The present master thesis is an exploratory qualitative study in academic libraries regarding the transition from the integrated library systems to the next generation integrated library systems or library services platforms and the potential implications in their internal workflows. Nowadays, libraries all over the world are facing up with a number of challenges in terms of acquiring, describing and making available to the public all the resources, both printed and electronic, they manage. In particular, the academic libraries have more reasons to wish to fulfill their users’ needs since the majority of them use the library sources more and more for scientific research and educational purposes.In this study we attempt to explore the phenomenon in the globe using the available literature and to identify the implications in libraries’ workflows and the possible future developments. Moreover, through observation and semi-structured interviews we try to identify the current developments in the Greek context regarding the adoption of next ILS and possible implications in their workflows. Finally, we attempt a comparison between the Greek situation and the international one.

Σήμερα η μελέτη των βιοϋλικών προσανατολίζεται σε δύο κατευθύνσεις, την ανάπτυξη συστημάτων μεταφοράς φαρμάκων και συστημάτων κατάλληλων να διεγείρουν κυτταρικές λειτουργίες. Η έρευνά μας έχει σχέση με την συγκριτική μελέτη συστημάτων μεταφοράς φαρμάκων κατάλληλων για εφαρμογή σε οστικούς καρκίνους. Τέτοιου είδους συστήματα θα πρέπει, αρχικά να είναι ικανά να μεταφέρουν τα φαρμακευτικά μόρια και στη συνέχεια να μπορούν να επάγουν οστεογένεση. Η δεύτερη λειτουργικότητα είναι ιδιαιτέρως σημαντική καθώς έχει σαν αποτέλεσμα την πλήρωση του οστικού ελλείμματος που προκαλείται από την δράση των καρκινικών κυττάρων. Για τον σκοπό αυτό, διερευνήθηκε η ικανότητα του υαλώδους δικτύου να μεταφέρει φαρμακευτικά μόρια μέσω παραδοσιακών συστημάτων μεταφοράς. Συνεπώς, ακολούθησε η ex vitro μελέτη pH-ευαίσθητων τροποποιημένων πυριτικών ξηρών πηκτών στα οποία είχε συνδεθεί το αντικαρκινικό φάρμακο δοξορουπμυσίνη. Συγκεκριμένα, πυριτικά ξηρά πηκτώματα συντέθηκαν με την μέθοδο sol-gel και τροποποιήθηκαν περαιτέρω με χημεία καρβοδιϊμιδίου. Η τροποποίηση είχε σαν αποτέλεσμα την επιφανειακή σύνδεση υδροπηκτών δεξτράνης που παρουσιάζουν ευαισθησία στο pH. Στη συνέχεια, ακολούθησε η σύνθεση των ανόργανων βιοενεργών νανοσφαιρών. Για την σύνθεση των υαλωδών νανοσφαιρών με εσωτερική κοιλότητα ακολουθήθηκε η διαδικασία επικάλυψης sol-gel, κατά την οποία έγινε η ηλεκτροστατική επικάλυψη νανοσωματιδίων πολυστυρενίου με αποτέλεσμα την σύνθεση ανόργανων πυριτικών και φωσφοπυριτικών νανοσφαιρών. Επιπλέον, μελετήθηκε η εφαρμογή του συμπολυμερούς του πολυμεθακρυλικού μεθυλεστέρα – υδρομεθακρυλικού προπυλεστέρα ως υποστρώματος καθώς το PMMA αποτελεί βασικό συστατικό των οστικών τσιμέντων και παρουσιάζει βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Προκειμένου να ολοκληρωθεί η συγκριτική μελέτη μας, ακολούθησε η ex vitro ανάλυση των παραπάνω υβριδικών φωσφοπυριτικών νανοσφαιρών καθώς επίσης των πυριτικών νανοσφαιρών PS και PMMA-co-HPMA. Η επώαση σε διάλυμα SBF οδήγησε στον σχηματισμό ανθρακικού πυριτικού υδροξυαπατίτη με το μέγεθος των κρυσταλλιτών να μην υπερβαίνει τα 45 nm και έντονη παρουσία συσσωματωμάτων. Βέλτιστες ιδιότητες βιοενεργότητας παρουσιάζουν οι τροποποιημένες με αμίνες υβριδικές νανοσφαίρες PMMA-co-HPMA, οι οποίες έχουν επίσης την δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν ως μεταφορείς φαρμακευτικών μορίων σε όξινο καθώς επίσης και σε φυσιολογικό pH με παρατεταμένη δυνατότητα αποδέσμευσης. / Recently the study of biomaterials has moved in two directions, the evolution of drug delivery systems and of systems that can stimulate specific cellular responses. Our investigation aims to the study of drug delivery systems for bone cancer therapy. These systems must fulfill two important functionalities. At first, they should be able to deliver drug molecules to bone cancer environment through loading or surface conjugation and subsequently to cause osteogenesis. Their second functionality is especially important since it leads to substitution of bone defects caused from the action of cancer cells. For this purpose, the ability of the glassy network to deliver drug molecules was studied. For this purpose, expanded ex vitro research was followed in DOX conjugated pH-sensitive functionalized silica xerogels. Specifically, silica xerogels were synthesized through a sol-gel process and further functionalized with carbodiimide chemistry. The functionalization process resulted in pH-sensitive dextran hydrogels. The study of the enhanced properties of glassy substrates was followed by the synthesis of amorphous bioactive nanospheres. Moreover, the change of the organic core and the use of PMMA-co-HPMA were advantageous due to the enhanced mechanical properties of PMMA-co-HPMA and its use in bone cements. In order to accomplish our comparative investigation, we followed the ex vitro study of the above hybrid binary silicate, ternary and quaternary phosphosilicate nanospheres as well as the silicate PS and PMMA-co-HPMA nanospheres. The incubation in SBF solution resulted in the formation of a silica-substituted carbonate hydroxyapatite (Si-HCA) a with crystallite size of around 45 nm and extended surface aggregates. The amino-modified PMMA-co-HPMA hybrid nanospheres present enhanced biocompatible properties, with prolonged release ability as drug delivery systems, in acidic as well as physiological pH.

The 21st century is considered as the era of mass communication and electronic information exchange. There is a dramatic increase in electronic communications and e-transactions worldwide. However, this advancement results in the appearance of many security issues, especially when the exchanged information is sensitive and/or confidential. A significant aspect of security is authentication, which in most of the cases is provided through a cryptographic hash function. As happens for the majority of security primitives, software design and implementation of hash functions is becoming more prevalent today. However, hardware is the embodiment of choice for military and safety-critical commercial applications due to the physical protection and increased performance that they offer. Hence, similarly to general hardware designs, regarding cryptographic hash function ones, three crucial issues, among others, arise: performance, reliability, and flexibility. In this PhD dissertation, hardware solutions regarding cryptographic hash functions, addressing the aforementionted three crucial issues are proposed. Specifically, a design methodology for developing high-throughput and area-efficient sole hardware architectures of the most widely-used cryptographic hash families, i.e. the SHA-1 and SHA-2, is proposed. This methodology incorporates several algorithmic-, system-, and circuit-level techniques in an efficient, recursive way, exploiting the changes in the design’s graph dependencies that are resulted by a technique’s application. Additionally, high-throughput and area-efficient hardware designs for the above families as well as new ones (e.g. JH and Skein), are also proposed. These architectures outperform significantly all the similar ones existing in the literature. Furthermore, a design methodology for developing Totally Self-Checking (TSC) architectures of the most widely-used cryptographic hash families, namely the SHA-1 and SHA-2 ones is proposed for the first time. As any RTL architecture for the above hash families is composed by similar functional blocks, the proposed methodology is general and can be applied to any RTL architecture of the SHA-1 and SHA-2 families. Based on the above methodology, TSC architectures of the two representatice hash functions, i.e. SHA-1 and SHA-256, are provided, which are significantlty more efficient in terms of Throughput/Area, Area, and Power than the corresponding ones that are derived using only hardware redundancy. Moreover, a design methodology for developing hardware architectures that realize more than one cryptographic hash function (mutli-mode architectures) with reasonable throughput and area penalty is proposed. Due to the fact that any architecture for the above hash families is composed by similar functional blocks, the proposed methodology can be applied to any RTL architecture of the SHA-1 and SHA-2 families. The flow exploits specific features appeared in SHA-1 and SHA-2 families and for that reason it is tailored to produce optimized multi-mode architectures for them. Based on the above methodology, two multi-mode architectures, namely a SHA256/512 and a SHA1/256/512, are introduced. They achieve high throughput rates, outperforming all the existing similar ones in terms of throughput/area cost factor. At the same time, they are area-efficient. Specifically, they occupy less area compared to the corresponding architectures that are derived by simply designing the sole hash cores together and feeding them to a commercial FPGA synthesis/P&R/mapping tool. Finally, the extracted knowledge from the above research activities was exploited in three additional works that deal with: (a) a data locality methodology for matrix–matrix multiplication, (b) a methodology for Speeding-Up Fast Fourier Transform focusing on memory architecture utilization, and (c) a near-optimal microprocessor & accelerators co-design with latency & throughput constraints. / Ο 21ος αιώνας θεωρείται η εποχή της μαζικής επικοινωνίας και της ηλεκτρονικής πληροφορίας. Υπάρχει μία δραματική αύξηση των τηλεπικοινωνιών και των ηλεκτρονικών συναλλαγών σε όλο τον κόσμο. Αυτές οι ηλεκτρονικές επικοινωνίες και συναλλαγές ποικίλουν από αποστολή και λήψη πακέτων δεδομένων μέσω του Διαδικτύου ή αποθήκευση πολυμεσικών δεδομένων, έως και κρίσιμες οικονομικές ή/και στρατιωτικές υπηρεσίες. Όμως, αυτή η εξέλιξη αναδεικνύει την ανάγκη για περισσότερη ασφάλεια, ιδιαίτερα στις περιπτώσεις όπου οι πληροφορίες που ανταλλάσονται αφορούν ευαίσθητα ή/και εμπιστευτικά δεδομένα. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η ασφάλεια θεωρείται αναπόσπαστο χαρακτηριστικό των εμπλεκομένων εφαρμογών και συστημάτων. Οι συναρτήσεις κατακερματισμού παίζουν έναν πολύ σημαντικό ρόλο στον τομέα της ασφάλειας και, όπως συμβαίνει στην πλειοψηφία των βασικών αλγορίθμων ασφαλείας, οι υλοποιήσεις σε λογισμικό (software) επικρατούν στις μέρες μας. Παρόλα αυτά, οι υλοποιήσεις σε υλικό (hardware) είναι η κύρια επιλογή οσον αφορά στρατιωτικές εφαρμογές και εμπορικές εφαρμογές κρίσιμης ασφάλειας. Η NSA, για παράδειγμα, εξουσιοδοτεί μόνο υλοποιήσεις σε υλικό. Αυτό γιατί οι υλοποιήσεις σε υλικό είναι πολύ γρηγορότερες από τις αντίστοιχες σε λογισμικό, ενώ προσφέρουν και υψηλά επίπεδα «φυσικής» ασφάλειας λόγω κατασκευής. Έτσι, όσον αφορά τις κρυπτογραφικές συναρτήσεις κατακερματισμού, όπως ίσχυει γενικά στις υλοποιήσεις υλικού, ανακύπτουν τρία (ανάμεσα σε άλλα) κύρια θέματα: Επιδόσεις, Αξιοπιστία, Ευελιξία. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να παράσχει λύσεις υλοποίησης σε υλικό για κρυπτογραφικές συναρτήσεις κατακερματισμού, στοχεύοντας στα τρία κύρια ζητήματα που αφορούν υλοποιήσεις σε υλικό, τα οποία και προαναφέρθηκαν (Επιδόσεις, Αξιοπιστία, Ευελιξία). Συγκεκριμένα, προτείνονται μεθοδολογίες σχεδιασμού αρχιτεκτονικών υλικού (καθώς και οι αρχιτεκτονικές αυτές καθαυτές) για τις οικογένειες SHA-1 και SHA-2 οι οποίες επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης. Επίσης, προτείνονται αρχιτεκτονικές οι οποίες επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης για νέες κρυπτογραφικές συναρτήσεις, δηλαδή για τις JH και Skein. Ακόμα, προτείνονται μεθοδολογίες σχεδιασμού αρχιτεκτονικών υλικού (καθώς και οι αρχιτεκτονικές αυτές καθαυτές) για τις οικογένειες SHA-1 και SHA-2 οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να ανιχνέυουν πιθανά λάθη κατά τη λειτουργία τους ενώ επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης. Τέλος, προτείνονται μεθοδολογίες σχεδιασμού πολύ-τροπων αρχιτεκτονικών υλικού (καθώς και οι αρχιτεκτονικές αυτές καθ’αυτές) για τις οικογένειες SHA-1 και SHA-2 οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να υποστηρίξουν παραπάνω από μία συνάρτηση ενώ επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης.

Στα πλαίσια της παρούσας έρευνας, μελετήθηκε η προστατευόμενη περιοχή του Οικολογικού Δικτύου Natura 2000: «Λιμνοθάλασσα Πύλου (Διβάρι), Νήσος Σφακτηρία, Αγ. Δημήτριος» με κωδικό GR2550004. Διεξάχθηκαν δύο εποχικές δειγματοληψίες, στις 31 Αυγούστου του 2012 και στις 21 Απριλίου του 2013. Η λιμνοθάλασσα της Γιάλοβας έχει έκταση περίπου 2,5 Km2, μέγιστο βάθος 1 m και επικοινωνεί με τον κόλπο του Ναυαρίνου μέσω ενός τεχνητού διαύλου. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε η ηχοβολιστική αποτύπωση του πυθμένα, με χρήση ηχοβολιστή πλευρικής σάρωσης (Side Scan Sonar, SSS) με σκοπό να αποκαλυφθεί, τόσο η μορφολογία του βυθού, όσο και η παρουσία, η αφθονία και η χωρική κατανομή των υδρόβιων μακροφύτων. Κατόπιν, σε 9 προεπιλεγμένους δειγματοληπτικούς σταθμούς, πραγματοποιήθηκε καταγραφή των φυσικοχημικών παραμέτρων και συλλέχθηκαν δείγματα υδρόβιας χλωρίδας. Με τη βοήθεια του ηχοβολιστή πλευρικής σάρωσης μελετήθηκε, περίπου, το 37% της έκτασης της λιμνοθάλασσας. Μέσω αυτής της διαδικασίας, προέκυψαν 6 διαφορετικοί ακουστικοί τύποι που αντιστοιχούν σε 6 διαφορετικά ποσοστά φυτοκάλυψης: πυκνή (76-100%), λιγότερο πυκνή (51-75%), αραιή (26-50%), πολύ αραιή (6-25%), σπάνια (1-5%) και καθόλου (<1%). Αφού κατασκευάστηκε το μωσαϊκό του πυθμένα, με τη χρήση των λογισμικών Triton Isis και TritonMap (Delphmap) της Triton Imaging Inc., διαπιστώθηκε ότι, η λιμνοθάλασσα καλύπτεται από βλάστηση σε ποσοστό περίπου 25% ενώ, περίπου, το 75% δεν καταλαμβάνεται από κάποιο είδος υδρόβιας βλάστησης, και το υπόστρωμα είναι αμμώδες/ ιλυοαμμώδες (Μπούζος et al., 2002a). Τα αποτελέσματα του Αυγούστου έδειξαν ότι, η πυκνή φυτοκάλυψη φτάνει περίπου στο 2% της υπό μελέτη έκτασης, και χωρικά περιορίζεται κοντά στο δίαυλο επικοινωνίας με τη θάλασσα. Η υδρόβια χλωρίδα που απαντά στους σταθμούς αυτούς αποτελείται από τα είδη Ruppia cirrhosa σε μίξη με την Cymodocea nodosa, με κυρίαρχο είδος τη Ruppia cirrhosa. Όσο απομακρυνόμαστε από το δίαυλο, η πυκνή φυτοκάλυψη εναλλάσσεται με λιγότερο πυκνή, σε ποσοστό 1% επί του συνόλου, και αποτελείται από τα ίδια είδη. Η αραιή φυτοκάλυψη, απαντά σε ποσοστό 3% και χωρικά κατανέμεται στο δίαυλο επικοινωνίας, αλλά και στα νοτιοδυτικά της λιμνοθάλασσας, όπου, εκτός από τη Ruppia cirrhosa, απαντά και η Cladophora glomerata. To ποσοστό της πολύ αραιής φυτοκάλυψης κυμαίνεται γύρω στο 15% και χωρικά κατανέμεται, κυρίως, στα βορειοανατολικά της λιμνοθάλασσας, όπου απαντά μόνο η Ruppia cirrhosa, ενώ, σε ποσοστό 4%, η φυτοκάλυψη είναι σπάνια και απαντά στα βορειοδυτικά και στα κεντρικά σημεία της λιμνοθάλασσας. Τον Απρίλιο, η χωρική κατανομή των υδρόβιων μακροφύτων είναι ακόμα πιο περιορισμένη, με συμμετοχή μόνο της Ruppia cirrhosa, η οποία συγκεντρώνεται κυρίως, κοντά στο δίαυλο επικοινωνίας με τον κόλπο του Ναυαρίνου, καθώς εκεί ευνοείται η ανανέωση του νερού και οι περιβαλλοντικές συνθήκες είναι κατάλληλες για την ανάπτυξή τους. Τονίζεται επίσης ότι, τον Απρίλιο, συλλέχθηκε από τα βόρεια της λιμνοθάλασσας ένα είδος του γένους Ulva spp, που αποτελεί δείκτη ευτροφικών συνθηκών (Orfanidis et al., 2005, Aliaume et al., 2007). Γενικά, το κυρίαρχο είδος στη λιμνοθάλασσα, και τις δύο δειγματοληπτικές περιόδους, είναι το κοσμοπολίτικο είδος Ruppia cirrhosa το οποίο έχει καταγραφεί ξανά στην περιοχή (Tiniakos et al., 1997). Σε όλους τους δειγματοληπτικούς σταθμούς, καταγράφηκαν οι παράμετροι: θερμοκρασία, αλατότητα, pH και διαλυμένο οξυγόνο, αλλά και το βάθος της λιμνοθάλασσας, η διαφάνεια του νερού και η ένταση της φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας (PAR). Επιπλέον, υπολογίστηκαν οι συγκεντρώσεις της χλωροφύλλης-α, τα ολικά αιωρούμενα στερεά (TSS), οι συγκεντρώσεις των ανόργανων ενώσεων αζώτου και φωσφόρου, καθώς και τα επίπεδα της ολικής αλκαλικότητας των ανθρακικών και όξινων ανθρακικών ιόντων. Τα αποτελέσματα έδειξαν χωρική και χρονική διακύμανση όλων των παραμέτρων, με πιο σημαντικές τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, της αλατότητας και της συγκέντρωσης των θρεπτικών ενώσεων αζώτου και φωσφόρου. H εποχική διακύμανση των περιβαλλοντικών παραμέτρων προκαλεί φυσικό stress στους υδρόβιους οργανισμούς επηρεάζοντας την αφθονία και εξάπλωσή τους (Crouzet et al., 1999). O έλεγχος των στατιστικώς σημαντικών διαφορών των φυσικοχημικών παραμέτρων, πραγματοποιήθηκε με τον έλεγχο Mann-Whitney U, ο οποίος έδειξε ότι υπάρχουν στατιστικώς σημαντικές διαφορές, μεταξύ των δύο εποχών, που αφορούν στις παραμέτρους: διαφάνεια, αλατότητα, θερμοκρασία, pH, TSS, NO2, CO3ˉ και HCO3=. Αντίθετα, δεν εντοπίστηκαν στατιστικώς σημαντικές διαφορές μεταξύ των δύο εποχικών δειγματοληψιών στις παραμέτρους: βάθος, διαλυμένο οξυγόνο, χλωροφύλλη-α, NO3, NH4 και PO4. Ενδεικτικά, η θερμοκρασία παρουσίασε μεγάλη εποχική διακύμανση, σημειώνοντας πολύ υψηλές τιμές τον Αύγουστο (28,80 C - 30,50 C), και πολύ χαμηλότερες τον Απρίλιο (19,0 0C - 20,40C). Η αλατότητα παρουσίασε μεγάλες διακυμάνσεις από σταθμό σε σταθμό, κυρίως τον Αύγουστο, αλλά και από εποχή σε εποχή. Συγκεκριμένα τον Αύγουστο, κυμάνθηκε από 42,73‰ έως 54,42‰ ενώ τον Απρίλιο κυμάνθηκε γύρω στο 31‰ σε όλη την έκταση της λιμνοθάλασσας. Επιπρόσθετα, το pH παρουσίασε στατιστικώς σημαντικές διαφορές, καθώς τον Αύγουστο κυμάνθηκε στο 8,23 κατά μέσο όρο, αναφορικά για όλη τη λιμνοθάλασσα, ενώ τον Απρίλιο παρουσίασε πτωτική τάση, αφού η μέση του τιμή ήταν 6,99. Όσον αφορά στις συγκεντρώσεις των θρεπτικών, τα αμμωνιακά ιόντα ήταν η κυρίαρχη μορφή αζώτου, καθώς παρουσίασε υψηλές τιμές και τις δύο δειγματοληπτικές περιόδους, ενώ, τα νιτρώδη ιόντα, παρόλο που διέφεραν στατιστικώς σημαντικά, σε γενικές γραμμές, κυμάνθηκαν σε χαμηλά επίπεδα και τους δύο μήνες (έως 0,010 mg/l). Το διαλυμένο οξυγόνο παρέμεινε σε φυσιολογικά επίπεδα και τους δύο μήνες, όπου η μέση τιμή του ήταν 8 mg/l. Το βάθος δεν μεταβλήθηκε σημαντικά, ενώ τα επίπεδα της χλωροφύλλης-α, ήταν υψηλά και τις δύο χρονικές περιόδους. Η ανάλυση Spearman έδειξε σαφείς συσχετίσεις μεταξύ των περιβαλλοντικών παραμέτρων. Ανάμεσα στις πιο σημαντικές συγκαταλέγονται, η αρνητική συσχέτιση της διαφάνειας με την εποχή και το βάθος. Επιπλέον, σημαντική είναι η αρνητική συσχέτιση της αλατότητας και της θερμοκρασίας με την εποχή, αλλά και η θετική συσχέτιση μεταξύ των δύο πρώτων. Στη συνέχεια, εξίσου σημαντική είναι η θετική συσχέτιση του pH με την αλατότητα και τη θερμοκρασία, αλλά αξιοσημείωτες είναι και οι θετικές συσχετίσεις που παρουσιάζουν τα TSS με τη θερμοκρασία και το pH, και η χλωροφύλλη-α με τη διαφάνεια. Σύμφωνα με τα κριτήρια που έθεσε η Οργάνωση για Συνεργασία και Ανάπτυξη (ΟΕCD) για τα στάσιμα ύδατα, προέκυψε η τροφική κατάσταση της λιμνοθάλασσας, με βάση τις μέσες και οριακές τιμές των παραμέτρων: TP, χλωροφύλλη-α και διαφάνεια (Secchi depth) (OECD, 1982). Έτσι, με βάση τη μέση συγκέντρωση του ολικού φωσφόρου χαρακτηρίζεται ως υπερτροφική τον Αύγουστο και ως ευτροφική τον Απρίλιο. Όσον αφορά στη χλωροφύλλη-α, με βάση τις μέσες και μέγιστες τιμές που σημειώθηκαν τον Αύγουστο, η λιμνοθάλασσα χαρακτηρίζεται ως ευτροφική, ενώ τον Απρίλιο χαρακτηρίζεται ως ευτροφική, με βάση τη μέση τιμή, αλλά ως μεσοτροφική, με βάση τη μέγιστη τιμή που καταγράφηκε. Τέλος, όσον αφορά στη διαφάνεια, σύμφωνα με τις μέσες και ελάχιστες τιμές της, η λιμνοθάλασσα, και τους δύο μήνες, χαρακτηρίζεται ως υπερτροφική. Με χρήση των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (ΓΣΠ), και με υπόβαθρο ένα μωσαϊκό ορθοφωτοχαρτών της Κτηματολόγιο Α.Ε., που αποκτήθηκαν κατά το διάστημα 2007-2009, κατασκευάστηκε ο χάρτης των καλύψεων/ χρήσεων γης του συστήματος ταξινόμησης Corine Land Cover 2000, για ολόκληρη την προστατευόμενη περιοχή. Ακολούθως, έγινε η αντιστοίχηση των κατηγοριών καλύψεων/ χρήσεων γης που προέκυψαν, με τους τύπους οικοτόπων του Παραρτήματος Ι της Οδηγίας 92/43/ΕΚ, στο 3ο επίπεδο ταξινόμησης. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε μια ποιοτική σύγκριση μεταξύ του νέου χάρτη και του χάρτη του Corine Land Cover, που κατασκευάστηκε για την περιοχή το 2000. Με βάση το χάρτη που κατασκευάστηκε διαπιστώθηκε ότι, υπάρχει ποικιλία φυσικών τύπων οικοτόπων, που προσδίδουν στην περιοχή ιδιαίτερη οικολογική και αισθητική αξία. Περιμετρικά της λιμνοθάλασσας απαντούν μεσογειακά αλίπεδα (Juncetalia maritimi), καλαμώνες, μεσογειακοί λειμώνες υψηλών χόρτων και βούρλων (Molinio Holochoenion), παρόχθια δάση-στοές και λόχμες (Nerio-Tamaricetea και Securinegion tinctoriae), σχηματισμοί με αρκεύθους (Juniperus spp.), υποτυπώδεις κινούμενες θίνες, κινούμενες θίνες της ακτογραμμής με Ammophila arenaria και μονοετή βλάστηση μεταξύ των ορίων πλημμυρίδας και αμπώτιδας. Επιπλέον, στη νήσο Σφακτηρία, στους λόφους του Παλαιόκαστρου και του Πετροχωρίου, απαντούν απόκρημνες βραχώδεις ακτές με βλάστηση στη Μεσόγειο (με ενδημικά Limonium spp.), Garrigues της Ανατολικής Μεσογείου και φρύγανα ενώ, οι όχθες του ποταμού Σελά χαρακτηρίζονται από δάση ανατολικής πλατάνου (Platanus orientalis). Τονίζεται η σημειακή συμμετοχή του τύπου προτεραιότητας των θινών των παραλιών με αρκεύθους (Juniperus spp). Επιπλέον, σε μεγάλη έκταση, απαντούν οι αγροτικές καλλιέργειες, με κυρίαρχους τους ελαιώνες, περιοχές αστικού πρασίνου, δρόμοι αλλά και οικισμοί. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας όπως η αποτύπωση της μορφολογίας του πυθμένα της λιμνοθάλασσας και των καλύψεων/ χρήσεων γης, στα όρια της προστατευόμενης περιοχής και η περαιτέρω εκτίμηση της οικολογικής κατάστασης της λιμνοθάλασσας θα συμβάλλουν περαιτέρω στην ορθολογική διαχείριση της. / In the context of this research, the protected area of the «Natura 2000» ecological network: "Pylos Lagoon, Sfaktiria island, St. Dimitrios" with the sitecode GR2550004, has been studied. Two sampling campaigns were carried out, οn August 31st 2012 and on April 21st 2013. Gialova lagoon covers an area of 2.5 Km2 with a maximum depth of 1 m and is connected with the adjoining Navarino Bay, via a small channel. Firstly, side scan sonar bottom interpretation was carried out, in order to investigate, not only the morphology of the lagoon’s bottom, but also the presence, abundance and spatial distribution of aquatic macrophytes. In addition, physicochemical parameters were recorded in 9 different sampling stations. Furthermore, samplings of aquatic vegetation were carried out as well. Initially, with the use of SSS, roughly 37% of the lagoon’s surface has been studied. Side scan sonar imagery resulted in 6 different acoustic types, which correspond to 6 different percentages of plant cover: thick (76-100%), less than thick (51-75%), sparse (26-50%), too sparse (6-25%), rare (1-5%) and absent (<1%). Having built the mosaic of the bottom of the lagoon, with the use of software Triton Isis and Triton Map (Delphmap) of Triton Imaging Inc., it was found that, the lagoon is covered by vegetation at 25%, while 75% is not occupied by any kind of aquatic vegetation, but the substrate is sandy/mudsandy (Bouzos et al., 2002a). The results of August showed that the thick plant cover reaches approximately 2% of the study area, and it is spatially restricted near the communication channel with the sea. The aquatic flora which responds to these stations is Ruppia cirrhosa in mixing with the Cymodocea nodosa, with the Ruppia cirrhosa as the dominant species. When we move away from the communication channel, the thick plant cover alternates with less than thick, representing 1% of the total, and consists of the same species. The sparse plant cover responds to 3% and is spatially distributed in the communication channel, but also in the southwest of the lagoon, where, apart from the Ruppia cirrhosa, Cladophora glomerata is found as well. The percentage of too sparse vegetation is around 15%, and it is spatially distributed mainly in the north-east of the lagoon, where only Ruppia cirrhosa is found, while, the vegetation is rare at 4%, and responds to the northwest and the central points of the lagoon. In April, the spatial distribution of aquatic macrophytes is even more limited, involving only the Ruppia cirrhosa, which is mainly concentrated near the communication channel with the adjoining Navarino Bay, which favored the renewal of water and where the environmental conditions are suitable for their development. It should be also noted that, in April, an occasional species of the genus Ulva spp., was collected from the northern section of the lagoon. This species is an indicator of eutrophic conditions (Orfanidis et al., 2005, Aliaume et al., 2007). In general, the dominant species in the lagoon, in both sampling periods, is the cosmopolitan species Ruppia cirrhosa, which has been recorded before in the region (Tiniakos et al., 1997). The following parameters were recorded in all the sampling stations: temperature, salinity, pH and dissolved oxygen, but also the depth of the lagoon, the transparency of the water’s column and the volume of photosynthetically active radiation (PAR). Furthermore, chlorophyll-a, total suspended solids (TSS), inorganic nitrogen and phosphorus compounds, as well as the levels of total alkalinity of carbonates and acid carbonates were calculated. The results showed spatial and temporal variability of all parameters, and the most significant fluctuations were observed in temperature, salinity and in nitrogen and phosphorus concentrations. This seasonal variation of environmental parameters causes natural stress on aquatic organisms affecting their abundance and their spatial distribution (Crouzet et al., 1999). The control of the statistically significant differences in physicochemical parameters was carried out with the Mann-Whitney U test, which has shown that, there are statistically significant differences between the two seasons, relating to parameters: transparency, salinity, temperature, pH, TSS, NO2, CO3ˉ and HCO3=. In contrast, there were not statistically significant differences between the two sampling periods for parameters: depth, dissolved oxygen, Chl-a, NO3, NH4 and PO4. More specifically, the temperature has large seasonal variation, noting very high values in August (28.8ᵒ C – 30.5ᵒ C) and much lower in April (19.0ᵒ C – 20.4ᵒ C). The salinity showed large fluctuations from station to station, especially in August, but also from season to season. Specifically in August, it ranged from 42.73‰ to 54.42‰ and in April fluctuated around 31‰ throughout the lagoon. In addition, the pH values presented statistically significant differences. In August, pH ranged from around 8.23 on average, with respect to the entire lagoon, while in April showed a downward trend, when the average value was around 6.99. With regard to the concentrations of nutrients, ammonium ions were the dominant form of nitrogen, as it presented high values in both sampling periods, while the nitrite ions, although differed statistically significantly, in general, varied in low levels both months. Dissolved oxygen, remained at normal levels in both sampling periods, where the average value was around 8 mg/l. The depth did not change significantly, while the levels of Chl-a, were very high in both time periods. The Spearman analysis showed clear correlations between environmental parameters. Among the most important is, the negative correlation of transparency with season and depth. In addition, significant is the negative correlation of salinity and temperature with season, but also the positive correlation between the first two. Of course, equally important is the positive correlation of pH with salinity and temperature, but also significant are the positive correlations of the TSS with temperature and pH, and Chl-a with transparency. Finally, it is mentioned that there is negative correlation of total phosphorus with season and acid carbonates, and positive correlation with salinity, temperature, pH and TSS. In accordance with the standards set by the Organization for Cooperation and Development (OECD) for stagnant water, the trophic status of the lagoon has been established, on the basis of the average and maximum values of parameters: TP, Chl-a and transparency (Secchi depth) (OECD, 1982). So, on the basis of the average concentration of total phosphorus, it is characterized as hypereutrophic in August and as eutrophic in April. As regards the Chl-a, on the basis of the average and maximum values occurred in August, the lagoon is characterised as eutrophic, while in April it is characterized as eutrophic, based on the average value, but as mesotrophic, on the basis of the maximum value recorded. Finally, with regard to transparency, in accordance with the average and minimum values, the lagoon is characterized as hypereutrophic in both seasons. With the use of Geographical Information Systems (GIS) and with the help of ortho-corrected aerial photographs, acquired during 2007 and 2009, a Land Cover Land Use map was constructed. Subsequently, the categories of Corine Land Cover that came up, matched with the habitat types included in the Annex I of the Directive 92/43/EC, according to the 3rd classification level. Furthermore, the land cover/ land use categories of the new map compared with those of the map that constructed in 2000 for the same area, in order to estimate the changes during the years that have passed. The map, which was constructed in the context of this research, showed that there is a variety of natural habitat types, which gives the area special ecological and aesthetic value. In particular, around the lagoon, we found mediterranean salt meadows (Juncetalia maritimi), reedbeds, mediterranean grassland with high grass and rush (Molinio Holochoenion), southern riparian forest-arcades and scrubs galleries (Nerio-tamaricetea and Securinegion tinctoriae), formations with juniper thickets (Juniperus spp.), embryonic dunes, shifting dunes along the shoreline with Ammophila Arenaria and vegetation of drift lines. In addition, on the Sfaktiria island, in Paleokastro and Petrochori hills respond vegetated sea cliffs of the Mediterranean coasts (with endemic Limonium spp.), Garrigues of eastern Mediterranean and phrygana, while the banks of the river Selas are characterized by oriental plane woods (Platanus orientalis). The spot presence of dune juniper thickets is emphasized (Juniperus spp), which is a priority habitat. In addition, to a large extent, there are agricultural crops with olive groves, urban areas, roads and different kinds of settlements. The ultimate aim of this study is the visual interpretation of the morphology of the bottom of the lagoon and the Land Cover Land Uses, within the limits of the protected area and the further assessment of the ecological status of the lagoon.

In this Master’s thesis, we have focused on the description of three-level quantum systems through master equations for their density matrix, involving a recently proposed non-linear thermodynamic one. The first part is focused on a three-level system interacting with two heat baths, a hot and a cold one. We investigated the rate of heat flow from the hot to the cold bath through the quantum system, and how the steady-state is approached. Additional calculations here refer to the rate of entropy production and the evolution of all elements of the density matrix of the system from an arbitrary initial state to their equilibrium or steady-state value. The results are compared against those of a linear, Lindblad-type master equation designed so that for a quantum system interacting with only one heat bath, the same final Gibbs steady state is attained. In the second part of this thesis, we focus on the electromagnetically induced transparency (EIT), a phenomenon typically achievable only in atoms with specific energy structures. For a three level system (to which the present study has focused), for example, EIT requires two dipole allowed transitions (the 1-3 and the 2-3) and one forbidden (the 1-2). The phenomenon is observed when a strong laser (termed the control laser) is tuned to the resonant frequency of the upper two levels. Then, as a weak probe laser is scanned in frequency across the other transition, the medium is observed to exhibit both: a) transparency at what was the maximal absorption in the absence of the coupling field, and b) large dispersion effects at the atomic resonance. We discuss the Hamiltonian describing the phenomenon and we present results from two types of master equations: a) an empirically modified Von-Neumann one allowing for decays from each energy state, and b) a typical Lindblad one, with time-dependent operators. In the first case, an analytical solution is possible, which has been confirmed through a direct solution of the full master equation. In the second case, only numerical results can be obtained. We present and compare results from the two master equations for the susceptibility of the system with respect to the probe field, and we discuss them in light also of available experimental data for this very important phenomenon. / Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην περιγραφή των κβαντικών συστημάτων τριών καταστάσεων μέσω εξισώσεων master για την μήτρα πυκνότητας πιθανότητάς τους (density matrix), συμπεριλαμβάνοντας μία πρόσφατα προτεινόμενη μη-γραμμική θερμοδυναμική εξίσωση. Το πρώτο μέρος εστιάζει σε ένα σύστημα τριών καταστάσεων το οποίο βρίσκεται σε αλληλεπίδραση με δύο λουτρά θερμότητας, ένα θερμό και ένα ψυχρό. Εξετάζεται ο ρυθμός ροής θερμότητας από το θερμό προς το ψυχρό λουτρό μέσω του κβαντικού συστήματος, και με ποιον τρόπο επιτυγχάνεται η μόνιμη κατάσταση. Επιπλέον υπολογισμοί αναφέρονται στον ρυθμό παραγωγής της εντροπίας και στην εξέλιξη όλων των στοιχείων της μήτρας πυκνότητας πιθανότητας από μία τυχαία αρχική κατάσταση προς την ισορροπία ή τη μόνιμη κατάσταση. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται συγκριτικά με εκείνα μιας γραμμικής, τύπου Lindblad master εξίσωσης, κατάλληλα σχεδιασμένης ώστε στην ειδική περίπτωση ενός κβαντικού συστήματος σε αλληλεπίδραση με ένα λουτρό θερμότητας επιτυγχάνεται η ίδια τελική μόνιμη κατάσταση Gibbs. Στο δεύτερο μέρος, εστιάζουμε στην ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενη διαφάνεια (electromagnetically induced transparency (EIT)), ένα φαινόμενο το οποίο τυπικά είναι εφικτό μόνο σε άτομα με ειδικές ενεργειακές δομές. Για ένα σύστημα τριών καταστάσεων (στο οποίο επικεντρώνεται η παρούσα εργασία), για παράδειγμα, το ΕΙΤ απαιτεί δύο διπολικά επιτρεπτές μεταβάσεις (την 1-3 και την 2-3) και μία απαγορευμένη (την 1-2). Το φαινόμενο παρατηρείται όταν ένα ισχυρό laser (το αποκαλούμενο ως control laser) συντονίζεται στη συχνότητα των δύο άνω ενεργειακών σταθμών. Τότε, καθώς ένα ασθενές probe laser ανιχνεύεται με συχνότητα όμοια με της άλλης επιτρεπόμενης μετάβασης, το μέσο παρατηρείται να εμφανίζει τα εξής: α) διαφάνεια στο σημείο μέγιστης απορρόφησης απουσία του control πεδίου, και β) έντονα φαινόμενα διασποράς στον ατομικό συντονισμό. Θα συζητήσουμε τη Χαμιλτονιανή που περιγράφει το φαινόμενο και θα παρουσιάσουμε αποτελέσματα από δύο εξισώσεις master: α) μία εμπειρική τροποποιημένη Von-Neumann εξίσωση επιτρέποντας τις απώλειες από κάθε ενεργειακή κατάσταση, και β) μία τυπική Lindblad εξίσωση, με χρόνο-εξαρτώμενους τελεστές. Στην πρώτη περίπτωση, είναι πιθανή η εύρεση μιας αναλυτικής λύσης, η οποία έχει επιβεβαιωθεί μέσω μιας άμεσης (direct) λύσης της πλήρους εξίσωσης master. Στη δεύτερη περίπτωση, μπορούν να ληφθούν μόνο αριθμητικά αποτελέσματα. Παρουσιάζονται και συγκρίνονται τα αποτελέσματα που ελήφθησαν από τις δύο master εξισώσεις και αφορούν την επιδεκτικότητα (susceptibility) του συστήματος σε σχέση με το probe πεδίο, και τέλος συζητιούνται σε σχέση με διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα γι’ αυτό το πολύ σημαντικό φαινόμενο.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετούμε αλληλεπιδρώντα ανοικτά κβαντικά συστήματα δύο καταστάσεων και μελετούμε τη συμπεριφορά των κβαντικών τους χαρακτηριστικών παρουσία κλασικού θορύβου. Πιο συγκεκριμένα, μελετούμε το χρόνο αποσύμπλεξης δύο qubits του σιδηρομαγνήτη XY του Heisenberg συναρτήσει της ισχύος κλασικού Gaussian λευκού θορύβου, με δεδομένες όλες τις υπόλοιπες παραμέτρους των συστημάτων. Το βασικό μας αποτέλεσμα είναι ότι όλα τα ενδιαφέροντα φαινόμενα που επάγονται απ’ το θόρυβο, δηλαδή ο στοχαστικός συντονισμός, ο στοχαστικός αντι-συντονισμός και το φαινόμενο της θωράκισης (noise shield), εξαρτώνται άμεσα από την αρχική προετοιμασία του συστήματος των δύο qubits είτε αυτό είναι μόνο του είτε είναι υποσύστημα μιας μεγαλύτερης δομής (αλυσίδας qubits). Επίσης παρατηρούμε ότι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος μπορεί να αποτελέσει παράγοντα ελέγχου των ανωτέρω φαινομένων. Παρέχουμε ισχυρές ενδείξεις για την ανάγκη χαρτογράφησης του πίνακα πυκνότητας ενός κβαντικού ανοικτού συστήματος με βάση τα φαινόμενα του θορύβου που μπορεί να επιδείξει / In the current Ph.D. thesis we study interacting open quantum two state systems and study the behavior of their quantum features in the presence of classical noise. More specifically, we study the disentanglement time of two Heisenberg's XY ferromagnetic qubits against the strength of classical Gaussian white noise, with all of the other parameters of the system fixed. Our main result is that all of the interesting noise induced effects, i.e. stochastic resonance, stochastic anti-resonance and the noise shield effect, are directly related to the initial preparation of the system of two qubits whether this is alone, or a subsystem of a larger structure (chain qubits). We also notice that the environmental temperature may be used as a control factor of the above effects. We provide strong evidence for the necessity of mapping the density matrix of a quantum open system according to the noise effects it can present.

Μια σχετικά νέα περιοχή έντονης ερευνητικής δραστηριότητας ασχολείται με τη μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων κβαντικών συστημάτων (ατόμων/μορίων και ημιαγώγιμων κβαντικών τελειών) συζευγμένων με πλασμονικές (μεταλλικές) νανοδομές. Τα ισχυρά πεδία και ο έντονος περιορισμός του φωτός που σχετίζονται με τους πλασμονικούς συντονισμούς οδηγούν σε ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων και των κβαντικών συστημάτων κοντά σε πλασμονικές νανοδομές. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας τα κβαντικά συστήματα μπορεί να επιτευχθεί εξωτερικός έλεγχος των οπτικών ιδιοτήτων της υβριδικής φωτονικής δομής. Στη διδακτορική διατριβή μελετάται θεωρητικά και υπολογιστικά η οπτική απόκριση συμπλεγμάτων κβαντικών συστημάτων με μεταλλικές νανοδομές, δίνοντας έμφαση σε μη-γραμμικές και κβαντικές οπτικές διαδικασίες. Στα συστήματα αυτά τα επιφανειακά πλασμόνια των μεταλλικών νανοδομών επηρεάζουν σημαντικά, τόσο το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που αλληλεπιδρούν τα κβαντικά συστήματα, όσο και το ρυθμό αυθόρμητης εκπομπής των κβαντικών συστημάτων. Μελετάμε απλές και πολύπλοκες μεταλλικές νανοδομές, όπως μια μεταλλική νανοσφαίρα και μια διδιάστατη διάταξη διηλεκτρικών νανοσφαιρών επικαλυμμένων με μέταλλο (μεταλλικοί νανοφλοιοί). Τα κβαντικά συστήματα είναι άτομα/μόρια και κυρίως ημιαγώγιμες κβαντικές τελείες και περιγράφονται από συστήματα δύο, τριών και τεσσάρων ενεργειακών επιπέδων. Δείχνουμε ότι, φαινόμενα όπως δημιουργία κβαντικής συμβολής στην αυθόρμητη εκπομπή, σύμφωνη ελεγχόμενη αναστροφή πληθυσμού, οπτική διαφάνεια και κέρδος χωρίς αναστροφή πληθυσμού, δημιουργία αργού φωτός, τροποποιημένη οπτική μη-γραμμικότητα Kerr και μίξη τεσσάρων κυμάτων, όπως και φαινόμενα ελέγχου μέσω φάσης, εμφανίζονται στα κβαντικά συστήματα και τροποποιούνται σημαντικά λόγω της ύπαρξης της μεταλλικής νανοδομής. / A relatively new area of active research involves the study of the optical properties of quantum systems (atoms/molecules and semiconductor quantum dots) coupled to plasmonic (metallic) nanostructures. The large fields and the strong light confinement associated with the plasmonic resonances enable strong interaction between the electromagnetic field and quantum systems near plasmonic nanostructures. In addition, using the quantum system one may achieve external control of the optical properties of the hybrid photonic structure. In this thesis we analyze both theoretically and computationally the optical response of hybrid nanosystems comprised of quantum emitters and plasmonic nanostructures. We put emphasis on the study of nonlinear and quantum optical processes. In these systems the spontaneous decay rate and the electromagnetic field that interacts with the quantum emitter is significantly modified by the surface plasmons of the plasmonic nanostructures. We study cases of both simple and more involved plasmonic nanostructures. An example of a simple plasmonic nanostructure considered in this thesis is a metallic nanosphere, while a more involved one is a two-dimensional array of metal-coated dielectric nanospheres. The quantum systems are atoms/molecules and especially semiconductor quantum dots and are described by two-level, three-level or four-level systems. We find that several coherent optical phenomena that happen in the quantum systems can be strongly influenced by the presence of the plasmonic nanostructure. Specifically, we show that effects such as quantum interference in spontaneous emission, controlled population inversion, optical transparency and gain without inversion, slow light, enhanced nonlinear optical Kerr effect and four-wave mixing as well as phase-dependent absorption and dispersion profiles can be created and modified.

Το κυρίως αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι ο σχεδιασμός και η ανάλυση αποκεντρωμένων τεχνικών ελέγχου για επίτευξη μέγιστης κάλυψης από κινούμενα δίκτυα αισθητήρων. Λόγω των πολλών εφαρμογών αυτών σε αποστολές σχετιζόμενες με εξερεύνηση περιοχών ενδιαφέροντος, περιβαλλοντική δειγματοληψία, φύλαξη ή ακόμα και θέματα ασφάλειας, μία μεγάλη μερίδα της επιστημονικής κοινότητας έχει στρέψει το ενδιαφέρον της στην ανάπτυξη μεθόδων για βέλτιστη (ει δυνατόν) περιβαλλοντική αντίληψη μέσω αισθητήρων από αυτόνομες ομάδες ρομποτικών συστημάτων. Τέτοιες ομάδες, συνήθως τοποθετούμενες αρχικώς στις περιοχές ενδιαφέροντος, σχεδιάζονται με στόχο τον αποκεντρωμένο έλεγχό τους, αντί ενός καθολικού εποπτικού συστήματος, με στόχο να επιτύχουν στην εκάστοτε αποστολή. Στα πρώτα στάδια της διατριβής αυτής, το πρόβλημα της κάλυψης μιας περιοχής ενδιαφέροντος από μία ομάδα όμοιων κόμβων αναλύεται από υπολογιστική σκοπιά. Οι κινούμενοι κόμβοι υποθέτονται ότι υπακούν σε απλοϊκό κινηματικό μοντέλο διακριτού χρόνου, ενώ η αισθητήρια επίδοσή τους θεωρείται ακτινική, περιορισμένης εμβέλειας, ομοιόμορφη γύρω από τον κόμβο. Σαν πρώτη προσέγγιση, η κατεύθυνση σε κάθε χρονική στιγμή για βέλτιστη κάλυψη καθορίζεται βάσει τεχνικών διαμέρισης του χώρου βασιζόμενες στην έννοια της απόστασης. Η αναπτυσσόμενη στρατηγική επιτρέπει σταδιακή αύξηση της καλυπτόμενης επιφάνειας μεταξύ διαδοχικών βημάτων, ενώ έχει ως απαίτηση την κίνηση ενός μόνο επιτρεπτού κόμβου τη φορά. Στη συνέχεια, το προαναφερθέν σχέδιο επεκτείνεται για την περίπτωση ετερογενών δικτύων, όπου η ετερογένεια αντικατοπτρίζεται στις άνισες εμβέλειες απόδοσης αίσθησης των κόμβων. Επιπροσθέτως, επέκταση σε μοντέλο συνεχούς χρόνου επιτρέπει την κίνηση όλων των κόμβων του δικτύου ταυτόχρονα, αυξάνοντας ιδιαίτερα τον χρόνο σύγκλισης προς την βέλτιστη κατάσταση, ειδικά για μεγάλης κλίμακας δίκτυα. Μία εναλλακτική διαμέριση του χώρου αναπτύσσεται, η οποία βασίζεται κυρίως στα αισθητήρια μοτίβα των κόμβων, παρά στις θέσεις των κόμβων καθεαυτές. Τα παραγόμενα κελιά του χώρου ανατιθέμενα στους κόμβους αποτελούν τον βασικό πυρήνα του αλγόριθμου οργάνωσης, με στόχο την αποκεντρωμένη οργάνωση της κινούμενης ομάδας, ώστε να επιτύχει βέλτιστη απόδοση κάλυψης. Υποκινούμενοι από την υψηλού–βαθμού ανισοτροπία που χαρακτηρίζει κάποιους τύπους αισθητήρων, όπως κατευθυντικά μικρόφωνα για ανίχνευση ήχου σε εφαρμογές ασφάλειας, ή ακόμα μοτίβα εκπομπής/λήψης κατευθυντικών κεραιών σε σενάρια τηλεπικοινωνιακής κάλυψης, η έρευνά μας επεκτείνεται πέραν του κλασσικού ακτινικού μοντέλου δίσκου αίσθησης. Βασιζόμενοι σε συγκεκριμένες ιδιότητες για επίπεδες κυρτές καμπύλες, μια αποκεντρωμένη στρατηγική οργάνωσης αναπτύχθηκε για δίκτυα που χαρακτηρίζονται από κυρτά αισθητήρια μοτίβα ίδιας κατευθυντικότητας. Παρότι η κυρτότητα των συνόλων αίσθησης φαίνεται να θέτει ένα μεγάλου βαθμού περιορισμό στο συνολικό πρόβλημα, στην πραγματικότητα προσπερνάται μέσω ανάθεσης αυτών ως το μέγιστο κυρτό χωρίο που εγγράφεται στο πρωταρχικώς ανισοτροπικό μοτίβο. Το σχήμα ελέγχου επεκτείνεται στη συνέχεια για την περίπτωση όπου εισάγουμε ένα επιπλέον βαθμό ελευθερίας στις κινηματικές ικανότητες των κόμβων, ενσωματώνοντας έτσι διαφορετικές και χρονικά μεταβαλλόμενες κατευθυντικότητες μεταξύ των μοτίβων αυτών. Το παραγόμενο πλάνο ελέγχου αποδεικνύεται ότι οδηγεί ανισοτροπικά δίκτυα σε βέλτιστες τοπολογίες, αναφορικά με τα αισθητήρια μοτίβα τους, ελέγχοντας κατάλληλα ταυτόχρονα την θέση και προσανατολισμό, μέσω ενός καινοτόμου σχήματος κατακερματισμού του χώρου βασιζόμενο στο εκάστοτε μοτίβο. Η διατριβή κλείνει με την μελέτη δικτύων με περιορισμούς στην εμβέλεια επικοινωνίας αναφορικά με την μετάδοση πληροφοριών μεταξύ των κόμβων. Στην πλειονότητα των σχετικών εργασιών, το ζήτημα αυτό προσπερνάται επιτρέποντας στην εμβέλεια επικοινωνίας να είναι τουλάχιστον διπλάσια αυτής της (ομοιόμορφης) αίσθησης, εγγυώντας έτσι την αποκεντρωμένη φύση των πλάνων ελέγχου. Ο προτεινόμενος έλεγχος επιτρέπει την αποσύζευξη μεταξύ των δύο αυτών εμβελειών, οδηγώντας το δίκτυο στην βέλτιστη κατάσταση, μέσω ταυτόχρονου σεβασμού του εκάστοτε, εκ των προτέρων δοσμένου, περιορισμού στην εμβέλεια επικοινωνίας. Συγκεντρωτικά συμπεράσματα και συγκριτική ανάλυση παρουσιάζονται στο τελευταίο κεφάλαιο, ενώ προτείνονται μελλοντικά πλάνα επέκτασης των τεχνικών αυτών. / The main scope of this thesis is the design and analysis of distributed control strategies for achieving optimum area coverage in mobile sensor networks. Due to the numerous applications of the latter in missions as area exploration, environmental sampling, patrolling, or even security, a large part of the scientific community has turned its interest on developing methods for achieving optimum, if possible, sensing environmental perception by groups of autonomous mobile agents. Such robotic teams, randomly deployed in areas of interest initially, are designed to coordinate their motion in a distributed manner, rather than via a global supervisory system, in order to succeed in the corresponding mission objective. At the first stages of this thesis, the coverage problem of an area of interest by a group of identical nodes is examined from a numerical point of view. The mobile nodes are considered to be governed by simple discrete–time kinodynamic motion, while their sensing performance is assumed radial, range–limited, uniform around the node. As a first approach, the optimum direction at each time step for optimum deployment achievement is determined based on proper distance–based space partitioning techniques. The developed concept allows for gradual increase in the covered area among consecutive steps, although suffers from allowing motion of one node at a time. In the sequel, the aforementioned concept is extended to the case of heterogeneous networks, where heterogeneity lays mainly in the unequal limited–range of the sensing performance of the nodes. In addition, extension to continuous–time allows for simultaneous motion of the nodes, increasing drastically the convergence time towards the optimal state, especially for large–scale networks. An alternate partitioning of the space is developed that is mainly based on the nodes’ footprints, rather than their spatial positions only. The resulting assigned cells form the main core for the coordination algorithm proposed, in order to distributedly organize the mobile swarm to achieve optimum sensing performance. Motivated by the high–degree anisotropy that governs the sensing domains of certain types of sensors, i.e. directional microphones for sound sensing mainly for security applications, or even the radiation patterns of directional antennas in communication–coverage scenarios, our research is extended beyond the standard disc model of sensing. Based on certain properties for planar convex curves, a distributed strategy is developed for networks characterized by convex sensing domains of same orientation. Although convexity of the sensing sets may seem to impose a high level restriction to the overall setup, in fact can be assigned as the maximal convex inscribed set in any (originally) anisotropic pattern. The control scheme is further extended, in the sequel, for the case of adding an extra degree of freedom to the node’s mobility abilities, incorporating different and time–varying orientations among the nodes patterns. The resulting scheme is proven to lead anisotropic networks in optimum configurations, considering their sensing footprints, by properly controlling both the nodes’ positions and orientations, via an innovative pattern–based partitioning scheme of the sensed space. The thesis ends by examining the case where radio–range constraints are imposed on inter–agents communication. In the majority of the related works, this issues is usually overcome by allowing RF range as double the sensing one, guaranteeing that way distributed nature of the control schemes. The proposed scheme allows for uncorrelated RF and sensing ranges in the network, while guarantees convergence of the network towards the optimal state, via simultaneous preservation of a–priori imposed radio–range constraints. Concluding remarks along with comparative discussion are presented in the last chapter, where future research plans and ways to improve the already developed schemes are proposed.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται παράλληλοι αλγόριθμοι και εφαρμογές σε πολυπύρηνες μονάδες επεξεργασίας γραφικών. Πιο συγκεκριμένα, εξετάζονται οι μέθοδοι σχεδίασης ενός παράλληλου αλγορίθμου για την επίλυση τόσο απλών και κοινών προβλημάτων, όπως η ταξινόμηση, όσο και υπολογιστικά απαιτητικών προβλημάτων, έτσι ώστε να εκμεταλλευτούμε πλήρως την τεράστια υπολογιστική δύναμη που προσφέρουν οι σύγχρονες μονάδες επεξεργασίας γραφικών. Πρώτο πρόβλημα που εξετάστηκε είναι η ταξινόμηση, η οποία είναι ένα από τα πιο συνηθισμένα προβλήματα στην επιστήμη των υπολογιστών. Υπάρχει σαν εσωτερικό πρόβλημα σε πολλές εφαρμογές, επομένως πετυχαίνοντας πιο γρήγορη ταξινόμηση πετυχαίνουμε πιο καλή απόδοση γενικότερα. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφονται όλα τα βήματα σχεδιασμού για την εκτέλεση ενός αλγορίθμου ταξινόμησης για ακεραίους, της count sort, σε μια μονάδα επεξεργασίας γραφικών. Σημαντική επίδραση στην απόδοση είχε η αποφυγή του συγχρονισμού των νημάτων στο τελευταίο βήμα του αλγορίθμου. Στη συνέχεια παρουσιάζονται εφαρμογές παράλληλων αλγορίθμων σε υπολογιστικά απαιτητικά προβλήματα. Στο Κεφάλαιο 4, εξετάζεται το πρόβλημα χρονοπρογραμματισμού εξετάσεων Πανεπιστημίων, το οποίο είναι ένα πρόβλημα συνδυαστικής βελτιστοποίησης. Για την επίλυσή του χρησιμοποιείται ένας υβριδικός εξελικτικός αλγόριθμος, ο οποίος εκτελείται εξ' ολοκλήρου στην μονάδα επεξεργασίας γραφικών. Η τεράστια υπολογιστική δύναμη της GPU και ο παράλληλος προγραμματισμός δίνουν τη δυνατότητα χρήσης μεγάλων πληθυσμών έτσι ώστε να εξερευνήσουμε καλύτερα τον χώρο λύσεων και να πάρουμε καλύτερα ποιοτικά αποτελέσματα. Στο επόμενο κεφάλαιο γίνεται επίλυση του προβλήματος σχεδιασμού κίνησης για υποθαλάσσια οχήματα με βραχίονα. Εξετάζεται το πρόβλημα τόσο του ολικού σχεδιασμού όσο και του τοπικού. Στην πρώτη περίπτωση είναι σημαντική η καλή λύση και η ακρίβεια και ο παράλληλος αλγόριθμος που χρησιμοποιείται για την αναπαράσταση του περιβάλλοντος εργασίας σε μια Bump-επιφάνεια βοηθάει προς αυτή την κατεύθυνση. Στη δεύτερη περίπτωση, το πρόβλημα είναι πρόβλημα πραγματικού χρόνου και μας ενδιαφέρει η ταχύτητα εύρεσης της επόμενης θέσης του οχήματος. Ο παράλληλος προγραμματισμός και η GPU βοηθούν σημαντικά σε αυτό. Τελευταία εφαρμογή που εξετάστηκε είναι η μελέτη ενός συστήματος ημιφθοριωμένων αλκανίων με την μοριακή προσομοίωση Monte Carlo. Η παραλληλοποίηση ενός μέρους, του πιο χρονοβόρου, του αλγορίθμου έδωσε τη δυνατότητα εξέτασης ενός πολύ μεγαλύτερου συστήματος σε αποδεκτό χρόνο. Σε γενικές γραμμές, γίνεται φανερό ότι ο παράλληλος προγραμματισμός και οι σύγχρονες πολυπύρηνες αρχιτεκτονικές, όπως οι μονάδες επεξεργασίας γραφικών, δίνουν νέες δυνατότητες στην αντιμετώπιση καθημερινών προβλημάτων, προβλημάτων πραγματικού χρόνου και προβλημάτων συνδυαστικής βελτιστοποίησης. / In this thesis, parallel algorithms and applications in manycore graphics processing units are presented. More specifically, we examine methods of designing a parallel algorithm for solving both simple and common problems such as sorting, and computationally demanding problems, so as to fully exploit the enormous computing power of modern graphics processing units (GPUs). First problem considered is sorting, which is one of the most common problems in computer science. It exists as an internal problem in many applications. Therefore, sorting faster, results in better performance in general. Chapter 3 describes all design options for the implementation of a sorting algorithm for integers, count sort, on a graphics processing unit. The elimination of thread synchronization in the last step of the algorithm had a significant effect on the performance. Chapter 4 addresses the examination timetabling problem for Universities, which is a combinatorial optimization problem. A hybrid evolutionary algorithm, which runs entirely on GPU, was used to solve the problem. The tremendous computing power of GPU and parallel programming enable the use of large populations in order to explore better the solution space and get better quality results. In the next chapter, the problem of motion planning for underwater vehicle manipulator systems is examined. In the gross motion planning problem, it is important to achieve a good solution with high accuracy. The parallel algorithm used for the representation of the working environment in a Bump-surface is a step towards this direction. In the local motion planning problem, which is a real-time problem, the time needed to find the next configuration of the vehicle is crucial. Parallel programming and the GPU greatly assist in this online problem. Last application considered is the atomistic Monte Carlo simulation of semifluorinated alkanes. The parallelization of part of the algorithm, the most time-consuming, enabled the study of a much larger system in an acceptable execution time. In general, it becomes obvious that parallel programming and new novel manycore architectures, such as graphics processing units, give new capabilities for solving everyday problems, real time and combinatorial optimization problems.

Μελετάµε χωρικά εντοπισµένες και χρονικά περιοδικές λύσεις σε διακριτά συστήµατα που εκτείνονται σε µία χωρική διάσταση. Αυτού του είδους οι λύσεις είναι γνωστές µε τον όρο discrete breathers (DB) ή intrinsic localized modes (ILM). Στην ελληνική ϐιϐλιογραϕία, έχουν ονοµαστεί ∆ιακριτές Πνοές. Απαραίτητα χαρακτηριστικά για την εµϕάνιση τέτοιων λύσεων είναι η ύπαρξη ενός άνω φράγµατος του γραµµικού φάσµατος καθώς και η µη γραµµικότητα των εξισώσεων κίνησης, χαρακτηριστικά που συναντάµε σε πολλά φυσικά συστήµατα. Συγκεκριμένα, ασχολούµαστε µε πλέγµατα τύπου Klein Gordon και παρουσιάσουµε μια αποδείξη ύπαρξης τέτοιων λύσεων καθώς και αριθµητικά αποτελέσµατα µελετώντας παράλληλα την ευστάθεια των περιοδικών αυτών λύσεων µέσω της ϑεωρίας Floquet. Πέραν του κλασικού µοντέλου, όπου έχουµε αλληλεπιδράσεις πλησιέστερων γειτόνων, εισάγουµε επίσης ένα νέο µοντέλο µε αλληλεπιδράσεις µακράς εµβέλειας η οποία ελέγχεται µέσω µιας παράµετρου α και µελετάµε τις επιπτώσεις που έχει η μεταβολή του εύρους αλληλεπίδρασης στον χωρικό εντοπισµό και την ευστάθεια ενός DB. / We study time-periodic and spatially localized solutions in discrete dynamical systems describing Hamiltonian lattices in one spatial dimension. These solutions are called discrete breathers (DBs) or intrinsic localized modes (ILM). Necessary conditions for their occurrence are the boundedness of the spectrum of linear oscillations of the system as well as the nonlinearity of the equations of motion. More specifically, we focus on a Klein Gordon lattice and present an existence proof for such solutions, as well as numerical results revealing the stability (or instability) of DBs using Floquet theory. Besides reporting on the classical Klein Gordon model with nearest neighbor interactions, we also introduce long range interactions in our model, which are controlled by a parameter α and study the effect of varying the range of interactions on the spatial localization and the stability of a DB.