Πολλά είναι τα προβλήματα απόφασης τα οποία μπορούν να μοντελοποιηθούν ως προβλήματα γραμμικού προγραμματισμού. Πολλές όμως είναι και οι καταστάσεις όπου δεν είναι λογικό να υποτεθεί ότι οι παράμετροι του μοντέλου καθορίζονται προσδιοριστικά. Για παράδειγμα, μελλοντικές παραγωγικότητες σε ένα πρόβλημα παραγωγής, εισροές σε μία δεξαμενή που συνδέεται με έναν υδροσταθμό παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος, απαιτήσεις στους διάφορους κόμβους σε ένα δίκτυο μεταφορών κλπ, είναι καταλληλότερα μοντελοποιημένες ως αβέβαιες παράμετροι, οι οποίες χαρακτηρίζονται στην καλύτερη περίπτωση από τις κατανομές πιθανότητας. Η αβεβαιότητα γύρω από τις πραγματοποιημένες τιμές εκείνων των παραμέτρων δεν μπορεί να εξαλειφθεί πάντα εξαιτίας της εισαγωγής των μέσων τιμών τους ή μερικών άλλων (σταθερών) εκτιμήσεων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μοντελοποίησης. Δηλαδή ανάλογα με την υπό μελέτη κατάσταση, το γραμμικό προσδιοριστικό μοντέλο μπορεί να μην είναι το κατάλληλο μοντέλο για την περιγραφή του προβλήματος που θέλουμε να λύσουμε. Σε αυτή τη διπλωματική υπογραμμίζουμε την ανάγκη να διευρυνθεί το πεδίο της μοντελοποίησης των προβλημάτων απόφασης που παρουσιάζονται στην πραγματική ζωή με την εισαγωγή του στοχαστικού προγραμματισμού. / There are many practical decision problems than can be modeled as linear programs. However, there are also many situations that it is unreasonable to assume that the coefficients of model are deterministically fixed. For instance, future productivities in a production problem, inflows into a reservoir connected to a hydro power station, demands at various nodes in a transportation network, and so on, are often appropriately modeled as uncertain parameters, which are at best characterized by probability distributions. The uncertainty about the realized values of those parameters cannot always be wiped out just by inserting their mean values or some other (fixed) estimates during the modelling process. That is, depending on the practical situation under consideration, the linear deterministic model may not be the appropriate model for describing the problem we want to solve. In this project we emphasize the need to broaden the scope of modelling real life decision problems by inserting stochastic programming.

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

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύει και προτείνει κάποιες νέες λύσεις και μεθοδολογίες όσον αφορά στο πρόβλημα της βέλτιστης απομάστευσης ενέργειας από ένα αιολικό σύστημα. Στο πρώτο μέρος, προτείνεται μια νέα μεθοδολογία για τη βελτιστοποίηση της εκμετάλλευσης του ανέμου σε μια συγκεκριμένη περιοχή, καταλήγοντας στη βέλτιστη χωροταξική τοποθέτηση των ανεμογεννητριών σε ένα αιολικό πάρκο. Στο δεύτερο μέρος, ο σκοπός της βελτιστοποίησης είναι η μεγιστοποίηση της παραγόμενης ισχύος για κάθε τυχαία ταχύτητα ανέμου, μέσω της ανάπτυξης βέλτιστων τεχνικών ελέγχου. Και στις δύο περιπτώσεις, η ανάλυση γίνεται με τη χρήση μοντέλων τα οποία αναπτύχθηκαν στο περιβάλλον του προγράμματος Matlab και τον υπολογιστικών εργαλείων που παρέχει αυτό. Τα μοντέλα που δημιουργήθηκαν, μας οδήγησαν σε μια σειρά προσομοιώσεων οι οποίες επαλήθευσαν τη θεωρητική ανάλυση και επιβεβαίωσαν ότι οι πρωτότυπες λύσεις που προτείνονται δίνουν βελτιστοποιημένα αποτελέσματα σε σχέση με αντίστοιχες γνωστές αναλύσεις. Πιο συγκεκριμένα, το πρώτο μέρος αυτής της διατριβής επικεντρώνεται στη βέλτιστη επιλογή τόσο του αριθμού, όσο και της θέσης των ανεμογεννητριών σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Το κριτήριο που χρησιμοποιείται για την βελτιστοποίηση είναι η μέγιστη παραγωγή ενέργειας με το χαμηλότερο κόστος. Στην ανάλυση αυτή, εισάγεται μια νέα διαδικασία προσέγγισης αυτού του προβλήματος με τη χρήση της Μεθόδου Προσομοίωσης Μόντε Κάρλο. Στην παρούσα ανάλυση, όπως και σε παλιότερες αντίστοιχες, χρησιμοποιείται το ίδιο κριτήριο βελτιστοποίησης και γίνονται οι ίδιες παραδοχές, προκειμένου τα αποτελέσματα να είναι συγκρίσιμα. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται είναι πολύ καλύτερα και όσον αφορά στην παραγόμενη ισχύ αλλά και το κριτήριο βελτιστοποίησης. Επιπρόσθετα, εξάγονται σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με το μέγιστο αριθμό των ανεμογεννητριών και την χωροταξική τους τοποθέτηση, τα οποία επαληθεύουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος είναι ένα λειτουργικό εργαλείο για την απόφαση τοποθέτησης ανεμογεννητριών σε ένα αιολικό πάρκο. Στο δεύτερο μέρος, που είναι και πιο εκτεταμένο, σκοπός είναι η σχεδίαση νέων ελεγκτών υψηλής απόδοσης, οι οποίοι επιτυγχάνουν τη μέγιστη παραγωγή ισχύος για συστήματα ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών. Πιο συγκεκριμένα, αναλύεται ένα σύστημα ανεμογεννήτριας το οποίο αποτελείται από επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού που συνδέεται στο δίκτυο με πλήρως ελεγχόμενο ac/dc/ac μετατροπέα με IGBT στοιχεία. Αρχικά παρουσιάζεται μια ανάλυση των μεθόδων που χρησιμοποιούνται σήμερα για τη μεγιστοποίηση και τον έλεγχο της ισχύος. Με βάση αυτή την ανάλυση, προτείνοντες εναλλακτικές λύσεις που είναι λιγότερο πολύπλοκες, πιο ακριβείς και πιο εύκολα εφαρμόσιμες, ένα γεγονός που αποδεικνύεται μέσω της θεωρητικής ανάλυσης. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν και προτάθηκαν κατάλληλα μη γραμμικά μοντέλα για το σύστημα της ανεμογεννήτριας, για την περίπτωση της λειτουργίας υπό μεταβλητή, προσαρμοζόμενη ταχύτητα. Η εκτενής μαθηματική ανάλυση απέδειξε ότι το αρχικό μη γραμμικό σύστημα τηρεί τη θεμελιώδη ιδιότητα των Euler-Lagrange συστημάτων, την παθητικότητα. Αυτό σημαίνει πως το σύστημα έχει απόσβεση τόσο στο ηλεκτρικό όσο και στο μηχανικό μέρος. Επίσης, γίνεται ανάλυση του εφαρμοζόμενου σχήματος του διανυσματικού ελέγχου. Η ανάλυση αυτή αποδεικνύει ότι με κατάλληλη μετατροπή και προσαρμογή των PI ελεγκτών που χρησιμοποιούνται στην πλευρά της γεννήτριας και σημαντικές απλοποιήσεις του σχήματος του παραδοσιακού διανυσματικού ελέγχου, προκύπτουν δύο διαφορετικά σχήματα ελέγχου τα οποία επιτυγχάνουν αυτόματα τον προσανατολισμό στο πεδίο που απαιτείται από το διανυσματικό έλεγχο, ενώ διατηρούν και αυξάνουν την απόσβεση του αρχικού συστήματος. Οι έλεγχοι αυτοί επιτυγχάνουν εξαιρετική ρύθμιση των στροφών λειτουργίας της γεννήτριας σύμφωνα με την ταχύτητα του ανέμου, έτσι ώστε να οδηγούν στη βέλτιστη λειτουργία, δηλαδή αυτή της μέγιστης δυνατής εξαγόμενης ισχύος. Το πρώτο σχήμα ελέγχου είναι απευθείας συγκρίσιμο με τις υπάρχουσες εφαρμογές του διανυσματικού ελέγχου, ενώ το δεύτερο εισάγει μια πρωτοποριακή τεχνική, η οποία βελτιώνει σημαντικά την απόκριση του συστήματος. Ανάλογες βελτιώσεις προτείνονται και για την πλευρά του μετατροπέα προς την πλευρά της σύνδεσης με το δίκτυο της ηλεκτρικής ενέργειας. Και για αυτή την περίπτωση αποδεικνύεται ότι ο προτεινόμενος σχεδιασμός μπορεί να δώσει απλοποιημένα σχήματα ελέγχου πολύ αποδοτικά όμως για τη διαμόρφωση της ποιότητας της παραγόμενης ισχύος Έτσι, επιτυγχάνεται πλήρης αντιστάθμιση της αέργου ισχύος με λειτουργία μοναδιαίου συντελεστή ισχύος της ανεμογεννήτριας. Επιπρόσθετα, επιτυγχάνεται η σαφής σταθεροποίηση της λειτουργίας της διασύνδεσης συνεχούς ρεύματος σε λειτουργία σταθερής dc τάσης. Οι αναλυτικές προσομοιώσεις οι οποίες διεξήχθησαν, βασίζονται σε ρεαλιστικά σενάρια λειτουργίας. Σύμφωνα με αυτά η απαίτηση για ρύθμιση της ταχύτητας στην βέλτιστη τιμή της συμβαίνει την ίδια χρονική στιγμή που εμφανίζεται αλλαγή της παρεχόμενης ισχύος και ροπής από τον άνεμο. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης επαληθεύουν τη θεωρητική ανάλυση και δείχνουν ότι και τα δύο προτεινόμενα σχήματα ελέγχου επιτυγχάνουν μεγιστοποίηση στην παραγωγή ισχύος με τρόπο αποδοτικό και με τους αναμενόμενους χρόνους απόκρισης. Συγκρίσεις με υπάρχουσες αντίστοιχες τεχνικές ελέγχου δείχνουν την υπεροχή των προτεινόμενων σχημάτων ελέγχου και την ικανοποιητική λειτουργία τους. / This dissertation analyses and suggests some efficient solutions for the optimization problem of the available power in a wind system. The thesis is divided into two parts. In the first part, a new methodology is proposed for optimizing the manipulation of wind in a certain area, based on the optimal placement of wind turbines in wind parks. In the second part, the purpose of the optimization is to maximize the power production from the wind, through the development of new control techniques. In both cases, the analysis is made by using detailed nonlinear models, which were developed in computational environment of the Matlab program and all the computational tools that were available. The models that were developed lead us to a series of simulations that confirm the theoretical analysis and suggest original solutions and optimized results in comparison to known ones. Particularly, the first part of this thesis is concentrated in the optimal selection of the number and the positioning of the wind turbines in a certain geographic region. The criterion used for the optimization is the maximum power production with the minimum cost. In this analysis a novel procedure is introduced, based on the Monte Carlo Simulation Method. As in previous studies, we used the same optimization criterion and the other conditions in order the results to be comparable. The presented results are far better as long it concern the maximum power production and the optimization factor. Furthermore, important conclusions are made for the maximum number of the wind turbines and their location that confirm the proposed method as an efficient tool for the geographic distribution of wind mills in a wind park. In the second part of this dissertation, the goal is to design high efficient and simple controllers that achieve maximum power production for wind turbine systems. Particularly, a variable speed wind generation system is considered consisting by a squirrel cage induction generator connected to the grid by a fully controlled ac/dc/ac IGBT converter. To this end, first it is presented an analysis of the control method, namely the vector control method, which is used today for maximization and control of the active power. Based on this analysis, alternative solutions are proposed, that are less complicated, more accurate and easier to be accomplished, a fact that is proved through a theoretical analysis. Suitable nonlinear models have been developed and proposed for a wind turbine system, for the case of operating under variable, adjustable speed. Comprehensive mathematical analysis proves that the original nonlinear system has the fundamental property of Euler-Lagrange systems, which is passivity. This means that the system is damped in both the electric and the mechanical part. Also, an analysis of the existing, vector control based schemes is conducted. Then, by modifying properly the PI controllers used at the generator side and simplifying decisively the vector control scheme, we propose two different control schemes that simultaneously are free from the field oriented requirement of the vector control while they maintain and increase the damping of the initial system. The first control scheme is directly comparable with the existing vector control applications, while the second introduces an innovated technique that improves substantially the system response. Detailed simulations that carried out are based on realistic operation scenario, which mean that require demand for the adjustment of the speed in its optimal value, at the same time that a change at the supplied by the wind power and torque occurs. The simulation results confirm the theoretical analysis and show, that both the proposed control schemes achieve optimal power production in an efficient manner and in the expected response time.

Είναι ευρύτατα γνωστό ότι ο θόρυβος δημιουργείται από δονούμενες επιφάνειες. Για την αντιμετώπιση του θορύβου στην πηγή του, δηλαδή τη δονούμενη επιφάνεια, δύο κυρίως τρόποι έχουν αναπτυχθεί. Ο πρώτος τρόπος αφορά τη χρησιμοποίηση παθητικών μέσων, δηλαδή ηχομονωτικών υλικών που αποσβένουν συγκεκριμένες συχνότητες. Ο δεύτερος τρόπος αφορά τη χρήση ενεργητικών μέσων. Τα ενεργητικά μέσα είναι διατάξεις που αποτελούνται από ένα σύστημα ελέγχου και ένα σύνολο αισθητήρων και ενεργοποιητών. Η λειτουργία ενός τέτοιου Συστήματος Ενεργού Ελέγχου Δονήσεων (ΣΕΕΔ) βασίζεται στην καταγραφή μέσω των αισθητήρων του τρόπου δόνησης της επιφάνειας (πρωτεύον πεδίο δόνησης), την δημιουργία σημάτων ελέγχου από τον ελεγκτή (ίδιου πλάτους αλλά με διαφορά φάσης 180o) και την αποστολή τους στους ενεργοποιητές που θα δημιουργήσουν ένα δευτερεύον πεδίο δόνησης. Η υπέρθεση των δύο πεδίων έχει σαν αποτέλεσμα την δημιουργία ενός εναπομείναντος πεδίου με πλάτη δόνησης αισθητά χαμηλότερα από αυτά του πρωτεύοντος. Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός γενικευμένου ΣΕΕΔ, ο έλεγχος του οποίου βασίζεται σε εργαλεία Τεχνητής Νοημοσύνης όπως τα Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα και οι Γενετικοί Αλγόριθμοι για την αναγνώριση του τρόπου δόνησης οποιασδήποτε επιφάνειας και το βέλτιστο έλεγχο της δόνησής της, χωρίς να απαιτείται καμία πρότερη γνώση της δυναμικής συμπεριφοράς της επιφάνειας. Επιπλέον, το υπό μελέτη ΣΕΕΔ είναι ικανό να ελέγχει τέσσερις συχνότητες αντί μιας που απαντάται συνήθως στην πλειονότητα των εφαρμογών. Ο σκοπός της διατριβής αυτής είναι η απόδειξη της αρχής λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος. Η προσέγγιση για την επίτευξη αυτού του στόχου περιλαμβάνει πειραματικές μετρήσεις ενός πρωτότυπου ΣΕΕΔ σε μία απλοποιημένη πειραματική διάταξη. Τα αποτελέσματα από την εφαρμογή του εν λόγω ΣΕΕΔ δείχνουν ότι παρά τους περιορισμούς που υπεισέρχονται λόγω των δυνατοτήτων του υλικού (hardware) του χρησιμοποιούμενου εξοπλισμού, το υπό μελέτη ΣΕΕΔ λειτουργεί επιτυχώς στη βασική αρχή του, ενώ έχει τις προϋποθέσεις και τη δυναμική για περαιτέρω βελτιστοποίηση και εξέλιξη σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. / It is generally approved that noise is created by vibrating surfaces. In order to tackle this phenomenon at its source, mainly two approaches have been followed. The first approach involves passive means, that is sound insulation materials that dampen certain frequencies. The second approach involves the use of active means. The active means are arrangements that consist of a control system and a set of sensors and actuators. The application of such an arrangement for vibration control is called Active Vibration Control (AVC) and is based on the sampling (by means of sensors) of the primary field of vibration of the surface, the creation of control signals by the controller (secondary field - of the same amplitude but with phase difference of 180o) and finally applying these control signals on the vibrating surface, by means of the actuators. The superimposing of the two vibration signals (primary and secondary) results to a residual field where the amplitudes of vibration are significantly lower than in the primary. The objective of the thesis at hand is to develop a Generic AVC with the controller developed using Artificial Intelligence tools such as the Artificial Neural Networks (ANNs) and Genetic Algorithms (GAs), in order to identify the vibration patterns of any surface and the optimal control of its vibration, without any prior knowledge of the dynamic behavior of the surface. Moreover, the developed AVC system will be able to identify and control four dominating frequencies instead of one that is usually the choice in the majority of similar applications. The scope of this work is the ‘Proof of Concept’ of the successful operation of such a generic AVC system. The approach to this end includes experimental testing of a prototype AVC system on a simplified experimental set-up. The results of the application of the developed AVC system, performed also by independent parties in the framework of a EC-funded Basic Research project, prove the successful operation of the developed AVCS, even within the limitation of the contemporary data acquisition platform (hardware and software) used, imposes limitations in the efficiency of the AVCS, and provide the basis for its further development and application in a multitude of problems.

Η ραγδαία ανάπτυξη του Παγκόσμιου Ιστού και η ταχύτατη διείσδυσή του σε κάθε έκφανση της καθημερινότητας του σύγχρονου ανθρώπου είναι έκδηλη. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας των κινητών τηλεφώνων νέας γενιάς και των αντίστοιχων δικτύων, η πρόσβαση στον Παγκόσμιο Ιστό μέσω κινητών συσκευών δεν γίνεται μόνο περιστασιακά, αλλά πολλές φορές αποτελεί τον πρωτεύοντα τρόπο πρόσβασης. Επομένως, η ανάγκη αξιοποίησης των δυνατοτήτων των κινητών τηλεφώνων και αυτών που προσφέρει το Web2.0 είναι συνεχώς αυξανόμενη. Σε αυτό το πλαίσιο, η παροχή κάθε προσφερόμενης υπηρεσίας των Συστημάτων Υποστήριξης Επιχειρηματολογίας στο Web και στις κινητές συσκευές, φαίνεται αρκετά υποσχόμενη. Αυτό μπορεί να γίνει είτε δημιουργώντας τις αντίστοιχες Mobile εφαρμογές, είτε δημιουργώντας υπηρεσίες, οι οποίες είναι απόλυτα προσβάσιμες και από τις συσκευές κινητών τηλεφώνων. Στα πλαίσια της Διπλωματικής εργασίας προσπαθήσαμε να εκμεταλλευτούμε τα πλεονεκτήματα που δίνει ένα κινητό τηλέφωνο, όσον αφορά την ευχρηστία, την ευκολία πρόσβασης και τη χρήση του Web2.0, δημιουργώντας μία Mobile εφαρμογή που παρέχει σε χρήστες κινητού τηλεφώνου, με λειτουργικό σύστημα Windows Mobile, τη δυνατότητα να συμμετέχουν σε ένα συγκεκριμένο Σύστημα Υποστήριξης Επιχειρηματολογίας, το CoPe_it!. Με αυτόν τον τρόπο επιχειρούμε να συνεισφέρουμε στην προσπάθεια διεύρυνσης των πιθανών χρήσεων του συγκεκριμένου συστήματος. Σε πρώτη φάση μελετήθηκε η εξέλιξη του Παγκόσμιου Ιστού από το Web1.0 στο Web2.0 και οι προσφερόμενες σε αυτόν υπηρεσίες. Έπειτα παρουσιάστηκε η ανάπτυξη του Κινητού Παγκόσμιου Ιστού και το πώς μέσα από τις τεχνολογικές εξελίξεις αλλά και τις καθημερινές συνήθειες του μέσου ανθρώπου, οδηγούμαστε στην ανάγκη ύπαρξης δυνατότητας μεταφοράς κάθε είδους δραστηριότητας και προσφερόμενων υπηρεσιών από το Web στο Mobile Web. Στη συνέχεια μελετήθηκαν τα Συστήματα Υποστήριξης Επιχειρηματολογίας, ξεκινώντας από την ανάλυση κάποιων βασικών εννοιών, συνεχίζοντας με τα μοντέλα διαχείρισης επιχειρημάτων και καταλήγοντας σε εμπεριστατωμένη έρευνα των αντιστοίχων ηλεκτρονικών εργαλείων υποστήριξης που είναι διαθέσιμα είτε απλά ως ηλεκτρονικές εφαρμογές, είτε ως on-line Web-based εφαρμογές. Έπειτα αποκαλύπτεται το κενό που υπάρχει στο αντίστοιχο πεδίο του Mobile Web από την έλλειψη αντίστοιχης εφαρμογής, με μοναδικό «φωτεινό» σημείο την ύπαρξη εφαρμογών παραπλήσιου ενδιαφέροντος. Τέλος, παρουσιάστηκε η όλη διαδικασία ανάπτυξης της on-line κινητής εφαρμογής, Mobile CoPe_it!, αφού προηγήθηκε εκτενής παρουσίαση του ήδη υπάρχοντος μητρικού συστήματος. / --

Τα ασύρματα συστήματα τέταρτης γενιάς (4G) στοχεύουν σε πολύ υψηλές ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων, 100 Mbps (Mega bits per second) για ταχέως κινούμενους πομποδέκτες και έως 1 Gbps για ακίνητους. Αυτός ο στόχος μπορεί να επιτευχθεί με τα συστήματα Πολλαπλής Εισόδου-Πολλαπλής Εξόδου (Multiple Input-Multiple Output, MIMO) τα οποία χρησιμοποιούν πολλές κεραίες στον πομπό και στο δέκτη. Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής (ΔΔ) εστιάζεται στην ανάλυση και βελτιστοποίηση αυτών των συστημάτων, υπό το πρίσμα των φαινομένων της σκέδασης και των διαλείψεων μικρής κλίμακας. Το αντικείμενο μελέτης συνοψίζεται στις ακόλουθες θεματικές ενότητες: α) μοντελοποίηση των ασυρμάτων καναλιών με διαλείψεις, β) απόδοση ακριβών και εύχρηστων μαθηματικών εκφράσεων της εργοδικής (μέσου όρου) χωρητικότητας των ασύρματων συστημάτων που χρησιμοποιούν πολλές κεραίες στο δέκτη, γ) αύξηση της εργοδικής χωρητικότητας του συστήματος ΜΙΜΟ χρησιμοποιώντας πληροφορία από το μέσο διάδοσης. Αρχικά περιγράφεται η γενική μοντελοποίηση του ασύρματου καναλιού που είναι αναγκαία για την κατανόηση βασικών εννοιών για την ανάλυση που θα ακολουθήσει. Αυτό έχει ως στόχο μία σύντομη περιγραφή των βασικών χαρακτηριστικών ενός οποιουδήποτε ασύρματου καναλιού και να γίνουν κατανοητές κάποιες σημαντικές έννοιες που προκύπτουν και χρησιμοποιούνται κατά κόρον στις ασύρματες επικοινωνίες. Πιο συγκεκριμένα, παρατίθενται βασικές θεωρητικές γνώσεις όπου περιγράφονται τα διάφορα προβλήματα διάδοσης, δίνοντας μια σύντομη περιγραφή των φυσικών φαινομένων που εμπλέκονται, χωρίς να εμβαθύνουμε σε πολύπλοκες μαθηματικές σχέσεις. Στη συνέχεια, γίνεται προσπάθεια ακριβέστερης μοντελοποίησης, με χρήση στοχαστικών διαδικασιών, των ασύρματων μη επιλεκτικών στη συχνότητα καναλιών με διαλείψεις (frequency non-selective fading channels) σε περιβάλλον τρισδιάστατης ανισοτροπικής σκέδασης καναλιού Rice. Με τον όρο ανισοτροπική εννοείται ότι η λήψη των διαφόρων συνιστωσών για το αζιμούθιο επίπεδο γίνεται από κάποιους τομείς γωνιών και όχι από όλες τις κατευθύνσεις, ενώ στο επίπεδο της ανύψωσης θεωρούμε την ύπαρξη ενός τομέα άφιξης των συνιστωσών στον οποίο η ισχύς δεν κατανέμεται ομοιόμορφα αλλά βάσει μιας κατανομής. Επιπλέον λόγω της θεώρησης καναλιού Rice, συμπεριλαμβάνεται η ύπαρξη μιας δεσπόζουσας συνιστώσας με σταθερό πλάτος η οποία συνήθως προέρχεται από οπτική επαφή του πομπού με το δέκτη. Θεωρώντας συγκεκριμένες κατανομές για την άφιξη των συνιστωσών σε αυτούς τους τομείς από τη διεθνή βιβλιογραφία, εξάγεται αναλυτικά η συνάρτηση της αυτοσυσχέτισης και το φάσμα της ολίσθησης των συχνοτήτων σε αναλυτική μορφή και υπολογίζονται σημαντικά μεγέθη που εκφράζουν την ταχύτητα αυξομείωσης του σήματος και τη διάρκεια των διαλείψεων. Επιπλέον με αυτό τον τρόπο είναι δυνατόν να καθοριστεί η απόσταση μεταξύ των κεραιών που πρέπει να τηρείται ώστε να εξασφαλίζονται οι υψηλές επιδόσεις. Σε αστικό περιβάλλον, αποδεικνύεται ότι η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των κεραιών ενός πομποδέκτη θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από ότι σε ένα υπαίθριο περιβάλλον. Στην επόμενη ενότητα επιτυγχάνεται η απόδοση ακριβών και εύχρηστων μαθηματικών εκφράσεων της εργοδικής (μέσου όρου) χωρητικότητας των ασύρματων συστημάτων που χρησιμοποιούν πολλές κεραίες στο δέκτη σε περιβάλλον Nakagami (που θεωρείται από τα πιο αντιπροσωπευτικά για την περιγραφή της ασύρματης διάδοσης σε κλειστούς χώρους) με όσο το δυνατό απλούστερες μαθηματικές συναρτήσεις. Με αυτό τον τρόπο, η ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων εκφράζεται συναρτήσει των φυσικών παραμέτρων του συστήματος, δηλαδή το κανάλι, τον αριθμό των κεραιών κτλ. Ήδη έχουν γίνει πολλές δημοσιεύεις σε αυτό τον τομέα για διάφορες περιπτώσεις μοντελοποίησης των καναλιών (Rayleigh, Rice κτλ) και για διάφορες τεχνικές λήψης. Όμως υπάρχουν αρκετές περιπτώσεις όπου υπάρχουν κενά στη διεθνή βιβλιογραφία ή η έκφραση της χωρητικότητας δεν γίνεται με κλειστές μαθηματικές μορφές. Έτσι παρουσιάζονται αναλυτικές μαθηματικές εκφράσεις της εργοδικής χωρητικότητας των συστημάτων SIMO που δεν υπήρχαν έως τώρα στη διεθνή βιβλιογραφία, για διάφορες περιπτώσεις γνώσης του καναλιού. Αυτό γίνεται κάνοντας τον άμεσο παραλληλισμό των συστημάτων SIMO με τις διάφορες τεχνικές διαφορισμού. Εξετάζεται η εργοδική χωρητικότητα ενός συστήματος SIMO το οποίο λειτουργεί σε κανάλι διαλείψεων Nakagami-m στο οποίο όλες οι ζεύξεις είναι ανεξάρτητες αλλά δεν είναι κατά ανάγκη όμοιες. Συγκεκριμένα εξάγονται μαθηματικές εκφράσεις κλειστού τύπου για την εργοδική χωρητικότητα συστημάτων Equal Gain Combining και Selection Combining και Switch and Stay Combining δύο κλάδων. Επιπλέον, παρουσιάζεται για πρώτη φορά, η εργοδική χωρητικότητα ενός συστήματος SIMO στο οποίο δεν εφαρμόζεται καμία τεχνική διαφορικής λήψης και εξάγονται πολύ διδακτικά συμπεράσματα. Αυτό σημαίνει ότι ο δέκτης δεν έχει καμία πληροφορία για το κανάλι (no channel state information CSI) και απλά προσθέτει τα λαμβανόμενα σήματα από κάθε κλάδο-ζεύξη. Επιπλέον γίνεται προσπάθεια οι μαθηματικοί τύποι να είναι εύχρηστοι και υλοποιήσιμοι χωρίς την χρήση ιδιαίτερων μαθηματικών λογισμικών. Ουσιαστικά η μαθηματική έκφραση της χωρητικότητας των συστημάτων SIMO σε κανάλι διαλείψεων Nakagami-m, ανάγεται στην επίλυση ενός είδους ολοκληρώματος που περιέχει ταυτόχρονα τη λογαριθμική συνάρτηση, την εκθετική συνάρτηση και πολυώνυμα νιοστής δύναμης. Αυτός ο τύπος ολοκληρωμάτων είναι δυσεπίλυτος και προκύπτει συχνά στις ασύρματες επικοινωνίες. Στην τελευταία ενότητα, γίνεται προσπάθεια αύξησης του μέσου όρου της χωρητικότητας του συστήματος ΜΙΜΟ χρησιμοποιώντας πληροφορία από το μέσο διάδοσης. Πιο συγκεκριμένα μελετάται η πολιτική εκπομπής, αν ο πομπός γνωρίζει τις παραμέτρους του καναλιού οι οποίες είναι δυνατό να γνωστοποιηθούν στον πομπό σε ρεαλιστικό επίπεδο. Ως παράμετροι του καναλιού οι οποίες είναι απαραίτητο να είναι γνωστές, θεωρούνται ο μέσος όρος και η διασπορά του καναλιού που είναι δυνατό να μετρηθούν στην πράξη ιδιαίτερα για κανάλια που δε μεταβάλλονται πάρα πολύ γρήγορα στο χρόνο. Το πρόβλημα της μεγιστοποίησης της εργοδικής χωρητικότητας, στην γενική του μορφή έως τώρα αντιμετωπίζεται μόνο με χρονοβόρες υπολογιστικές μεθόδους που απαιτούν αρκετή υπολογιστική ισχύ, καθιστώντας τη λύση μη εφαρμόσιμη σε πραγματικό χρόνο και επομένως μη ρεαλιστική. Το πρόβλημα είναι δυσεπίλυτο και οι μόνες αναλυτικές λύσεις που υπάρχουν αναφέρονται σε ιδιαίτερες περιπτώσεις. Η παρούσα ΔΔ ασχολείται με τη μεγιστοποίηση της εργοδικής χωρητικότητας του συστήματος MISO (Multiple Input-Single Output) το οποίο χρησιμοποιεί την τεχνική beamforming στην εκπομπή. Το πρόβλημα επιλύεται και η λύση του ανάγεται στη λύση ενός συστήματος δύο εξισώσεων το οποίο λύνεται αριθμητικά. Έτσι είναι δυνατή η μεγιστοποίηση της χωρητικότητας σε πραγματικό χρόνο χωρίς ιδιαίτερη υπολογιστική ισχύ. Έως τώρα η προσέγγιση αυτού του προβλήματος γίνεται αποκλειστικά με αλγορίθμους μεγιστοποίησης μη γραμμικού προγραμματισμού. Επιπλέον εξετάζοντας τη λύση του απλού συστήματος , εξάγονται καθολικά συμπεράσματα που εκφράζουν το γενικό πρόβλημα. Για τη μεγιστοποίηση του συστήματος MISO beamforming, απαιτήθηκε η διανυσματική ανάλυση του μέσου όρου του καναλιού και του διανύσματος beamforming του πομπού σε μία κατάλληλη ορθοκανονική βάση. Έτσι το πρόβλημα ανάγεται στην εύρεση των γωνιών που σχηματίζει το διάνυσμα beamforming με την ορθοκανονική βάση ώστε να μεγιστοποιείται η χωρητικότητα για δεδομένες παραμέτρους του καναλιού. Με αυτή τη μέθοδο το πρόβλημα επιλύεται πολύ εύκολα με αριθμητικές μεθόδους. Αυτό δίνει, πέρα από την ίδια τη λύση, τη δυνατότητα να γίνει σύγκριση και με υπάρχουσες μεθόδους που προσέγγιζαν τη λύση, όπως η μεγιστοποίηση του σηματοθορυβικού λόγου (Signal to Noise Ratio, SNR). Επίσης αποδεικνύεται ότι το λαμβανόμενο SNR στο δέκτη επηρεάζει το διάνυσμα beamforming που μεγιστοποιεί την χωρητικότητα. Λαμβάνοντας υπόψη όλα αυτά, προτείνεται ένας κανόνας για την πολιτική εκπομπής του πομπού. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στην επίλυση του γενικότερου προβλήματος της μεγιστοποίησης της χωρητικότητας σε συστήματα ΜΙΜΟ. / 4G Wireless Communication Systems aim at high data rates, 100 Mbps (Mega bits per second) for high speed transceivers and up to 1 Gbps for stationary transceivers. This target can be accomplished with Multiple Input Multiple Output (MIMO) Systems which use multiple antennas at both the transmitter and the receiver. The subject of this Philosophy Diploma (PhD) dissertation focuses on analysis and optimization of these systems, taking into account the effects of small scale fading and scattering which occur in a wireless channel. The subject of this study is summarized in the following thematic units: a) Fading channel modelling b) Closed-form mathematical expressions for the ergodic capacity of wireless systems which use multiple antennas at the receiver c) increase MISO ergodic capacity through channel state information. Initially, the general wireless fading channel model is described which is necessary for the better understanding of the analysis used in this dissertation. This aims at a brief description of the basic characteristics of the wireless channel. Specifically, general theoretical knowledge of propagation channel is presented, giving a description of the phenomena occurring in the channel without presenting complex mathematical expressions. Next, using stochastic procedures, an accurate model of frequency non-selective Rician fading channel with 3 dimensional anisotropic scattering is presented. The term anisotropic means that the arrival of the multipath components comes from some specific sectors and not from any direction. In the elevation plane, we assume a sector for the arrival of the multipath components in which power does not arrive uniformly but follows a specific distribution. In addition, assuming a communication system operating in a Rice fading channel, a dominant component is included which usually represents the Line of Sight (LOS) component between the transmitter and the receiver. Taking into account international literature and assuming specific probability density functions for the angle of arrivals in these sectors, analytical mathematical expressions of the auto-correlation function and the power spectral density of the received signal are derived. Moreover important measures of the level crossing rate and the average duration of fades are calculated. By this analysis, the system designer is able to estimate the optimal distance between antennas in order to assure high performance of the communication system. It is proved that the distance between antennas should be greater in rural than in urban environments. In the next section, accurate closed-form mathematical expressions for the ergodic capacity of SIMO (Single Input Multiple Output) systems in Nakagami fading channel are derived with the help of known and easy to use mathematical functions (Nakagami fading is appropriate for indoor channel modelling). Thus channel capacity is expressed with respect to the physical system parameters such as: amount of fading, number of antennas etc. Many studies have been published for different cases of fading channel models (Rayleigh, Rice, etc) and diversity techniques. But for some cases there are no mathematical expressions for the ergodic capacity or it is expressed in a no closed form way. Thus in this study, new analytical mathematical expressions for the ergodic capacity of SIMO systems with different channel knowledge cases are derived. Also the relation between diversity techniques and SIMO systems is taken into account. We assume that the SIMO system operates in a Nakagami fading channel where each branch is statistically independent but not identically distributed. More precisely, new ergodic capacity formulas for dual Equal Gain Combining, Selection Combining and Switch and Stay Combining techniques are presented. In addition, a new mathematical formula for the ergodic capacity of a SIMO system with no channel knowledge is presented, resulting in useful conclusions. All these mathematical expressions are calculated with mathematical functions that are included in any mathematical software. Essentially, the calculation of the ergodic capacity of SIMO systems in Nakagami fading channels entails the calculation of an integral which contains the logarithmic function, the exponential function and n power polynomials. This type of integral is intractable and arises frequently in wireless communications. In the last section, the ergodic capacity of a MIMO channel using channel state information is studied. In particular, this dissertation studies the transmit strategy if the transmitter knows the statistical parameters of the channel which is feasible in a realistic scenario. The statistical parameters of the channel that have to be transferred to the transmitter are channel mean and covariance. These parameters can be measured in practice especially for low time variant channels. Transmitter optimization problem, in its general form, is tackled only with hard optimization methods which are not feasible for real time applications due to large processing time. The problem is intractable and the only analytical solutions in literature are referred to special cases. The current dissertation studies the ergodic capacity optimization problem of a MISO (Multiple Input-Single Output) system which uses beamforming as its transmit strategy. The problem is solved through a system of two equations which is solved numerically. Thus the problem is extremely simplified and beamforming capacity optimization is feasible even for real time applications. So far this problem was tackled with non linear programming optimization methods. Also examining the solution for the MISO system, it is provided intuition into the problem. Also general results are presented which express the general problem. Beamforming capacity optimization solution was achieved by following an analytical approach that projects the beamforming vector on an appropriate orthonormal basis defined by the eigenvectors of the channel covariance matrix. Thus the problem reduces to calculation of the angles between the beamforming vector and the orthonormal basis which maximize capacity for given channel parameters. Following this method, the problem is solved very easily through numerical root finding algorithms. Besides the solution itself, a comparison against existing approximate solutions is possible, e.g. SNR (Signal to Noise Ratio) maximization solution. It is proved that the optimal beamforming vector is dependent on the received SNR. Taking into account all the arising results, a rule of thumb for the transmit policy is proposed. In addition, the used method can help significantly towards the solution of the MIMO transmitter optimization problem.

Είναι ευρέως γνωστό ότι, τα τελευταία χρόνια, οι ΤΠΕ (Τεχνολογίες Πληροφορίας και Επικοινωνίας) ενσωματώνονται σε όλα τα σύγχρονα εκπαιδευτικά συστήματα διότι με τη χρήση τους παρέχονται ποικίλες διευκολύνσεις – πλεονεκτήματα κατά τη μαθησιακή διαδικασία. Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση και η παράδοση του μαθήματος "Ανάπτυξη εφαρμογών σε προγραμματιστικό περιβάλλον" με χρήση της πλατφόρμας ανοικτής εκπαίδευσης DIPLEK που χρησιμοποιεί τις ΤΠΕ για την ανάπτυξη και οργάνωση του εκπαιδευτικού υλικού από τους εκπαιδευτικούς. Το μάθημα «Ανάπτυξη εφαρμογών σε προγραμματιστικό περιβάλλον» απευθύνεται στους μαθητές της Γ’ Τάξης Τεχνολογικής Κατεύθυνσης Ενιαίου Λυκείου, του Κύκλου Πληροφορικής και Υπηρεσιών. Στόχος του μαθήματος είναι η εισαγωγή του μαθητή στη λογική του προγραμματισμού και η ανάπτυξη του κατάλληλου τρόπου σκέψης για την αλγοριθμική επίλυση προβλημάτων. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η δημιουργία μιας υποδειγματικής διδασκαλίας του πανελληνίου αυτού εξεταζόμενου μαθήματος που θα αποτελέσει ένα χρήσιμο βοήθημα για τους μαθητές και εργαλείο αναφοράς για τους εκπαιδευτικούς. Για την υλοποίηση του μαθήματος θα χρησιμοποιηθεί η πλατφόρμα ανοικτής εκπαίδευσης DIPLEK. Η πλατφόρμα αυτή έχει σχεδιαστεί και υλοποιηθεί με βάση τις σύγχρονες ανάγκες του μαθητή και καθηγητή για εύκολη πρόσβαση σε εκπαιδευτικό υλικό και μπορεί και προσαρμόζεται στις ανάγκες του. Ακόμα η χρήση της δεν απαιτεί ιδιαίτερες γνώσεις ηλεκτρονικού υπολογιστή αφού παρέχει ένα φιλικό γραφικό περιβάλλον εργασίας στο χρήστη. Η ύλη που θα καλύπτει το μάθημα είναι η ύλη που καλούνται οι μαθητές της Γ Λυκείου να εξεταστούν στις πανελλήνιες εξετάσεις (ανάλυση προβλήματος, βασικές έννοιες αλγορίθμων, δομές δεδομένων και αλγόριθμοι, η γλώσσα προγραμματισμού «Γλώσσα» και το κεφάλαιο υποπρογράμματα). Για την επίτευξη του στόχου αυτού θα χρησιμοποιηθούν μια σειρά από δραστηριότητες που θα καλύπτουν το εύρος των δυνατοτήτων της πλατφόρμας. Δραστηριότητες που θα στοχεύουν στην ανάλυση των δυσνόητων σημείων θεωρίας, ασκήσεις λυμένες και ασκήσεις για λύση με σκοπό την εμπλοκή των μαθητών σε προσωπική πειραματική διαδικασία, τεστ πολλαπλής επιλογής, διαγωνίσματα. Περαιτέρω μελέτη αποτελεί η αξιολόγηση των σεναρίων στη σχολική τάξη και εφαρμογή παρόμοιων σεναρίων για περισσότερα γνωστικά αντικείμενα. / It is widely believed that in recent years, ICT (Information and Communication Technologies) have been incorporated into all modern educational systems since their use provides a variety of facilities - the advantages in the learning process. The purpose of this particular thesis, is the design and teaching of the " Application Development in a programming environment " course, by using the open education platform DIPLEK, which utilizes the ICT for the development and organization of educational material by teachers. The course mentioned before, is addressed to those students of the Third Grade of High School, who are orientated to the Technological field of computer Science and Services Cycle. The course aims at introducing to student the sense of planning and developing the appropriate way of thinking about algorithmic problem solving. The goal of this thesis is to create an exemplary instructive method of this Pan-Hellenic subject that will be a useful tool for students and a reference tool for teachers. For the realization of the course, the platform of open education DIPLEK will be used. It has been designed and implemented based on the current needs of both student and teacher, for easy access to educational material and can be adapted to their needs as well. Furthermore, its use requires no special computer knowledge due to the fact that it offers a friendly graphical user interface. The material covered by the course, is the one the third Grade candidates are invited to know well, since they enter for it during National exams (problem analysis, basic concepts of algorithms, data structures and algorithms, the programming language "Language" and sub programmes charter). To achieve this goal a range of activities covering the breadth of capabilities of the platform will be used. Activities which aim at analyzing the obscure points of theory, already answered drills and exercises or others which demand a solution with the view to student’s involvement in a personal experiment process and a variety of tests such as multiple choices ones.

Η ραγδαία εξάπλωση του Internet έχει προκαλέσει σημαντικές αλλαγές σε πολλούς κλάδους της οικονομίας και της κοινωνίας παγκόσμια. Με τη ραγδαία ανάπτυξη των Τεχνολογιών της Πληροφορικής και της Τεχνολογίας, μια νέα μορφή εκπαίδευσης εμφανίστηκε, που δεν είναι άλλη από το e-learning (εκπαίδευση από απόσταση), που έφερε την επανάσταση στο εκπαιδευτικό γίγνεσθαι. Επιπρόσθετα ο Παγκόσμιος Ιστός σταδιακά μετεξελίσσεται στο Σημασιολογικό Παγκόσμιο Ιστό (Semantic Web) νέα μοντέλα και πρότυπα (XML, RDF, OWL) αναπτύσσονται για την προώθηση αυτής της διαδικασίας. Η έκφραση, μετάδοση και αναζήτηση πληροφοριών με χρήση αυτών των προτύπων ανοίγει νέους ορίζοντες στη χρήση του Διαδικτύου. Οι οντολογίες κερδίζουν ολοένα έδαφος για την αναπαράσταση γνώσης. Σε μια μεγάλη οντολογία που περιέχει χρήσιμα δεδομένα για ένα σύστημα εξ’ αποστάσεως εκπαίδευσης, αξίζει κάποιος να ερευνήσει την «κρυμμένη γνώση», δηλαδή να ανακαλύψει πιθανές συσχετίσεις ή συνειρμούς, να βρει πρότυπα ή μορφές που επαναλαμβάνονται ή ακραία φαινόμενα. Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μια επίδειξη τεχνολογίας για την έγκυρη και έγκαιρη πρόβλεψη της απόδοσης των φοιτητών σε ένα σύστημα εξ’ αποστάσεως εκπαίδευσης. Η βασική ιδέα προκύπτει από την ανάγκη να σχεδιαστεί μία οντολογία η οποία θα μπορεί να αποθηκεύσει τη γνώση σχετικά με τις ικανότητες φοιτητών (user profile) σε σχέση με ένα συγκεκριμένο εκπαιδευτικό αντικείμενο (ΠΛΗ23 – Τηλεματική, Διαδίκτυο του Ελληνικού Ανοικτού Πανεπιστημίου (ΕΑΠ) )η οποία έχει πολύ συγκεκριμένη ύλη και 4 υποχρεωτικές γραπτές εργασίες ανά έτος). Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μελέτης της ανάλυσης των δεδομένων των φοιτητών με τεχνικές εξόρυξης γνώσης. Η εύρεση των κανόνων πραγματοποιήθηκε μέσω του εργαλείου Weka. Το αποτέλεσμα που προέκυψε είναι μία βάση γνώσης βάσει της οποίας γίνεται έγκαιρα και έγκυρα η πρόβλεψη της συμπεριφοράς του φοιτητή, δηλαδή αν θα καταφέρει να ολοκληρώσει επιτυχώς ή μη τη Θεματική Ενότητα που έχει αναλάβει στο ΕΑΠ, ώστε ο διδάσκων να μπορεί από πολύ νωρίς να υποστηρίξει το φοιτητή με επιπλέον υλικό αν απαιτείται. / The rapid spread of Internet has caused significant changes in many sectors of the economy and society worldwide. From those changes could not be left out of education. With the rapid development of information technologies and technology, a new form of education appears, e-learning (distance education), which revolutionized the educational process. Furthermore, while the World Wide Web gradually transforms into Semantic Web, new standards and models (XML, RDF, OWL) are evolving in order to launch this inquiry. The storage, presentation, transmission and search of information according to those standards open up new horizons in the utilization of the Web. Ontologies are increasingly get used for knowledge representation. A large ontology contains useful data for a system of distance education, deserves someone to investigate the "hidden knowledge", i.e. to discover possible associations or to find patterns or forms that are repeated or extreme events. This thesis is a demonstration of technology for accurate and timely prediction of the performance of students in a system of distance education. The basic idea was to design an ontology that can store knowledge about the students’ skills (user profile) in relation to a specific educational purpose (PLI23 - Telematics, Internet of the Hellenic Open University, which has a very specific matter and 4 mandatory projects per year). Then we present the results of a study analyzing student data mining techniques (data mining-classification). The discovery rules took place via the tool Weka. The result is a knowledge base which is the appropriate tool (Interface teacher) may provide that a student needs on a particular topic (in addition to material help from the teacher), etc.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, την ανάλυση καθώς και την κατασκευή μιας νέας τοπολογίας για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών (Φ/Β) γεννητριών, μικρής ισχύος, με το ηλεκτρικό δίκτυο των αστικών περιοχών. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η συμβολή της στον τομέα των Φ/Β μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, με την κατασκευή μιας ηλεκτρονικής διάταξης, η οποία θα χρησιμοποιηθεί για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών (Φ/B) γεννητριών μικρής ισχύος, στο ηλεκτρικό δίκτυο χαμηλής τάσης. Συγκεκριμένα, διερευνάται και κατασκευάζεται ένας υψίσυχνος αντιστροφέας ρεύματος τοπολογίας Flyback, ο οποίος θα είναι κατάλληλος για εφαρμογές «Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος» (AC-PV Modules), δηλαδή Φ/Β διατάξεων, ηλεκτρικής ισχύος έως 300W, στις οποίες ενσωματώνεται ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας συνεχούς τάσης σε μονοφασική εναλλασσόμενη (Micro-inverter). Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε είναι ο μικρός βαθμός πολυπλοκότητας του κυκλώματος ισχύος με άμεση συνέπεια την υψηλή αξιοπιστία του, η γαλβανική απομόνωση που παρέχει ανάμεσα στη Φ/Β γεννήτρια και το ηλεκτρικό δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος (Ε.Ρ.), η ικανότητα σημαντικής ανύψωσης της τάσης εισόδου του, ο υψηλός συντελεστής ισχύος, καθώς και ο υψηλός βαθμός απόδοσης (ο οποίος αγγίζει το 94,25%) για ένα ευρύ φάσμα λειτουργίας του. Ο μικρός όγκος και το μικρό βάρος (σε περίπτωση βιομηχανοποίησης), είναι επιπρόσθετα χαρακτηριστικά της συγκεκριμένης τοπολογίας. Αρχικά, αναλύεται διεξοδικά η λειτουργία του αντιστροφέα ρεύματος τοπολογίας Flyback, η οποία έχει αναπτυχθεί στη Διδακτορική Διατριβή του Αναστάσιου Χ. Κυρίτση, «Βέλτιστος Σχεδιασμός Υψίσυχνου Μονοφασικού Αντιστροφέα για τη Διασύνδεση Φωτοβολταϊκών Συστημάτων Μικρής Ισχύος με το Δίκτυο Χαμηλής Τάσης». Ταυτόχρονα, διερευνώνται δύο διαφορετικές τεχνικές ελέγχου, οι οποίες οδηγούν σε διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας (λειτουργία σε ασυνεχή αγωγή, DCM - λειτουργία στο όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής, BCM) και εξασφαλίζουν τη δημιουργία εναλλασσόμενου ημιτονοειδούς ρεύματος συμφασικού με την τάση του ηλεκτρικού δικτύου. Αναπτύσσονται τα κυκλώματα ελέγχου του αντιστροφέα, ενώ παρουσιάζεται ένας αποτελεσματικός τρόπος μέτρησης του υψίσυχνου διακοπτικού ρεύματος που διαρρέει τα τυλίγματα του μετασχηματιστή του αντιστροφέα. Τέλος, πραγματοποιείται η κατασκευή της διάταξης στο εργαστήριο, με σκοπό τη διεξαγωγή πειραματικών μετρήσεων για την επιβεβαίωση και αξιολόγηση της θεωρητικής ανάλυσης. / This degree thesis deals with the study, the analysis and the manufacture of a new topology that will be used for the interconnection of small photovoltaic (PV) generators with the electric network of urban regions. This work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, School of Engineering, University of Patras. The goal of the present thesis is to contribute in the sector of Dispersed Power Generation PV systems, with the development of an electronic device that will be used for the interconnection of small photovoltaic (PV) generators with the low voltage electric network. Specifically, a high frequency current source Flyback inverter is investigated and manufactured, that will be suitable for “Alternative Current Photovoltaic Modules” (AC-PV Modules) applications. An AC-PV Module is the combination of a single PV module (whose power production varies under 300W) and a single-phase power electronic micro-inverter in a single electrical device. Special characteristics of the inverter are the simple power electronic circuit structure, having high reliability as an immediate consequence, the electrical isolation provided between the PV generator and the electric network, the high power factor and the high efficiency (reaching 94.25%) for a wide range of its power. Moreover, small volume and weight are particular characteristics, attributes very important considering its applications (incorporation in PV generators that will be placed in aspects or roofs of buildings). For this topology - whose theory is in the Ph.D. thesis of A. Ch. Kyritsis “Optimum Design of a High Frequency Singe - Phase Inverter for the Interconnection of Small Power PV Systems with the Low Voltage Network” developed - two different control techniques were investigated, leading to different operation modes (Discontinuous Conduction Mode - DCM, Boundary between Continuous and Discontinuous Mode - BCM) and ensuring alternative sinusoidal current, in phase with the electric network voltage. Simultaneously, their suitability is studied for different power levels. Moreover, the control circuits of the inverter were developed and an effective way of measuring the high - frequency switching currents of the inverter’s transformer is presented. Last but not least, the design of the whole system is completed in the laboratory, in order to carry out the experimental measurements required, to confirm and evaluate the studied theory.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός υβριδικού συστήματος, που αποτελείται από φωτοβολταϊκά και κυψέλες καυσίμου τα οποία τροφοδοτούν ένα μικροδίκτυο. Το φορτίο το οποίο καλείται το σύστημα να καλύψει είναι 30kW και 15kVar. Για τη μοντελοποίηση του συστήματος χρησιμοποιείται το πρόγραμμα σχεδίασης και προσομοίωσης ηλεκτρικών συστημάτων PSCAD. Στην εργασία αυτή το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στη συμπεριφορά του συστήματος στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας και στη συμπεριφορά σε κάποια μεταβατατικά φαινόμενα. Τα μεταβατικά φαινόμενα που εξετάζονται είναι τα εξής: - Συμπεριφορά συστήματος σε μεταβολές της ηλιοφάνειας. - Απόκριση συστήματος σε μεταβολές του φορτίου. - Τριφασικό και μονοφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη στη γραμμή. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές, στην εξέλιξή και στην προοπτική τους στο μέλλον. Στη συνέχεια περιγράφονται τα διάφορα είδη των υβριδικών συστημάτων και γίνεται αναφορά για τη διεσπαρμένη παραγωγή και τα μικροδίκτυα. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται η λειτουργία των φωτοβολταϊκών κυττάρων, παρουσιάζονται οι I-V και P-V χαρακτηριστικές και στη συνέχεια ακολουθεί αναλυτική περιγραφή του μοντέλου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας που θα χρησιμοποιήσουμε στην προσομοίωση στο PScad. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται η λειτουργία των κυψελών καυσίμων και παρουσιάζονται τα διάφορα είδη κυψελών που υπάρχουν στις μέρες μας. Εν συνεχεία ακολουθεί αναλυτική περιγραφή της λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολυτικής μεμβράνης PEM FC καθώς αυτό το είδος των κυψελών καυσίμου χρησιμοποιούμε στο σύστημά μας. Τέλος, κατασκευάζεται το μοντέλο της PEM FC και ακολουθεί η αναλυτική περιγραφή του μοντέλου. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται αναφορά στους dc/dc μετατροπείς ανύψωσης τάσης και στις περιοχές λειτουργίας τους. Εν συνεχεία γίνεται διαστασολόγηση του ανυψωτή τάσης και παρουσιάζεται το σύστημα ελέγχου του. Επίσης μελετάται η λειτουργία του ανυψωτή ως ανιχνευτή του σημείου μέγιστης ισχύος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και γίνεται προσομοίωση των κυψελών και της φωτοβολταϊκής συστοιχίας με τους dc/dc μετατροπείς που χρησιμοποιούνται. Στο κεφάλαιο 5 ακολουθεί η περιγραφή της λειτουργίας των μονοφασικών και τριφασικών αντιστροφέων DC/AC και παρουσιάζεται αναλυτικά η στρατηγική της διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Τέλος, γίνεται υπολογισμός των τιμών του φίλτρου που τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα και στη συνέχεια προσομοιώνεται και μελετάται το μοντέλο του αντιστροφέα που χρησιμοποιούμε στο σύστημά μας. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται η πλήρη προσομοίωση του συστήματος. Περιγράφονται επίσης και τα μοντέλα του φορτίου, του Μ/Σ, του δικτύου και της μηχανής παραγωγής σφαλμάτων. Τέλος, παρουσιάζονται και περιγράφονται τα αποτελέσματα των μελετών που πραγματοποιούνται στο σύστημα (απόκριση συστήματος σε κανονικές συνθήκες, απόκριση συστήματος για μεταβολή της ηλιοφάνειας, μελέτη συστήματος στη μεταβολή του φορτίου, προσομοίωση συστήματος για σφάλματα στη γραμμή). / The current diploma thesis presents the study and simulation of a hybrid system, which consists of a Photovoltaic Array (PV) and a Fuel Cell stack (FC), which supports a microgrid. The critical load that the system supports is 30kW and 15kVar. For the system modelling the program of designing and simulation of electric systems PSCAD is used. At this project the interest is focused in the behavior of system in the permanent situation of operation and in the behavior in certain transient phenomena. The transient phenomena that are examined are the following: - Behavior of the system in variations in solar insolation. - System’s response to variations of the load. - Fault analysis (single line to ground and three-phase line to ground short circuit). In Chapter 1 there is a description of renewable energy sources, their development and prospects in the future. Afterwards, the different kinds of hybrid systems are mentioned and there is a reference in distributed generation and microgrids. In Chapter 2 the function of photovoltaic cells and different kinds of photovoltaic technologies are described. Furthermore, I-V and P-V characteristic are presented and then follows an analytical description of the photovoltaic model that we use in our simulation in PScad. In Chapter 3 , the function of the Fuel Cells is described and the different kinds of fuel cells are presented. Afterwards, there is an analytical description of the proton exchange membrane fuel cells (PEM FC) as we use this kind of FC in our system. Finally, the PEM FC model is constructed and an analytical description of the model is made. The Chapter 4 entails information for the dc/dc boost converters and their operating modes. Subsequently the control system of the dc/dc boost converter is presented. Finally, the utilization of the boost converter as a maximum power point tracker is examined and the simulation of the FV and PV with the boost converter is presented. In Chapter 5 there is a description of the function of the single-phase and three-phase dc/ac inverters and the technique of the pulse-width modulation (PWM) is presented. Finally, the value of the output filter of the inverter is calculated and then the model of the dc/ac inverter, which we use in our system, is simulated. In Chapter 6 there is a simulation of the whole system. Furthermore, the models of the load, the transformer and the fault generator are described. Finally, the results of the simulations for which the system was tested is presented (system response to normal conditions, system response to changes in the insolation, System’s response to variations of the load, system response to grid faults).