new random walk was defined, the so called γ-stretched random walk. Its basic idea is to favour visiting distant neighbours of the current node towards reducing node overlap. Radiation-aware algorithms: Except for the issue of mobility in wireless sensor networks, in this work we also attempt (probably for the first time from a distributed networking perspective) to investigate the aspect of electromagnetic radiation in modern and future heterogeneous wireless networks. We call “radiation” at a target elementary surface the total amount of electromagnetic quantity (in terms of energy or power density) it is exposed to. Thus, we first evaluate, both mathematically and by simulation, the radiation in well known sensor network topologies (random, grid) and then focus on the minimum radiation path problem of finding low radiation trajectories for a person moving in a sensor network. We propose three online heuristics and then we identify the (offline) optimum path given by the shortest paths' algorithm. Afterwards, we focus on the fundamental problem of efficient data propagation in wireless sensor networks, trying to keep latency low while maintaining at low levels the radiation cumulated by wireless transmissions. We first propose greedy and oblivious routing heuristics that are radiation aware. We then combine them with temporal back-off schemes that use local properties of the network (e.g. number of neighbours, distance from sink) in order to “spread” radiation in a spatio-temporal way. Al the proposed protocols were evaluated via simulation, in diverse network settings and comparatively to related state of the art solutions. Systems and applications: Finally, in this work we present two applications of wireless sensor networks in buildings. More specifically, the first application, in the event of a fire inside a monitored building, uses the information from the deployed sensor network in order to find the shortest safest path away from the emergency and provides navigation guidance to the occupants (modelled by a mobile robot), in order to safely evacuate the building. The second application addresses networked embedded systems enabling the seamless interconnection of smart building automations to the Internet and their abstractions as web services, using the latest technologies based on IPv6, such as 6LOWPAN, COAP and RESTLess Architecture.

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.

Η παρούσα έρευνα εντάσσεται στο πλαίσιο εκπόνησης διδακτορικής διατριβής στο Εργαστήριο του Τμήματος Αρχιτεκτόνων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Η χαρτογράφηση της εγκληματικότητας (Crime Mapping) είναι η διαδικασία χρήσης της τεχνολογίας των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών και της εφαρμογής μεθόδων και τεχνικών της Χωρικής Ανάλυσης και της Χαρτογραφίας για την μελέτη και ανάλυση εγκληματικών συμβάντων. Ένα μεγάλο σύνολο ανθρωπίνων δραστηριοτήτων αναπτύσσεται, παρατηρείται και καταγράφεται στους αστικούς χώρους. Η επίδραση που ασκεί ο χώρος στην ανθρώπινη συμπεριφορά αλλά και η επίδραση της ανθρώπινης συμπεριφοράς που ασκείται πάνω στον χώρο είναι μια σχέση αμφίδρομη και αποτελεί σημαντικό στοιχείο για το σχεδιασμό. Συνεπώς, η δομή αυτή καθ’ αυτή των πόλεων, οι ήδη διαμορφωμένοι δημόσιοι αστικοί χώροι και οι κοινωνικό-οικονομικές αλλαγές που συντελούνται, συνιστούν μια πρόκληση για τους σύγχρονους σχεδιαστές του χώρου αυτού. Η έρευνα αφορά τη μελέτη της χωρικής κατανομής εγκλημάτων ιδιοκτησίας (απόπειρες, κλοπές, διαρρήξεις, ληστείες) στον αστικό ιστό της πόλης σε σχέση με χωρικά χαρακτηριστικά και κυρίως με πολεοδομικές παραμέτρους, ενώ παράλληλα εστιάζει με τρόπο ώστε να είναι δυνατή η εφαρμογή και ενσωμάτωση πορισμάτων της εγκληματολογίας στην διαδικασία του πολεοδομικού σχεδιασμού και γενικότερα του σχεδιασμού του χώρου. Ολοκληρώνεται, με συστηματική μελέτη περίπτωσης, μέσω αναλυτικής στατιστικής ανάλυσης και ανάλυσης γεωστατιστικής σχετικών δεδομένων που αφορούν το Σχέδιο Πόλεως Πατρών και τη δημιουργία γεωσυνόλων και θεματικών χαρτών που απεικονίζουν τη χωρική κατανομή του φαινομένου. Για την ανάλυση των χαρακτηριστικών της μελέτης περίπτωσης χρησιμοποιούνται χωρικές βάσεις δεδομένων με στοιχεία που η Γενική Αστυνομική Διεύθυνση Περιφέρειας Δυτικής Ελλάδος διέθεσε για την εκπόνηση της εργασίας: 4.770 απογραφικά δελτία εγκληματικών συμβάντων (εγκλήματα ιδιοκτησίας) που αφορούν το σύνολο τεσσάρων ετών από το 2007 έως και το 2010. Η εκπόνηση της έρευνας χρηματοδοτήθηκε από το Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση, Ηράκλειτος ΙΙ, Υπουργείο Παιδείας και Θρησκευμάτων, ΕΣΠΑ 2007 – 2013, Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο. / This thesis has been elaborated in the Laboratory of Urban and Regional Planning, Department of Architecture, University of Patras. Crime Mapping is the process of using GIS technology and the implementation of Spatial Analysis and Mapping methods for studying and analysis of criminal incidents. In recent years, the rapid evolution of GIS technology and the availability of digital spatial data have strengthened the significant role of spatial analysis and GIS in crime analysis. A great deal of human activity is developed, observed and recorded in urban areas. The human impact is implemented on the urban areas as well as the urban areas have an impact on human behavior, setting a correlation that is an important design/planning characteristic. Consequently, the structure of modern cities, the existing urban public spaces along with the socioeconomic changes that happen constitute a challenge for contemporary designers and planners. The research is based on the study of spatial criminal distribution of property crimes (attempts, thefts, burglaries, robberies) in the urban web of a city, in terms of spatial characteristics and urban planning parameters while it focuses on criminology findings so as they can be incorporated and applied in urban planning in order to design and identify strategic orientations and create safer urban areas. It concludes with a systematic case study through an analytical statistical and geostatistical analysis of relevant data concerning the Master Plan of city of Patras and the development of geosets and thematic maps depicting the spatial distribution of the phenomenon. For that purpose, the Central Police Department of Patras offered to the university Laboratory all census forms of criminal acts and events (property crimes): 4.770 reports that took place at the city of Patras (Greece) during the years 2007 – 2010. This research has been co-financed by the European Union (European Social Fund – ESF) and Greek national funds through the Operational Program “Education and Lifelong Learning” of the National Strategic Reference Framework (NSRF) - Research Funding Program: Heracleitus II.

Η ραγδαία ανάπτυξη και διείσδυση των νέων τεχνολογιών πληροφορίας και επικοινωνίας έχει επιφέρει ριζικές αλλαγές σε όλους τους τομείς της ανθρώπινης δράσης (Castells, 1998). Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η επιρροή των τεχνολογιών αυτών στον τομέα της εκπαίδευσης. Οι εξελίξεις στον χώρο της τεχνολογίας και επικοινωνίας καθώς και η διάδοση του Internet μετεξέλιξαν αναπόφευκτα την εκπαιδευτική διαδικασία, από το κλασσικό συγκεντρωτικό μοντέλο σε ένα πιο άμεσο και ευέλικτο: η «εξ’ Αποστάσεως Εκπαίδευση» (e-learning) είναι μια εναλλακτική μορφή εκπαίδευσης, που επιδιώκει να καλύψει τους περιορισμούς της παραδοσιακής εκπαίδευσης. Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα ολοκληρωμένο σύστημα Δυναμικής Ανάλυσης και Πρόβλεψης της επίδοσης των εκπαιδευομένων, για ένα σύστημα εξ΄ αποστάσεως εκπαίδευσης. Η βασική ιδέα εμφορείται από την ανάγκη των ιδρυμάτων εξ΄ αποστάσεως εκπαίδευσης, για την κάλυψη των εκπαιδευτικών αναγκών και την παροχή υψηλής ποιότητας σπουδών. Η εξόρυξη γνώσης για την πρόβλεψη της επίδοσης των εκπαιδευομένων συμβάλλει καθοριστικά στην επίτευξη υψηλής ποιότητας σπουδών. Η ικανότητα και η δυνατότητα πρόβλεψης της απόδοσης των εκπαιδευομένων μπορεί να φανεί χρήσιμη με αρκετούς τρόπους για την διαμόρφωση ενός συστήματος, που θα μπορεί να αποτρέψει την αποτυχία καθώς και την παραίτηση των εκπαιδευομένων. Αξίζει να σημειωθεί ότι στα συστήματα εξ’ αποστάσεως εκπαίδευσης η συχνότητα «εγκατάλειψης» είναι αρκετά υψηλότερη από αυτή στα συμβατικά πανεπιστήμια. Για την πρόβλεψη της επίδοσης των εκπαιδευομένων, η απαιτούμενη πληροφορία βρίσκεται «κρυμμένη» στο εκπαιδευτικό σύνολο δεδομένων (δλδ. βαθμοί γραπτών εργασιών, βαθμοί τελικής εξέτασης, παρουσίες φοιτητών) και είναι εξαγώγιμη με τεχνικές εξόρυξης. Η χρήση μεθόδων εξόρυξης δεδομένων (data mining) στον τομέα της εκπαίδευσης παρουσιάζει αυξανόμενο ερευνητικό ενδιαφέρον. Ο νέος αυτός «αναπτυσσόμενος» τομέας έρευνας, που ονομάζεται «Εκπαιδευτική Εξόρυξη Δεδομένων», ασχολείται με την ανάπτυξη μεθόδων εξόρυξης «γνώσης» από τα εκπαιδευτικά σύνολα δεδομένων. Πράγμα που επιτυγχάνεται με τη χρήση τεχνικών όπως τα δέντρα απόφασης, τα Νευρωνικά Δίκτυα, Naïve Bayes, k-means, κλπ. Η παρούσα εργασία έχει σχεδιαστεί να προσφέρει ένα μοντέλο εξόρυξης δεδομένων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των δέντρων απόφασης, για το σύστημα τριτοβάθμιας εκπαίδευσης στο ανοιχτό πανεπιστήμιο. Η «γνώση» που προκύπτει από τα δεδομένα εξόρυξης θα χρησιμοποιηθεί με στόχο την διευκόλυνση και την ενίσχυση της μάθησης, καθώς επίσης και στη λήψη αποφάσεων. Στην παρούσα εργασία, εξάγουμε «γνώση» που σχετίζεται με τις επιδόσεις των μαθητών στην τελική εξέταση. Επίσης, γίνεται εντοπισμός των ατόμων που εγκαταλείπουν το μάθημα και των μαθητών που χρειάζονται ιδιαίτερη προσοχή και εντέλει δίνει τη δυνατότητα στους καθηγητές να παράσχουν την κατάλληλη παροχή συμβουλών. / The rapid development and intrusion of information technology and communications have caused radical changes in all sectors of human’s activity. (Castells, 1998). Of particular interest is the great technology’s influence on education. Due to the adoption of the new technologies, e-learning has been emerged and developed. As a result, distance learning has transformed and new possibilities have appeared. It is remarkable that distance learning became and considered as a scout of the new era in education and contributed to the quality of education: e-learning is trying to cover the limitations of conventional teaching environment. In the present thesis, an integrated system of dynamic analysis and prediction of the performance of students in distance education has been designed and implemented. The initial idea for designing this system came from the higher distance education institutes’ need to provide quality education to its students and to improve the quality of managerial decisions. One way to achieve highest level of quality in higher distance education e-learning system is by discovering knowledge from educational data to study the main attributes that may affect the students’ performance. The discovered knowledge can be used to offer a helpful and constructive recommendations to the academic planners in higher distance education institutes to enhance their decision making process, to improve students’ academic performance, trim down failure rate and dropout rate, to assist instructors, to improve teaching and many other benefits. Dropout rates in university level distance learning are definitely higher than those inconventional universities, thus limiting dropout is essential in university-level distance learning.

Η μελέτη και παρακολούθηση του Περιβάλλοντος με σκοπό την κατανόηση και προστασία του, προϋποθέτουν τη δυνατότητα καταγραφής, επεξεργασίας και αποθήκευσης πλήθους μετρήσεων καθώς και τη χρήση μαθηματικών μοντέλων. Για τον σκοπό αυτό έχουν αναπτυχθεί από διεθνείς οργανισμούς (Κυβερνητικούς και Μη) ειδικές Περιβαλλοντικές Βάσεις Δεδομένων που ανάλογα με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους καταγράφουν τις τιμές διαφόρων περιβαλλοντικών μεταβλητών. Για την αποτελεσματικότερη χρήση των ΠΒΔ και την συγκριτική αξιολόγησή τους αναπτύχθηκε ένας Τυπολογικός Πίνακας βασισμένος σε δώδεκα (12) παραμέτρους με σκοπό την κατάταξη των κυριότερων ΠΒΔ σε αυτόν. Ως εκ τούτου, επιλέχθηκαν δεκαεπτά (17) ΠΒΔ, που υποστηρίζονται είτε από διεθνείς ή από ελληνικούς φορείς, και περιλαμβάνουν την περιοχή της ανατολικής Μεσογείου. Η ανάπτυξη του Τυπολογικού Πίνακα επιτρέπει την κατάταξη οποιασδήποτε άλλης ΠΒΔ σε αυτόν ενώ αποτελεί και ένα χρήσιμο εργαλείο στο σχεδιασμό μελλοντικών τέτοιων Βάσεων. Κάνοντας χρήση των φίλτρων του Πίνακα επιλέχθηκαν τρείς (3) μελέτες περιπτώσεων για την συγκριτική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων δύο (2) ΠΒΔ που πληρούν όμοια κριτήρια. Στα συμπεράσματα της εργασίας περιλαμβάνεται η διαπίστωση ότι παρά την ετερογένεια της πληροφορίας που παρατηρείται μεταξύ των ΠΒΔ, υπάρχουν οι προϋποθέσεις να εξαχθούν ασφαλείς και χρήσιμες παρατηρήσεις. / Over the past decades, an effort has been made by several Governments and Non-Governmental Organizations to develop and support Environmental Data Bases (EDBs) containing specific environmental parameters and characteristics. The aim was to study and monitor environmental variables in order to better understand and predict their structures and trends and thus protect the global ecosystem. In order to achieve an effective way of using the various Environmental DBs a typological Table was developed in accordance to specific parameters. Priority was given to those EDBs that focus on the eastern part of Mediterranean. This Typology allows every EDB to be classified according to specific spatio-temporal scales and parameters and simultaneously can offer a better approach for designing other EDBs in the future. Three (3) case studies were selected based on the Typological Table for comparative assessment of the EDBs. In general the EDB are heterogeneous and do not follow the same data structure. However under some circumstances, interesting information can be extracted that expands and completes our knowledge about the Environment.

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία μελετά το θέμα της προσωποποίησης - εξατομίκευσης δικτυακών τόπων. Αρχικά, παρουσιάζεται μια ανασκόπηση στη σχετική βιβλιογραφία όπου εντοπίζεται πληθώρα αναφορών και λύσεων -ακαδημαϊκών και εμπορικών- για το συγκεκριμένο θέμα. Στις περισσότερες από αυτές τις περιπτώσεις καταβάλλεται προσπάθεια για εξατομίκευση η οποία στηρίζεται σε δεδομένα που συλλέγονται από δηλώσεις ή ενέργειες του χρήστη, άμεσα ή έμμεσα. Όμως, η μελέτη των σχετικών άρθρων δείχνει ότι η μέχρι σήμερα επιτυχία των εγχειρημάτων αξιοποίησης δεδομένων χρήσης του ιστού (web usage data) είναι περιορισμένη. Το βασικό έλλειμμα που διαπιστώνεται είναι το γεγονός ότι η διαχείριση του περιεχομένου ενός δικτυακού τόπου συνήθως γίνεται με μηχανιστικό τρόπο, αποφεύγοντας τόσο την κατανόηση του περιεχομένου του όσο και της δομής του. Ακολούθως, στη Διπλωματική Εργασία γίνεται απόπειρα εξατομίκευσης δικτυακών τόπων με ημιαυτόματο τρόπο χρησιμοποιώντας τα αρχεία καταγραφής χρήσης ιστού ενώ ταυτόχρονα βασίζεται σε σημασιολογικές και εννοιολογικές αναλύσεις του περιεχομένου των δικτυακών τόπων. Με αυτήν τη μέθοδο υλοποιείται ένα εργαλείο που εξατομικεύει τον δικτυακό τόπο προτείνοντας στους χρήστες ιστοσελίδες με παραπλήσιο εννοιολογικό περιεχόμενο. Αυτό γίνεται δημιουργώντας την οντολογία του εκάστοτε δικτυακού τόπου και συνδυάζοντάς τη με τα δεδομένα πλοήγησης των χρηστών. / The present Diploma Dissertation attempts to study the personalization of websites. Initially, a thorough review of the relevant bibliography is presented, in which a plethora of academic and commercial reports and solutions is located regarding the subject of website personalization. In most cases, to achieve personalization, the researchers are based on data which are directly or indirectly collected by user statements or actions. However, the study of relative articles shows that there is limited success in the use of web usage data for personalization purposes. The fundamental problem lies in the fact that the comprehension of the content and the structure of a website is often neglected or even avoided. Further on, personalization of websites in a semi-automatic way is attempted using log files while it is simultaneously based in semantic and conceptual analysis of the website content. In this way, a tool is developed that personalizes websites by proposing web pages with similar conceptual content to the users. This is done by creating the ontology of the website and combining it with the users’ web usage data.

Οι Δομές Δεδομένων είναι ένας από τους σημαντικότερους και ιστορικότερους κλάδους της Επιστήμης των Υπολογιστών, με συνεχή εξέλιξη από τη δεκαετία του εβδομήντα μέχρι σήμερα, παρέχοντας λύσεις σε θεμελιώδη προβλήματα σε ταξινόμηση, οργάνωση, διαχείριση και αναζήτηση πληροφορίας. Παράλληλα, η ανάπτυξη σύγχρονων κλάδων της Επιστήμης των Υπολογιστών όπως τα Σύγχρονα, Δικτυοκεντρικά Πληροφοριακά Συστήματα και η Βιοπληροφορική, έφερε μαζί της την έκρηξη των δεδομένων. Η ανάγκη αποδοτικής διαχείρισης της παρεχόμενης πληροφορίας καθίσταται έτσι πιο επιτακτική από ποτέ. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής αναγνωρίζοντας την ανάγκη για αποδοτική διαχείριση πληροφορίας σε όλα τα επίπεδα, παρουσιάζουμε τη μελέτη και την πρόταση λύσεων σε σύγχρονα προβλήματα στους χώρους: της Διαχείρισης Συμβολοσειρών, της Αναδιοργάνωσης Δικτυακών Τόπων, της Ανακάλυψης Web Services με υποστήριξη χαρακτηριστικών Ποιότητας Υπηρεσίας και της Προσωποποιημένης Ανάκτησης Πληροφορίας στο Διαδίκτυο. Σε αυτή την κατεύθυνση, στον τομέα της Διαχείρισης Συμβολοσειρών, παραθέτουμε αλγορίθμους σε θεμελιώδη προβλήματα στο χώρο της διαχείρισης Σταθμισμένων Ακολουθιών (weighted sequences), όπως ταίριασμα προτύπου, εύρεση επαναληπτικών δομών, και συνεχίζουμε δίνοντας απλοποιητικές αλλά βέλτιστες λύσεις σε προβλήματα περιοδικοτήτων σε συνήθεις συμβολοσειρές, όπως τα προβλήματα εύρεσης όλων των καλυμμάτων μιας συμβολοσειράς, εύρεσης της περιόδου μιας συμβολοσειράς και εύρεσης όλων των φύτρων μιας συμβολοσειράς. Στην Αναδιοργάνωση Δικτυακών Τόπων, παραθέτουμε δυο διαφορετικές μετρικές για την αποτίμηση της αντικειμενικής αξίας των ιστοσελίδων του κάθε ιστοτόπου. Αυτές οι μετρικές παραλλάζουν τις προσβάσεις που δέχεται κάποια ιστοσελίδα με τρόπο που καταδεικνύει την αντικειμενική αξία της ιστοσελίδας. Από πειραματική αποτίμηση των μετρικών, προκύπτει ότι παρέχουν ακριβή πληροφόρηση για τα σημεία του δικτυακού τόπου που χρήζουν αναδιοργάνωσης. Στη συνέχεια δίνουμε μια μέθοδο για τον εντοπισμό σημαντικών τμημάτων μεγαλύτερου μεγέθους στο δικτυακό τόπο και παρουσιάζουμε μια σειρά μεθόδων τόσο σε τεχνικό όσο και θεωρητικό επίπεδο για την αναδιοργάνωση ενός δικτυακού τόπου. Στον τομέα της Ανακάλυψης Web Services, εξετάζουμε την Ανακάλυψη που πληροί περιορισμούς ως προς την παρεχόμενη Ποιότητα Υπηρεσίας. Αρχικά, παρουσιάζονται δυο απλές μέθοδοι για την καταχώριση χαρακτηριστικών ποιότητας υπηρεσίας επεκτείνοντας υπάρχοντα πρότυπα υλοποίησης Web Service. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε έναν αλγόριθμο για την ανακάλυψη του σεναρίου εκτέλεσης μιας ακολουθίας (workflow) από συνεχόμενες Web Services, που ελαχιστοποιεί το συνολικό χρόνο εκτέλεσης. Μια σειρά από ευριστικές μεθόδους παρουσιάζονται επίσης, για την υλοποίηση σε πρακτικό επίπεδο του προτεινόμενου αλγορίθμου, οι οποίες αποτιμούνται πειραματικά. Τέλος, στον τομέα της Προσωποποιημένης Ανάκτησης Πληροφορίας στο Διαδίκτυο εξετάζουμε διαφορετικές τεχνικές προσωποποίησης των αποτελεσμάτων των μηχανών αναζήτησης. Η πρώτη τεχνική εφαρμόζει μετα-κατηγοριοποίηση των αποτελεσμάτων και παρουσίασή τους ανάλογα με τη σειρά ενδιαφέροντος του χρήστη ως προς τις κατηγορίες των αποτελεσμάτων. Η δεύτερη τεχνική, βασίζει την προσωποποίηση στην έμμεση απεικόνιση των ενδιαφερόντων χρήστη στις κατηγορίες του Open Directory Project, επεκτείνει μια τεχνική που έχει πρόσφατα προταθεί, τους ιδεατούς κόμβους συσχέτισης κατηγοριών, και χτίζει πολλαπλά επίπεδα ιδεατών κόμβων για την επίτευξη πιο εκλεπτυσμένης προσωποποίησης. Κλείνοντας, παρουσιάζουμε την επέκταση της λογικής της μεθόδου προσωποποίησης για την κατασκευή εστιασμένων συλλεκτών. / Data Structures is one of the most important and most historical sectors of Computer Science, being under continuous development since the seventies. Data Structuring has offered solutions to fundamental problems in sorting, organising, and retrieving information. Meanwhile, the development of the modern fields of Computer Science such as Modern, Net-centric Information Systems and Bioinformatics has signalled a data blow-up. Therefore, the need for efficient information management has become a necessity. In this Thesis, having recognized the need for efficient information management at every level, we present a study and solutions to contemporary problems in the areas of: String Processing, Website Reorganization, Web Service retrieval with support for Quality of Service characteristics, and Personalized Information Retrieval on the Web. In the area of String Processing, we present algorithms for solving fundamental problems in Weighted Sequence Processing, such as Pattern Matching, Repetitive Structures Detection and we continue by giving simplifying yet optimal solutions to periodicity problems in ordinary sequences, namely detecting all covers in a sequence, detecting the period of a sequence and detecting all the seeds of a sequence. In the area of Website Reorganization, we present two different metrics for evaluation of the objective importance of each website's pages. These metrics modify the accesses each page receives in order to present the actual page importance. We have seen from the experimental evaluation of those metrics that they provide accurate information about the areas inside the website in need of reorganization. Furthermore, we present a method to detect larger important parts inside the website and we present methods for website reorganisation both from a technical and from a theoretical viewpoint. In the area of Web Service Retrieval we are coping with retrieval under constraints for the provided Quality of Service (QoS). Firstly, we present two simple methods to register QoS information by extending existing Web Service protocols. Secondly, we present an algorithm to discover the execution scenario for a sequence of contiguous Web Services that minimizes the total execution time. A series of heuristics to implement the above algorithm is also presented. We also present an extensive experimental evaluation of those heuristics. Ultimately, we present different personalization techniques for personalized Web Information Retrieval. The first technique, applies post-categorization of search engine results and presents them according to user preferences with respect to the results' categories. The second technique is based on implicit mapping of user preferences to the categories of the Open Directory Project, it extends a recently proposed technique, namely virtual nodes for associating categories, and builds multiple layers of nodes to achieve more elaborate personalization. Finally, we present the extension of personalization methods in order to build focused crawlers.

Οι μονάδες επεξεργασίας δεδομένων αποτελούν τις βασικές δομικές μονάδες όλων των μικροεπεξεργαστών. Κάποια από τα κυκλώματα αυτής της κατηγορίας υλοποιούν τις βασικές αριθμητικές πράξεις πάνω σε δεδομένα τόσο σταθερής όσο και κινητής υποδιαστολής, ενώ κάποια άλλα αναλαμβάνουν την αναδιοργάνωση των δεδομένων αυτών για την επιτάχυνση του υπολογισμού. Σε επεξεργαστές ειδικού σκοπού, όπως οι επεξεργαστές πολυμέσων και γραφικών, οι μονάδες επεξεργασίας δεδομένων καταλαμβάνουν περισσότερο από το 30% του ολοκληρωμένου και η αποτελεσματική σχεδίαση τους έχει άμεσο αντίκτυπο στην απόδοση ολόκληρου του συστήματος. Στο μέλλον, αναμένεται πως ακόμα και οι επεξεργαστές γενικού σκοπού, θα είναι εξοπλισμένοι από εξειδικευμένους επιταχυντές, οι οποίοι θα εκτελούν απ’ ευθείας σε υλικό σύνθετους αλγορίθμους με μεγάλες υπολογιστικές απαιτήσεις. Η βάση όλων των προτεινόμενων λύσεων σ’ αυτή τη διατριβή είναι η αναλυτική εύρεση ενός εγγενώς απλούστερου αλγορίθμου, ο οποίος θα επιτρέπει την αποτελεσματική υλοποίηση των αντίστοιχων κυκλωμάτων ανεξάρτητα από την τεχνολογία που θα χρησιμοποιηθεί και από τους επιπλέον περιορισμούς που τυχόν θα επιβληθούν στο μέλλον κατά την κατασκευή των κυκλωμάτων αυτών. Η ανάλυση και τα πειραματικά αποτελέσματα που συλλέξαμε βασίζονται τόσο σε υλοποιήσεις σε επίπεδο τρανζίστορ, που είναι η κύρια μέχρι τώρα πρακτική σχεδίασης των μικροεπεξεργαστών υψηλών επιδόσεων, όσο και σε πλήρως αυτοματοποιημένες υλοποιήσεις. Φυσικά, στη δεύτερη περίπτωση η απόδοση των κυκλωμάτων επιβαρύνεται, τόσο σε καθυστέρηση όσο και σε ενέργεια, εξαιτίας των περιορισμών των αυτοματοποιημένων εργαλείων και την αναγκαστική χρήση των προσχεδιασμένων βιβλιοθηκών βασικών πυλών. Η μελέτη που πραγματοποιήσαμε στοχεύει στην πλήρη εξερεύνηση του χώρου λύσεων των κυκλωμάτων αυτών. Η ανάλυση της συμπεριφοράς τους πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τις βέλτιστες καμπύλες της ενέργειας ως προς την καθυστέρηση, οι οποίες αποτελούν τον πιο έγκυρο τρόπο περιγραφής της απόδοσης ενός κυκλώματος. Τα κυκλώματα που παρουσιάζονται ανήκουν σε τρεις βασικές κατηγορίες. Στην πρώτη ανήκουν οι αθροιστές παράλληλου προθέματος, που χρησιμοποιούν τα κρατούμενα του Ling για την υλοποίηση της δυαδικής πρόσθεσης. Τα κρατούμενα που προτάθηκαν από τον Ling αποτελούν απλοποιημένες μορφές των κλασικών σχέσεων πρόβλεψης κρατουμένου και χρησιμοποιούνται αυτή τη στιγμή στην πλειοψηφία των εμπορικών επεξεργαστών. Το νέο κύκλωμα, που προτείναμε, αποτελεί ουσιαστικά τη γενίκευση των σχέσεων αυτών, επιτρέποντας την υλοποίηση τους με απλοποιημένες δομές παράλληλου προθέματος, με αποτέλεσμα τη μείωση τόσο της καθυστέρησης όσο και της απαιτούμενης ενέργειας. Η νέα τεχνική οδηγεί σε γρηγορότερα κυκλώματα ανεξάρτητα από τη λογική οικογένεια που θα χρησιμοποιηθεί (στατική ή δυναμική CMOS λογική) και το δένδρο παράλληλου προθέματος που θα επιλεγεί. Η δεύτερη κατηγορία αναφέρεται σε κυκλώματα αναδιάταξης των δεδομένων που είναι αποθηκευμένα μέσα στους καταχωρητές του επεξεργαστή. Η αποδοτική αναδιάταξη των δεδομένων καταλήγει να είναι σε πολλούς αλγορίθμους (κρυπτογραφία, ψηφιακή επεξεργασία σήματος, πολυμέσα) τόσο αναγκαία όσο και η γρήγορη υλοποίηση των βασικών αριθμητικών πράξεων, αλλά και η ταχεία επικοινωνία με τη μνήμη. H προσπάθεια μας εστιάστηκε στην αποδοτική υλοποίηση μιας γενικής εντολής αναδιάταξης δεδομένων, στοχεύοντας σε όσο το δυνατόν ταχύτερες υλοποιήσεις. Όλες οι εκδοχές που προτείναμε στηρίζονται σε μια νέα μορφή δικτύων ταξινόμησης, η οποία μας επιτρέπει να παρέχουμε λύσεις που είναι σημαντικά πιο αποδοτικές σε σχέση με τις ήδη υπάρχουσες. Τα κυκλώματα που προτείνουμε κατασκευάζονται με τη χρήση ενός μόνο κελιού υπολογισμού (διαφορετικό για κάθε δίκτυο ταξινόμησης) και διατηρούν μια πλήρως κανονική δομή. Το στοιχείο αυτό, συμβάλλει, πέρα από τη βελτίωση της απόδοσης, στην αποτελεσματικότερη χωροθέτηση του κυκλώματος και στη μείωση των αρνητικών επιδράσεων των γραμμών διασύνδεσης. Η τελευταία κατηγορία κυκλωμάτων αναφέρεται σε κυκλώματα που χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση της πρόσθεσης αριθμών κινητής υποδιαστολής. Τα κυκλώματα που προτείνουμε χρησιμοποιούνται στα πιο κρίσιμα στάδια, από πλευράς καθυστέρησης, του υπολογισμού του αθροίσματος και αφορούν στην πρόσθεση των μεγεθών και στην κανονικοποίηση του αποτελέσματος. Αρχικά, περιγράφουμε μια εναλλακτική προσέγγιση για την υλοποίηση των αθροιστών μεγέθους των αριθμών κινητής υποδιαστολής. Οι νέες μονάδες εκμεταλλεύονται την αναπαράσταση συμπληρώματος ως προς ένα και τις γρήγορες μονάδες υπολογισμού του κρατουμένου, που βασίζονται στην τεχνική παράλληλου προθέματος. Προτείνουμε μια ενοποιημένη μεθοδολογία για το πως μπορούμε να παράγουμε δομές παράλληλου προθέματος ανεξάρτητα από το μέγεθος της λέξης εισόδου, ενώ καταφέρνουμε να ενώσουμε για πρώτη φορά τις απλοποιημένες σχέσεις κρατουμένου του Ling με την πρόσθεση αριθμών που ακολουθούν την αναπαράσταση συμπληρώματος ως προς ένα. Στη συνέχεια, περιγράφεται ένας νέος απλός τρόπος για την υλοποίηση της πρόβλεψης και της μέτρησης των προπορευόμενων μηδενικών που εμφανίζονται στα αποτελέσματα των πράξεων αριθμών κινητής υποδιαστολής. Με τη χρήση των νέων κυκλωμάτων η κανονικοποίηση του αποτελέσματος μπορεί να πραγματοποιηθεί σε λιγότερο χρόνο και με σημαντικά μικρότερη ενέργεια. / Data processing units (or simply datapath) constitute a major part of all microprocessors. They take over the execution of all arithmetic operations either of fixed point or floating-point data, while they are also responsible for the execution of the needed data rearrangements in order to speed up the computation. In application-specific processors used for media and graphics applications, datapath circuits occupy more than one third of the processor’s core area and their efficient design directly affects the energy-delay behavior of the whole circuit. In the near future, it is expected that even general-purpose processors will be equipped we specialized accelerators that will execute directly in hardware complex algorithms with large computational demands. The basis of all circuits presented in this thesis is the derivation of an inherently simpler algorithm that would allow their efficient implementation irrespective the technology used and the constraints that would be imposed in the future, concerning the reliable and more predictable circuit fabrication in very deep submicron technologies. Our analysis relies on full-custom transistor-level designs that is the most common technique employed in high-performance microprocessor design. The performance of some of the presented circuits has also been investigated using an automated design flow. It is expected that, in these cases, the performance of the presented circuits will be aggravated due to the limitations imposed by the design automation tools and the available standard cell library. In this study, we aim at fully exploring the design space of our circuits. For this reason, we derived an optimal energy-delay curve for each one of the examined circuits in order to analyze its behavior. An energy-delay curve is the most reliable metric for presenting the performance of a circuit and allows the designer to perform a fair comparison among various design alternatives and circuit topologies. The new circuits presented in this thesis belong to three categories. In the first class, we find the parallel prefix adders that adopt the carries proposed by Ling. These carries are a simplified form of the classic carry lookahead equations and they are used at the moment in the majority of commercial high-speed microprocessors. The newly proposed circuits are based on a transformation of the Ling carries that leads to more efficient parallel prefix structures, which are better suited for Ling-carry computation. This new technique offers faster implementations irrespective the logic family used (either static or dynamic CMOS) and the prefix structure selected for the implementation. The second class refers to circuits that rearrange the data stored inside one or more of the processor’s registers. Efficient data rearrangement ends up being, in many cases, such as cryptography, digital signal processing, and multimedia applications, as essential as the fast implementation of basic arithmetic operations and the high bandwidth processor-memory communication. Our effort has focused on the efficient implementation of one of the most versatile permutation instruction, aiming to the reduction of the delay of the corresponding circuit. The design of the proposed permutation units is put under a common framework and their functionality resembles that of sorting networks. All the presented variants are designed using a single processing element (different for each sorting network) and have a very regular structure. This fact significantly contributes to the delay reduction because of the regular placement of the circuits’ cells that also alleviates the interconnect delay overhead. The last class of circuits is used for the implementation of high-speed floating-point units. The proposed circuits participate in two of the most time critical parts of any floating-point adder that is the significand (or fraction) adder and the result normalization unit. At first, we describe an alternative implementation of the significant adder that employs the one’s complement representation in order to reduce the delay of the circuit. The proposed parallel-prefix structures are derived using a general design methodology that leads to efficient designs irrespective the wordlength of the input operands. Also, we managed for the first time to produce simplified parallel-prefix carry computation units for the case of one’s complement addition that rely on the definition of Ling carries. Secondly, we describe a simple and practical algorithm for counting the number of leading zeros that may appear in the result of floating-point addition. New circuits are also presented that simplify the design of the corresponding leading zero anticipation logic. Using the proposed structures, normalization can be performed with less delay and significantly reduced power dissipation compared to already known implementations.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται το πρόβλημα της αποτελεσματικής αξιολόγησης ευχρηστίας φορητών εφαρμογών. Με τον όρο “φορητές εφαρμογές” περιγράφονται οι ηλεκτρονικές υπηρεσίες που είναι σχεδιασμένες να παρέχονται μέσω φορητών συσκευών και έχουν ως στόχο να βοηθήσουν τον άνθρωπο στις καθημερινές του προσωπικές ή επαγγελματικές δραστηριότητες. Η αλληλεπίδραση ενός χρήστη με μία τέτοια ηλεκτρονική υπηρεσία είναι μια διαδικασία πολύπλοκη που δεν υποστηρίζεται από μία μεμονωμένη εφαρμογή και δεν περιορίζεται πλέον στα στενά όρια ενός γραφείου. Αντίθετα, επιτυγχάνεται με διαμεσολάβηση σύγχρονων και συχνά πολυχρηστικών υπολογιστικών μονάδων (φορητές συσκευές, υπολογιστές) και επιμέρους συσκευών και λαμβάνει χώρα σε διάφορα φυσικά περιβάλλοντα. Σε πολλές περιπτώσεις εμπλέκει περισσότερους από έναν χρήστες οι οποίοι μπορεί να συνεργάζονται είτε εκ του σύνεγγυς είτε εξ αποστάσεως προκειμένου να εκτελέσουν μια εργασία. Η μελέτη αυτής της αλληλεπίδρασης μπορεί να δώσει πολύτιμα συμπεράσματα τόσο για την ευκολία χρήσης των σύγχρονων υπολογιστικών συστημάτων όσο και για τη χρησιμότητά τους και αποτελεί μια σημαντική ερευνητική πρόκληση του επιστημονικού πεδίου Αλληλεπίδρασης Ανθρώπου Υπολογιστή και ιδιαίτερα της Τεχνολογίας Ευχρηστίας. Οι κλασσικές μέθοδοι ευχρηστίας καλούνται να αντιμετωπίσουν την πρόκληση της επιτυχούς αξιολόγησης των φορητών εφαρμογών, δηλαδή της αποτίμησης των χαρακτηριστικών ποιότητάς τους που επηρεάζουν την εμπειρία χρήσης τους. Τόσο τα χαρακτηριστικά των χρησιμοποιούμενων συσκευών όσο και το περιβάλλον χρήσης των εφαρμογών αυτών, τις διαφοροποιούν κατά πολύ από τις εφαρμογές επιτραπέζιου υπολογιστή. Καθώς η διείσδυσή τους στις καθημερινές δραστηριότητες του ανθρώπου είναι ολοένα και αυξανόμενη, η ανάγκη για μεθοδολογίες και εργαλεία που μπορούν να βοηθήσουν την αξιολόγηση της χρήσης τους κρίνεται επιτακτική. Στην παρούσα εργασία καταρχήν περιγράφονται οι κλασσικές μέθοδοι αξιολόγησης υπολογιστικών συστημάτων και στη συνέχεια αξιολογούνται ως προς την επάρκεια των δεδομένων που μπορούν να συλλέξουν και την πληρότητα των αποτελεσμάτων που μπορούν να δώσουν στην περίπτωση χρήσης τους για αξιολόγηση ευχρηστίας φορητών εφαρμογών. Παράλληλα γίνεται επισκόπηση της βιβλιογραφίας που Περίληψη 12 Διδακτορική διατριβή αφορά την αξιολόγηση ευχρηστίας των φορητών εφαρμογών και εξετάζονται τα κυριότερα ζητήματα της μεθόδου αξιολόγησης, περιλαμβάνοντας μεταξύ άλλων την επιλογή του χώρου αξιολόγησης και τα δεδομένα που πρέπει να συλλεγούν και αναλυθούν. Στη συνέχεια προτείνεται η μεθοδολογία αξιολόγησης ευχρηστίας φορητών εφαρμογών MOBELIC (MOBile Evaluation Life Cycle methodology). Η MOBELIC υποστηρίζει την αξιολόγηση ευχρηστίας μιας φορητής εφαρμογής σε όλο τον κύκλο ανάπτυξής της. Αποτελεί συνδυασμό από υπάρχουσες μεθόδους αξιολόγησης λαμβάνοντας όμως υπόψη τη φάση ανάπτυξης στην οποία βρίσκεται η υπό αξιολόγηση φορητή εφαρμογή, την ποιότητα των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από κάθε μέθοδο, το χρόνο και τους πόρους που απαιτούνται για τη διεξαγωγή καθεμιάς από αυτές, καθώς και το χρόνο για την ανάλυση των δεδομένων τους και την εξαγωγή πολύτιμων συμπερασμάτων. Η συνεισφορά της μεθοδολογίας MOBELIC έγκειται στο γεγονός ότι βελτιστοποιεί τη διαδικασία αξιολόγησης μιας φορητής εφαρμογής υποστηρίζοντάς την από τις αρχικές φάσεις ανάπτυξης μέχρι τα τελευταία στάδια ολοκλήρωσής της. Προκειμένου να υποστηριχθεί η μεθοδολογία ΜOBELIC, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε το εργαλείο ActivityLens. Αποτελεί ένα εργαλείο παρατήρησης και ανάλυσης των δεδομένων που συλλέγονται κατά τη διάρκεια μελετών της αλληλεπίδρασης χρηστών με φορητές εφαρμογές. Το εργαλείο παρέχει τη δυνατότητα παρακολούθησης των διακριτών φάσεων ανάπτυξης μιας φορητής εφαρμογής και επιτρέπει τη σύγκριση των προβλημάτων ευχρηστίας που παρατηρούνται σε αυτές, χρησιμοποιώντας κοινό σχήμα κωδικοποίησης των προβλημάτων. Παράλληλα, ενσωματώνοντας κατάλληλα σχεδιασμένες λειτουργίες, βοηθάει τον αναλυτή να απομονώσει συγκεκριμένους τύπους δράσεων που υποδεικνύουν πρόβλημα στη χρήση των εξεταζόμενων εφαρμογών. Τέλος στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, εξετάζεται η εφαρμοσιμότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας καθώς και η αποτελεσματικότητα του εργαλείου ανάλυσης, μέσα από μία μελέτη περίπτωσης που περιλαμβάνει τη διενέργεια 3 διακριτών πειραμάτων. Η αξιολόγηση αφορά μία συνεργατική εκπαιδευτική φορητή εφαρμογή προορισμένη να πληροφορεί μαθητές για τα εκθέματα ενός Μουσείου. / This thesis deals with the problem of effective usability evaluation of mobile applications. The term “mobile applications” describes the electronic services that are designed to operate under mobile devices in order to meet the everyday needs of people. There are special characteristics of mobile applications, compared to established desktop applications. Thus, the dynamic context of use and the small size of mediating mobile devices differentiate their use and increase the complexity of their usability evaluation. There are various established methods that have been extensively used in traditional human-computer interaction research in order to evaluate the use of desktop applications. This thesis, firstly examines the suitability of such methods in usability evaluation of mobile applications. The survey indicated that all these methods can be effective. However their application produces different types of data and requires different amount and kind of resources. In the frame of this thesis, MOBELIC, a new methodology for the usability evaluation of mobile applications, is proposed. The goal of MOBELIC is the optimization of evaluation process due to the short life-cycle of mobile applications. It is an effective combination of selected established methods supporting the redesign of a mobile application during its development life-cycle. The main characteristic of this methodology is that it proposes the iterative application of each evaluation method, depending on certain factors, such as the mobile application implementation phase, the quality of the expected method results and the required resources. Subsequently, the design and the implementation of a usability evaluation tool, the ActivityLens, that support the proposed methodology, are described in this thesis. ActivityLens integrates and synchronizes multiple heterogeneous data that describe the interaction of real users with mobile applications. Furthermore, the tool incorporates especially designed mechanisms for annotation and analysis of collected data in order to facilitate usability experts to extract meaningful information. The applicability of the proposed methodology and the effectiveness of the ActivityLens are examined through an extended case study in which the usability of an educational mobile application is evaluated. The case study consists of three discrete experiments including the use of different evaluation methods according to the proposed methodology.

Το αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η εισαγωγή ενός νέου πρωτοκόλλου (e-SCP-ECG+) με στόχο την μεταφορά και διαχείριση πολλαπλών τύπων πληροφορίας που προέρχονται από ιατρικές συσκευές συλλογής ζωτικών σημάτων, δεδομένα που αφορούν τις αλλεργίες από τις οποίες υποφέρει ο ασθενής, στοιχεία γεωτοποθεσίας, καθώς επίσης και δημογραφικών στοιχείων, από τους ασθενείς σε υπολογιστικούς σταθμούς επεξεργασίας, διαχείρισης και αποθήκευσής της. Ορίζεται επίσης η αρχιτεκτονική ενός Συστήματος Τηλεπαρακολούθησης Υγείας Ασθενούς (ΣΤΥΑ), το οποίο χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο e-SCP-ECG+ για τη μεταφορά, τη διαχείριση και την αρχειοθέτηση της συλλεγόμενης πληροφορίας. Η αρχιτεκτονική περιλαμβάνει, επίσης, τη δημιουργία ενός Δικτύου από ΣΤΥΑ, με στόχο την δικτυακή αναζήτηση πληροφορίας σχετικής με τον ασθενή, εξασφαλίζοντας έτσι τη δυνατότητα του ελέγχου της πορείας της υγείας ενός ασθενούς. Το ΣΤΥΑ πέρα από την λειτουργία του σε εργαστηριακό επίπεδο, δοκιμάστηκε πιλοτικά σε πραγματικές συνθήκες. / This dissertation introduces a new protocol named e-SCP-ECG+, which permits the transport and management of multiple information types collected from patients (vital signs, citizen demographic data, other information relative with the treated incident, allergy data, geolocation data, etc.), through a communication network to a Health Reception Center. The dissertation also defines the architecture of a Health Tele-monitoring System (HTS) aiming to protocol’s application and evaluation. The pilot HTS, uses the protocol e-SCP-ECG+, in order to transmit, manage and archive the collected information. The creation of an HTS’s Network is also included in this architecture. This network supports health continuity and gives doctor the ability to search information relative to the patient between different networked HTSs. The pilot HTS, has been tested both on laboratory conditions and in real-world operation.