Στη παρούσα διδακτορική διατριβή του κ. Χαράλαμπου Μιχαήλ με τίτλο «Βελτιστοποίηση Επαναπροσδιοριζόμενων Αρχιτεκτονικών για Απόδοση και Κατανάλωση Ενέργειας για Κρυπτογραφικές Εφαρμογές και Εφαρμογές Κυριαρχούμενες από Δεδομένα» προτείνονται, αναπτύσσονται και μελετώνται αποδοτικές τεχνικές βελτιστοποίησης της απόδοσης ή/και της κατανάλωσης ενέργειας για κρυπτογραφικές εφαρμογές καθώς και εφαρμογές κυριαρχούμενες από δεδομένα που υλοποιούνται σε ενσωματωμένες πλατφόρμες ειδικού σκοπού. Συνολικά, οι προτεινόμενες τεχνικές μελετήθηκαν για τις διάφορες παραμέτρους που έχουν και συνολικά οδήγησαν στην διαμόρφωση της προτεινόμενης γενικής μεθοδολογίας βελτιστοποίησης των κρυπτογραφικών και λοιπών εφαρμογών κυριαρχούμενων από δεδομένα. Τα θεωρούμενα συστήματα στοχεύουν σε αριθμητικά απαιτητικές εφαρμογές και προέκυψαν εντυπωσιακές βελτιστοποιήσεις ειδικά δε στην απόδοση συγκεκριμένων κρυπτογραφικών εφαρμογών όπως οι συναρτήσεις κατακερματισμού και ανάμειξης (hash functions) και κατά συνέπεια και των αντίστοιχων κρυπτογραφιών μηχανισμών στους οποίους αυτές χρησιμοποιούνται. Πρωταρχικός σχεδιαστικός στόχος είναι η αύξηση της ρυθμαπόδοσης σχεδιάζοντας κρυπτογραφικές εφαρμογές για διακομιστές υπηρεσιών ή γενικότερα εφαρμογές κυριαρχούμενες από δεδομένα. Λαμβάνοντας επίσης υπόψη το γεγονός ότι η κρυπτογραφία αποτελεί σήμερα –πιο πολύ παρά ποτέ- ένα αναγκαίο και αναντικατάστατο συστατικό της ανάπτυξης ηλεκτρονικών υπηρεσιών μέσω διαδικτύου και της εν τέλει μετάβασης της ανθρωπότητας στο νέο οικονομικό μοντέλο της «ηλεκτρονικής οικονομίας» είναι προφανής η σημασία της προτεινόμενης μεθοδολογίας και των αντίστοιχων σχεδιασμών που προκύπτουν. Η ολοκλήρωση των κρυπτογραφικών συστημάτων ασφαλείας σε υλικό είναι σχεδόν αναγκαία για τα ενσωματωμένα συστήματα κρυπτογράφησης. Τα πλεονεκτήματα που έχουμε είναι η υψηλή απόδοση, η μειωμένη κατανάλωση ισχύος με μειονέκτημα το κόστος της ολοκλήρωσης σε υλικό. Νέες τεχνολογίες όπως FPGAs (Field-Programmable Gate Array), επιτρέπουν την πιο εύκολη ολοκλήρωση του αλγορίθμου και την ανανέωση - αντικατάστασή του από νεώτερους-βελτιωμένους. Ήδη τα τελευταίας γενιάς FPGAs τείνουν να έχουν τις ιδιότητες των ASICs (Application-Specific Integrated Circuit) -μειωμένη κατανάλωση ισχύος, υψηλή απόδοση, και ρύθμιση της λειτουργικότητας ανάλογα την εφαρμογή. Ένα άλλο πλεονέκτημα των υλοποιήσεων σε υλικό είναι πως από την φύση τους είναι λιγότερο ευαίσθητο σε επιθέσεις κρυπτανάλυσης ενώ μπορούν ευκολότερα να ενσωματώσουν πολιτικές αντιμετώπισης κρυπταναλυτικών τεχνικών . Ερευνητική Συνεισφορά Ανάπτυξη και μελέτη τεχνικών βελτιστοποίησης που οδηγούν σε σχέδια με πολύ υψηλή ρυθμαπόδοση και περιορισμένο κόστος σε επιφάνεια ολοκλήρωσης για κρυπτογραφικές και υπολογιστικά απαιτητικές εφαρμογές Αναπτύσσονται και αναλύονται όλες οι επιμέρους τεχνικές που αξιολογήθηκαν κατά την εκπόνηση της εν λόγω διδακτορικής διατριβής και χρησιμοποιούνται για την βελτιστοποίηση των σχεδίων σε υλικό. Μελετώνται οι παράμετροι εφαρμογής ανάλογα με την υφή της κάθε τεχνικής και τα τιθέμενα σχεδιαστικά κριτήρια, τα οποία εξαρτώνται από τα επιθυμητά χαρακτηριστικά των σχεδίων σε υλικό καθώς και από τις εν γένει προδιαγραφές τους ανάλογα με τον εκάστοτε σχεδιαστικό στόχο. Ανάπτυξη και μελέτη «πάνω-προς-τα-κάτω» μεθοδολογίας βελτιστοποίησης των σχεδίων που οδηγούν σε πολύ υψηλή ρυθμαπόδοση και περιορισμένο κόστος σε επιφάνεια ολοκλήρωσης για κρυπτογραφικές και υπολογιστικά απαιτητικές εφαρμογές Αναπτύσσεται ολοκληρωμένη και δομημένη συνολική μεθοδολογία βελτιστοποίησης σχεδίων, με βάση τις επιμέρους τεχνικές που παρουσιάστηκαν και αναλύθηκαν, που οδηγεί σε γενική μεθοδολογία η οποία είναι εφαρμόσιμη σε όλες σχεδόν τις συναρτήσεις κατακερματισμού για τις οποίες καταφέρνει να παράγει σχέδια υψηλής απόδοσης με περιορισμένο κόστος σε επιφάνεια ολοκλήρωσης. Ταυτόχρονα, αναλύονται τα θεωρητικώς αναμενόμενα οφέλη από την κάθε επιμέρους τεχνική βελτιστοποίησης καθώς και από την συνολική εφαρμογή της μεθοδολογίας βελτιστοποίησης του σχεδιασμού σε υλικό ανάλογα με την επιλεχθείσα τιμή των παραμέτρων της κάθε εφαρμοζόμενης τεχνικής. Ανάπτυξη σχεδίων σε υλικό πολύ υψηλής βελτιστοποίησης για τις συναρτήσεις κατακερματισμού SHA-1 και SHA-256 Παρουσιάζεται η διαδικασία βελτιστοποίησης του σχεδιασμού σε υλικό των δυο πιο σημαντικών συναρτήσεων κατακερματισμού αναφέροντας σε κάθε περίπτωση τα επιμέρους κέρδη, καθώς και την συνολική βελτίωση που επιτεύχθηκε με την εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Οι δύο συναρτήσεις είναι οι SHA-1 (η πιο δημοφιλής συνάρτηση κατακερματισμού στις σημερινές εφαρμογές) και SHA-256 (που αναμένεται να χρησιμοποιηθεί ευρύτατα στο μέλλον παρέχοντας υψηλότερο επίπεδο ασφάλειας). Υλοποιήσεις σε συγκεκριμένες επαναπροσδιοριζόμενες αρχιτεκτονικές συγκρίνονται με αντίστοιχες που έχουν προταθεί ερευνητικά ή είναι εμπορικά διαθέσιμες, αποδεικνύωντας την υπεροχή των προτεινόμενων σχεδίων. Έτσι προκύπτουν σχέδια πολύ υψηλής ρυθμαπόδοσης (τουλάχιστον 160% βελτιωμένοι σε σχέση με συμβατικές υλοποιήσεις) με περιορισμένο κόστος σε επιφάνεια ολοκλήρωσης (λιγότερο από 10% σε επίπεδο συνολικού κρυπτογραφικού συστήματος στην χειρότερη περίπτωση σε σχέση με συμβατικές υλοποιήσεις), βελτιστοποιώντας τον σχεδιαστικό παράγοντα «απόδοση x επιφάνεια ολοκλήρωσης» σε σχέση με άλλες εμπορικές ή ακαδημαϊκές υλοποιήσεις. / In this Ph.D dissertation, certain design techniques and methodologies, for various hardware platforms, aiming to boost performance of cryptographic modules and data intensive applications are presented. This way we manage to obtain hardware designs with extremely high throughput performing much better that anyone else that has been previously proposed either by academia or industry. Taking in consideration the rapid evolution of e-commerce and the need to secure all kind of electronic transactions, it is obvious that there is a great need to achieve much higher throughputs for certain cryptographic primitives. Especially in IPv6, HMAC etc it is crucial to design hash functions that achieve the highest degree of throughput since hashing is the limiting factor in such security schemes. The proposed methodology achieves to tackle this problem achieving to offer design solutions for hashing cores that can increase their throughput up to 160%. The proposed methodology is generally applicable to all kind of hash functions and this is a main characteristic of its importance. The proposed techniques and methodologies go far beyond from just unrolling the rounds of the algorithm and/or using extended pipelining techniques. It offers an analysis on these techniques while at the same time proposes some new, which all together form a holistic methodology for designing high-throughput hardware implementations for hash functions or other data intensive applications. These designs that can achieve high throughput rates are appropriate for high-end applications that are not constrained in power consumption and chip covered area. The main contributions of this PhD thesis involve: Developing and study of certain optimizing techniques for increasing throughput in cryptographic primitives and data intensive applications Certain design techniques that can take part in a generic methodology for improving hardware performance characteristics are proposed and studied. This study has been conducted in terms of each technique’s parameters and certain design criteria are mentioned in order to choose their values. These design criteria depend on the intended hardware characteristics, specifications and available hardware resources for the cryptographic primitive or data intensive application. Developing and study of top-down methodology for increasing throughput in cryptographic primitives and data intensive applications Techniques that were previously proposed and analyzed are merged in order to form propose a top-down methodology able to boost performance of cryptographic primitives and data intensive applications. Design parameters are studied in order to propose various design options with the default one being achieving the highest degree of throughput maintaining the best throughput/area ratio. The proposed methodology can significantly increase throughput of hardware designs leading theoretically even to 160% increase of throughput with less than 10% cost in integration area for the whole cryptographic system. Highly optimized hardware designs for the two main hash functions: SHA-1 and SHA-256 with high-throughput properties. In this contribution high throughput designs and implementations are proposed concerning the two most widely used hash functions SHA-1 and SHA-256. SHA-1 is currently the most widely deployed hashing function whereas SHA-256 has started to phase out SHA-1 due to security issues that have recently been reported. These two designs also serve as case studies for the application of the proposed methodology aiming to increase throughput in cryptographic modules and data intensive applications. Our implementation does not only increases throughput by a large degree, but it also utilizes limited area resources thus offering an advantageous "throughput x area" product in comparison with other hashing cores implementations, proposed either by academia or industry. The proposed design achieves maximum throughput over 4.7 Gbps for SHA-1 and over 4.4 Gbps for SHA-256 in Xilinx Virtex II platform with minor area penalty comparing to conventional implementations. These synthesis results are only slightly decreased after the place-and-route procedure

Η ανάδειξη των Ανοιχτών Συστημάτων Υπερκειμένου Βασισμένα σε Ψηφίδες (ΑΣΥ-ΒΨ) έχει σαν στόχο την απελευθέρωση ενός πλαισίου ανάπτυξης εφαρμογών Διαδικτύου και γενικότερα Υπερμέσων από τη μονοκρατορία του μέσου πλοήγησης "σύνδεσμος" ως η αποκλειστική δομική μονάδα. Αντίθετα , ένα σύνολο από ανοιχτές υπηρεσίες, που η κάθε μία παρέχει δομικές αφαιρέσεις ανάλογα με το πεδίο του προβλήματος, προσφέρονται στο σύνολο των εφαρμογών που απαιτούνται σε κάθε περίσταση. Παρόλα αυτά, η απουσία ενός πλαισίου μηχανικής που να περιγράφει κάθε διαδικασία της ανάπτυξης ενός ΑΣΥ-ΒΨ ευθύνεται ως ένα βαθμό για τη μειωμένη αποδοχή της εν λόγω προσπάθειας. Σε αυτή την εργασία γίνεται μια προσπάθεια για την ανάλυση όλων εκείνων των βημάτων, από τη σκοπιά του μηχανικού, που απαιτούνται για την υποστήριξη αυτής της προσπάθειας, δίνοντας έμφαση στην περιγραφή της μεθοδολογίας και των εργαλείων που να καλύπτουν όλες τις φάσεις της ανάπτυξης. Στην εργασία παρουσιάζεται ένας προτεινόμενος κύκλος ζωής για τα ΑΣΥ-ΒΨ, ενώ ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη φάση του σχεδιασμού του συστήματος και στη μεταφορά των εννοιολογικών μοντέλων σε χαμηλότερα επίπεδα (λογικό), χρησιμοποιώντας συγκεκριμένα παραδείγματα. / The emergence of Component-Based Open Hypermedia Systems (CB-OHS) aims at the releasing of hypermedia and web applications from the monocracy of link as an information structuring primitive. Instead, an open set of structure servers, each one providing abstractions and semantics relevant to a specific data-organization domain, are employed by an open set of client applications. Nonetheless, the lack of an engineering framework guiding the development and deployment process of structure servers plays a key role in their limited exploitation. In this paper, an analysis of the characteristics of structure servers from an engineering approach is carried out, through a proposition of a framework and a set of supporting tools, in order to support their development. Furthermore, in this paper a life-cycle for CB-OHSs is proposed, with special focus at the system

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής με τίτλο “Σχεδιασμός Κρυπτογραφικών Συστημάτων με Υλικό Ειδικού Σκοπού” είναι ο σχεδιασμός κρυπτογραφικών μηχανισμών για την ενσωμάτωσή τους σε συστήματα περιορισμένων πόρων (κόστος υλικού, καταναλισκόμενη ισχύς, ενέργεια). Πρωταρχικοί στόχοι είναι η περιορισμένη κατανάλωση ισχύος και η ελαχιστοποίηση του κόστους υλικού ενώ ο ρυθμός απόδοσης σε αυτά τα συστήματα αποτελεί δεύτερο στόχο. Σύγχρονα συστήματα όπως έξυπνες κάρτες και RFID ετικέτες δεν έχουν την απαιτούμενη επιφάνεια για να ολοκληρώσουν-ενσωματώσουν μεγάλα συστήματα κρυπτογραφίας άλλα ούτε τους απαραίτητους πόρους σε ενέργεια. Οι κρυπτογραφικές πράξεις είναι από τη φύση τους δύσκολο να αναλυθούν, να απλοποιηθούν και να υλοποιηθούν. Παρόλα αυτά η διδακτορική διατριβή έδειξε ότι μπορεί να εφαρμοστούν σε αυτές τεχνικές χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Αν σε ένα κρυπτογραφικό σύστημα, οι μη αποδοτικές πράξεις από πλευράς κατανάλωσης ισχύος του συνολικού συστήματος μπορεί να αποκτήσουν χαρακτηριστικά χαμηλής κατανάλωσης ισχύος, τότε μειώνεται αισθητά η μέση κατανάλωση ισχύος. Στην προσπάθεια μείωσης της μέσης κατανάλωσης ισχύος των αλγορίθμων είναι ο εντοπισμός των λιγότερο αποδοτικών πράξεων των κρυπτογραφικών συστημάτων και η μελέτη-ανάλυση με σκοπό τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος. Επειδή είναι προφανές πως η μεθοδολογία αυτή προορίζεται για συστήματα χαμηλών πόρων πρέπει και το αντίστοιχο κόστος σε υλικό να είναι περιορισμένο. / The evolution of mobile-wireless computing systems have triggered the development of new cryptographic needs. Therefore, existing and new cryptographic algorithm architectures have to be designed in order to satisfy the mobile wireless system specifications. Wireless mobile standards limit a wireless system's throughput to less than a hundred Mbps. This is a quite satisfactory limit and it is capable to support real-time applications as voice, video and online streaming. Additionally, the nature of mobile systems highlights the needs for strict power and area constrains. However, many cryptographic designs focus on achieving high-throughput by unrolling the rounds of the algorithm and using extended pipelining techniques. These designs that can achieve high throughput rates, are appropriate for high-end applications that are not constrained in power consumption and chip covered area. Therefore, it is impossible to integrate these modules in mobile systems. The main contributions of this phd thesis involve: A Lightweight secure mechanism which presents a top-down design methodology. There are three contributions in the domain of optimized cryptographic operations: a) Versatile multiplier for GF(28) Finite Fields, b) Optimized SubBytes transformation in terms of power and area, c) Optimized MixColumns transformation in terms of power and area. Finally an 8-bit Advanced Encryption Standard Design with low power-low area properties is proposed.

Μια πόλη συνίσταται από τρία επίπεδα οργάνωσης: το φυσικό, το τεχνητό και το κοινωνικό περιβάλλον, τα οποία βρίσκονται σε συνεχή αλληλεπίδραση μεταξύ τους και αποτελούν τη βάση για την ανάπτυξή της. Η ισορροπία των τριών αυτών επιπέδων οργάνωσης διαταράσσεται ως αποτέλεσμα της έντονης αστικοποίησης, η οποία χαρακτηρίζει τα αστικά οικοσυστήματα και συνδέεται παγκοσμίως με την αλλαγή της χρήσης και του τρόπου κάλυψης της γης. Τα αστικά περιβάλλοντα πρέπει να διαχειρίζονται βάσει σχεδιασμού, ο οποίος θα λαμβάνει υπ‟ όψιν τα οικολογικά στοιχεία μιας περιοχής, όπως είναι για παράδειγμα η ξυλώδης χλωρίδα της. Η παρούσα διδακτορική διατριβή, η πρώτη στο είδος της για τον ελληνικό χώρο, στηρίζεται στη γνώση και στις αρχές της οικολογίας πόλεων και του αστικού σχεδιασμού. Έχει ως σκοπό να ερευνήσει την καλλιεργούμενη ξυλώδη χλωρίδα (δέντρα, θάμνους και ξυλώδη αναρριχώμενα) και την αυτοφυή εξάπλωσή της στην πόλη της Πάτρας και να εξετάσει εάν και με ποιο τρόπο οι τύποι αστικών βιοτόπων, δηλαδή φυσιογνωμικά ομοιόμορφες αστικές περιοχές με χαρακτηριστική δόμηση και ελεύθερους χώρους, μπορούν να χαρακτηρισθούν από τις καλλιεργούμενες ξυλώδεις συστάδες τους, καθώς και να διατυπώσει προτάσεις διαχείρισης για την ποιοτική αναβάθμισή τους. Για το σκοπό αυτό έγινε προσδιορισμός της ξυλώδους χλωρίδας της πόλης, χλωριδική, βιολογική και χωρολογική ανάλυση των taxa, καταγραφή της φαινολογίας τους και εκτίμηση της συχνότητας και σταθερότητάς τους, λαμβάνοντας υπ‟ όψιν τη σχέση μεταξύ της οικολογίας φυτών, του τύπου δόμησης και της χρήσης γης. Ως περιοχή έρευνας επιλέχθηκε η πόλη της Πάτρας, γιατί αφενός η καλλιεργούμενη χλωρίδα της δεν έχει μελετηθεί και αφετέρου παρουσιάζει τα χαρακτηριστικά μιας τυπικής ελληνικής μεγαλόπολης, κυρίως όσον αφορά στη δόμηση και στους ελεύθερους χώρους. Διακρίθηκαν 8 διαφορετικοί τύποι αστικών βιοτόπων, όπως Ολιγώροφες κατοικίες συνεχούς και ασυνεχούς δόμησης, Πολυώροφες κατοικίες συνεχούς και ασυνεχούς δόμησης, Ολιγώροφες και πολυώροφες κατοικίες πανταχόθεν ελεύθερης δόμησης, Βίλες, Εργατικές κατοικίες και Πάρκα. Στη συνέχεια επιλέχθηκαν 54 περιοχές μελέτης κατανεμημένες σε όλη την περιοχή έρευνας, συνολικής έκτασης 2.374,4 στρεμμάτων, έτσι ώστε να αντιπροσωπεύουν τα χαρακτηριστικά του εκάστοτε τύπου αστικού βιοτόπου και καταγράφηκαν σε αυτήν 218 taxa. Ο αριθμός αυτός των ξυλωδών taxa που εμφανίζεται στην περιοχή έρευνας, θεωρείται χαμηλός σε σύγκριση με άλλες πόλεις της κεντρικής Ευρώπης, όπου έχουν εκπονηθεί αντίστοιχες μελέτες. Αυτό αποδίδεται στην πυκνή δόμηση που χαρακτηρίζει τον πυρήνα της πόλης της Πάτρας, αλλά και γενικά στις λιγοστές επιφάνειες πρασίνου. Όσον αφορά στην καταγωγή των ξυλωδών taxa το ποσοστό των ξενικών και υβριδίων στην Πάτρα ανέρχεται σε 61,5% (125 taxa και 9 taxa αντίστοιχα) με τα ασιατικά και αμερικάνικα taxa να εμφανίζουν υψηλά ποσοστά (26,9% και 17,2% αντίστοιχα), ενώ των ιθαγενών σε 38,5% (84 taxa). Η κατανομή των βλαστητικών μορφών εντός της περιοχής έρευνας διαφέρει από εκείνη άλλων ευρωπαϊκών πόλεων. Έτσι, στην Πάτρα κυριαρχούν οι δενδρώδεις μορφές με ποσοστό 55,5% έναντι των θαμνωδών, ενώ σε πόλεις της κεντρικής Ευρώπης υπερτερούν οι θαμνώδεις μορφές. Όσον αφορά στην άνθηση, παρατηρείται μια παράταση στην περίοδο ανθοφορίας στο σύνολο των ξυλωδών ειδών. Το γεγονός αυτό αντανακλά την ανθρώπινη παρέμβαση στο φυσικό τοπίο και την προσπάθεια του ανθρώπου να εξασφαλίσει ανθοφορία όλο το χρόνο, αποτρέποντας παράλληλα τη δημιουργία μονότονων περιοχών. Τα φυλλοβόλα υπερτερούν με μικρό ποσοστό έναντι των αειθαλών. Αυτό οφείλεται στην παρουσία ενός σημαντικού ποσοστού φυλλοβόλων taxa, που ανήκουν στις δύο πλουσιότερες σε taxa οικογένειες, δηλαδή σε αυτές των Rosaceae και Leguminoseae. Όλα σχεδόν τα ξυλώδη taxa σχηματίζουν καρπούς, εκτός από ένα μικρό ποσοστό (5,2%). Το 40,8% των taxa στο σύνολο της ξυλώδους χλωρίδας φέρει σαρκώδεις καρπούς, οι οποίοι αποτελούν σημαντική πηγή τροφής για την ορνιθοπανίδα της περιοχής, αλλά και τρόπο εξάπλωσης των taxa μέσω των σπερμάτων τους. Το ποσοστό των καλλωπιστικών taxa στο σύνολο της χλωρίδας είναι σαφώς μεγαλύτερο από αυτό των ξυλωδών taxa με εδώδιμους καρπούς (76,8% και 22,6% αντίστοιχα), γεγονός που αντανακλά μια τάση προτίμησης των κατοίκων για καλλωπιστικά taxa και μάλιστα ξενικής καταγωγής, προβάλλοντας με αυτόν τον τρόπο την παρούσα οικονομική και κοινωνική τους κατάσταση. Όσον αφορά στη σχέση μεταξύ αριθμού ξυλωδών taxa και μεγέθους επιφάνειας δεν προκύπτει θετική συσχέτιση μεταξύ τους, σε αντίθεση με πόλεις της Κ. Ευρώπης, επειδή, σύμφωνα με τη θεωρία «small island effect», στις μικρές περιοχές μελέτης η επιφάνεια παύει να είναι ο καθοριστικός παράγοντας. Τaxa που να εμφανίζονται και στις 54 περιοχές μελέτης, δηλαδή με σταθερότητα 100%, δεν απαντούν. Όσα taxa εμφανίζονται με μεγάλη σταθερότητα, όπως τα Morus alba, Nerium oleander και Ailanthus altissima, είναι συγχρόνως και εκείνα με το μεγαλύτερο αριθμό ατόμων, γεγονός που υποδηλώνει ότι τα taxa αυτά ευνοήθηκαν από τη φύτευσή τους. Όσον αφορά στη σύνθεση των ειδών των τύπων αστικών βιοτόπων της Πάτρας υπάρχει μεγάλη ετερογένεια. Χαρακτηριστικό είναι ότι μερικά είδη εμφανίζουν πολύ μεγάλη σταθερότητα σε ορισμένους τύπους βιοτόπων, ενώ σε άλλους πολύ μικρή ή καθόλου. Το Acer pseudoplatanus αποδείχθηκε το χαρακτηριστικό είδος μόνο για τις πολυώροφες κατοικίες ασυνεχούς τύπου δόμησης. Από τα παραπάνω συμπεραίνεται ότι οι τύποι των αστικών βιοτόπων της Πάτρας μπορούν να διαφοροποιηθούν με βάση τον αριθμό, όχι όμως και με βάση τη σύνθεση των ξυλωδών ειδών που εμφανίζονται σ‟ αυτούς. Η αυτοφυόμενη ξυλώδης χλωρίδα της Πάτρας εμφανίζεται με ένα ποσοστό 17,9% επί της συνολικής ξυλώδους χλωρίδας και είναι συγκρίσιμη με αυτή που απαντά σε πόλεις της Κ. Ευρώπης, όπου έχουν γίνει αντίστοιχες μελέτες. Και εδώ παρατηρείται σαφής υπεροχή των ξενικών (53,8%) έναντι των ιθαγενών, αλλά και των δενδρωδών μορφών έναντι των θαμνωδών, όπως παρατηρήθηκε και στη συνολική χλωρίδα. Τα πιο σταθερά και συγχρόνως τα πιο πλούσια σε αριθμό ξενικά αυτοφυόμενα ξυλώδη taxa είναι τα Morus alba, Ailanthus altissima, Vitis vinifera ssp. vinifera και Hibiscus syriacus και από τα ιθαγενή το Ligustrum vulgare. Οι μελετηθέντες τύποι αστικών βιοτόπων παρουσιάζουν σχετική ομοιογένεια ως προς τον αριθμό των αυτοφυόμενων ξυλωδών taxa, γεγονός που παρατηρείται και σε πόλεις της Κ. Ευρώπης. Όσον αφορά στη σχέση μεταξύ αριθμού αυτοφυόμενων ξυλωδών taxa και μεγέθους επιφάνειας, δεν προκύπτει θετική συσχέτιση μεταξύ τους. Για να αξιολογηθεί η κατάσταση των τύπων αστικών βιοτόπων της Πάτρας, εκτιμήθηκε η αξία των παραγόντων εκείνων που ενισχύουν ή αποδυναμώνουν το χαρακτήρα τους. Τέτοιοι παράγοντες είναι κυρίως το μικροκλίμα/αέρας (θερμοκρασία, αερισμός, εκπομπές καυσαερίων) το έδαφος, το νερό, το φυσικό περιβάλλον (χώροι πρασίνου), η κυκλοφορία (πολύ αυξημένη – μικρή), ο θόρυβος (ηχορύπανση), οι κίνδυνοι για τη δημόσια υγεία (μικροκλίμα, εκπομπές καυσαερίων, κυκλοφορία, θόρυβος), οι χώροι αναψυχής, ο βαθμός εκμετάλλευσης (ενέργειας, επιφάνειας, κτισμάτων) καθώς και κοινωνικο-οικονομικοί παράγοντες (μείξη χρήσεων γης, π.χ. εργασία, κατοικία). Για τον καθένα από αυτούς τους παράγοντες καθορίστηκε μια 5-βάθμια κλίμακα αξιών. Μέσα από την εκτίμηση των αξιών των τύπων αστικών βιοτόπων προσδιορίσθηκαν τα πλεονεκτήματα, αλλά και τα προβλήματά τους. Την υψηλότερη οικολογική αξία την έχουν οι τύποι αστικών βιοτόπων που χαρακτηρίζονται από τον πανταχόθεν ελεύθερο τύπο δόμησης (Ολιγώροφες και πολυώροφες κατοικίες πανταχόθεν ελεύθερου τύπο δόμησης, Βίλες, Εργατικές Κατοικίες) και τα Πάρκα. Οι τύποι αστικών βιοτόπων που χαρακτηρίζονται από το συνεχή και τον ασυνεχή τύπο δόμησης εμφανίζονται μεν οικολογικά υποβαθμισμένοι, αλλά είναι κοινωνικοοικονομικά αναβαθμισμένοι. Γενικά όμως, όπου υπάρχει έντονη εκμετάλλευση του εδάφους υπάρχει και αυξημένη οικονομική δραστηριότητα, ενώ ταυτόχρονα υποβαθμίζεται η ποιότητα του φυσικού περιβάλλοντος. Οι τύποι αστικών βιοτόπων που χαρακτηρίζονται από έντονη εκμετάλλευση πρέπει να βελτιώσουν για παράδειγμα το μικροκλίμα, την ποιότητα του αέρα και του εδάφους τους. Η ξυλώδης χλωρίδα των πόλεων δεν είναι ο μοναδικός τρόπος βελτίωσης της ποιότητας των τύπων αστικών βιοτόπων, αλλά σίγουρα είναι ένας τρόπος θετικής παρέμβασης για την αναβάθμισή τους. Τα διαχειριστικά μέτρα που προτείνονται αφορούν στη βελτίωση του φυσικού, του τεχνητού και του κοινωνικού περιβάλλοντος. Περιλαμβάνουν προτάσεις διαχείρισης που στοχεύουν στην αποκατάσταση, βελτίωση και διατήρηση των παραγόντων εκείνων που επηρεάζουν την ποιότητα των τύπων αστικών βιοτόπων, με απώτερο σκοπό την υγιή και άνετη διαβίωση των κατοίκων της πόλης. / A city is formed by the interaction between natural, built and social environment. These three areas are fundamental for environmental development. Urbanization phenomenon around the world has been an important component of land use and land cover change and influences negatively the balance of those three areas. Management of urban environments must be based on urban planning, which takes into consideration the significant ecological components of an area, such as the woody plants. The present doctorate thesis, the first of its kind in Greece, is based on the knowledge and principles of the science of urban ecology and urban planning. The aim of the present study was to survey the woody species (trees, shrubs and woody climbers) of the city of Patras and to examine whether and in which way the urban structural units (defined as “areas with physiognomically homogenous character, which are marked in the built-up area by a characteristic formation of buildings and open spaces”) can be characterized by their planted woody stands. For that reason the spectra, combination, frequency and consistency of species were assessed, considering the relationships between plant ecology, biotope structure and land-use. The wider area of Patras‟ city was chosen as a study area, because there is a lack of knowledge on its cultivated flora and because it has the features of a typical Greek city concerning the formation of buildings and the open spaces. Eight urban structural units were identified within the city of Patras. These are Multi-storeyed attached housing, Multi–storeyed semi–detached housing, Low–rise attached housing (bungalows–two floors), Low–rise semi-detached housing (bungalows–two floors), Multi–storeyed and low–rise detached housing, Villas, Workers‟ housing, Parks (incl. squares and bocages). In total, 237,44 ha of urban land were studied thoroughly in the fifty-four study areas designated throughout the wider area of Patras city. 218 woody plants were recorded in the eight urban structural units studied. The number of woody species recorded in the study area of 237,44 ha is considered to be low when compared with that of central Europe, where similar studies have been undertaken. This low number is due to the very high building density found in the city centre and also to the limited number of green areas (e.g. parks). Concerning the origin of the woody species in the city of Patras non-native and hybrids dominate. The proportion accounts for 61,5% (125 taxa non-native and 9 taxa hybrids), of which the Asiatic (26,9%) and the American (17,2%) species are represented by high percentages in the woody flora of Patras. The native species represent the 38,5% (84 taxa) of the total woody flora. The life-form spectrum of the woody flora in the city of Patras differs from that recorded in other European cities. The proportion of trees (55,5%) is higher than that of shrubs in the city of Patras, whereas in central European cities shrubs dominate. The prolongation of the flowering period recorded in the study area reflects human attempt to assure blooming all year, so that monotony of the urban landscape can be avoided. The proportion of deciduous species is slightly higher than that of evergreen species. This is due to the presence of high proportions of deciduous species, which belong to the two richest in species families, to these of Rosaceae and Leguminoseae. Almost all woody species fruit, except from a small percentage (5,2%). A significant proportion (40,8%) of the total woody species form fleshy fruits, which are an important food source for the fauna of the study area, especially for birds. At the same time, the distribution of the woody species is assured. The proportion of cultivated woody plants (76,8%) is higher than that of woody plants forming edible fruits (22,6%). This fact reflects inhabitants‟ preference for ornamental plants non-native in origin, denoting social and financial standing. Statistical analysis proves the absence of a positive correlation between the species number and the size of the area. On the contrary, in central European cities the correlation is positive. This is explained by the „small island effect‟ theory, according to which, in small study areas the size of the area does not play the most important role, when species – area relationship is surveyed. Species appearing in all study areas, i.e. with 100% consistency, were not observed. Those species with high consistency, such as Morus alba, Nerium oleander and Ailanthus altissima, are also those with the highest frequency. This shows that these species benefited from them being planted. Floristic composition in the various urban structural units shows great heterogeneity as several species present high consistency in some structural units but low or zero consistency in others. Acer pseudoplatanus proved to be a characteristic species only within the urban structure of multi-storeyed semi-detached housing. Taking these findings into account, we conclude that the urban structural units of Patras can be differentiated based on the number of woody species recorded in each, but not on their floristic composition. Spontaneous diffusion could only be identified for 17,9% of the cultivated species. This proportion is comparable to that recorded in other central European cities, where similar studies have been undertaken. The proportion of non-native species (53,8%) is higher than that of native, and so is the proportion of trees in comparison to that of shrubs. Similar proportions have been also recorded for the total woody flora of the city of Patras. The most frequent non-native spontaneous woody species observed in Patras are Morus alba, Ailanthus altissima and Hibiscus syriacus. The commonest native spontaneous species in the city is Ligustrum vulgare. The urban structural units studied in Patras show relative homogeneity concerning the number of spontaneous woody species. This homogeneity is also observed in cities of central Europe. The correlation between the species number and the size of the area is negative. For the evaluation of the urban structural units in the city of Patras, the value of criteria that strengthen or weaken the character of the urban structural units was taken into consideration. Those criteria are mainly microclimate / wind (temperature, emissions), soil, water, natural environment (green spaces), traffic (heavy or not), noise (noise pollution), dangers for public health (quality of microclimate, emissions, traffic, noise pollution), degree of resources‟ exploitation (of energy, surface, buildings) as well as socio-economic criteria (land-use). For each of these criteria a 5 – degree scale of values was designated. This consideration of the values which affect the urban structural units enabled the definition of the advantages and the drawbacks of each urban structural unit. The urban structural units characterized by detached free building style (multi-storeyed and low-rise detached housing, villas, workers‟ housing) and parks are highly attractive and have high ecological properties. The urban structural units characterized by attached or semi-detached housing have low ecological properties but are socioeconomically benefited. Generally, high exploitation degree (of energy or soil) is related to social and economic integration. At the same time the quality of the natural environment is degraded. Urban structural units characterized by high exploitation in terms of soil, water and energy must upgrade not only their microclimatic conditions, but also the quality of air and soil. The contribution of the woody flora to the environmental development is significant. The management measures proposed, aim to upgrade the natural, built and social environment. They include management proposals that aim to the upgrade and conservation of specific parameters which affect the quality of the urban structural units. Such proposals could make a valuable contribution to the upgrade of the quality of city life.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η πειραματική και η υπολογιστική διερεύνηση της επίδρασης της γωνίας εισόδου των πτερυγίων στη σπηλαίωση και την απόδοση μίας φυγοκεντρικής αντλίας. Στην εργασία αυτή πραγματοποιείται ο σχεδιασμός των πτερυγίων εφαρμόζοντας μία νέα μέθοδο, το σύνθετο διπλό κυκλικό τόξο(Double-Arc Synthetic Method - DASM), η οποία συνδυάζει δύο μεθόδους σχεδιασμού κατά Pfleiderer. Για την υλοποίηση της πειραματικής μελέτης, κατασκευάζονται τρία διαφορετικά στροφεία με γωνία εισόδου των πτερυγίων 9, 15 και 21 μοίρες, από κράμα αλουμινίου και από πλεξιγκλάς. Κατασκευάζεται πειραματική εγκατάσταση αντλίας και εξοπλίζεται με μεγάλης ακρίβειας όργανα μέτρησης. Διαφανή μέρη της πειραματικής εγκατάστασης επιτρέπουν την παρατήρηση της ροής και της σπηλαίωσης στο εξεταζόμενο στροφείο της αντλίας και με τη βοήθεια ενός στροβοσκόπιου φωτογραφίζεται η σπηλαίωση που αναπτύσσεται στα πτερύγια. Η πειραματική ανάλυση επικεντρώνεται στη μελέτη της μονοφασικής ροής και της σπηλαίωσης. Συγκεκριμένα, για την πειραματική μελέτη της μονοφασικής ροής, εξετάζεται η μεταβολή του μανομετρικού και του βαθμού απόδοσης της αντλίας συναρτήσει της παροχής της. Επιπλέον, μελετάται η μεταβολή του μανομετρικού και του βαθμού απόδοσης της αντλίας συναρτήσει της γωνίας εισόδου των πτερυγίων, για τρεις διαφορετικές εξεταζόμενες παροχές. Εξετάζεται η απόκλιση των πειραματικών αποτελεσμάτων του μανομετρικού από τα αντίστοιχα αποτελέσματα που προκύπτουν από το νόμο ομοιότητας. Τέλος, υπολογίζεται η αβεβαιότητα των μετρήσεων και συγκεκριμένα του μανομετρικού και του βαθμού απόδοσης της αντλίας. Μελετώντας πειραματικά τη σπηλαίωση, επικεντρωνόμαστε στη μεταβολή του μανομετρικού και του βαθμού απόδοσης της αντλίας συναρτήσει του διαθέσιμου καθαρού θετικού ύψους αναρρόφησης, για διάφορες παροχές της αντλίας. Μελετάται η μεταβολή του μανομετρικού και του βαθμού απόδοσης της αντλίας συναρτήσει της γωνίας εισόδου των πτερυγίων, για τρεις διαφορετικές τιμές του διαθέσιμου καθαρού θετικού ύψους αναρρόφησης. Στη συνέχεια εξετάζεται το ποσοστό πτώσης του μανομετρικού τη στιγμή που ξεκινάει η σπηλαίωση, αλλά και το μέγιστο ποσοστό πτώσης του, για τη μεγαλύτερη εξεταζόμενη παροχή. Εξετάζεται η μεταβολή του απαιτούμενου καθαρού θετικού ύψους αναρρόφησης και του κρίσιμου αριθμού σπηλαίωσης συναρτήσει της παροχής της αντλίας, για τις τρεις γωνίες εισόδου των πτερυγίων. Τέλος, υπολογίζεται η αβεβαιότητα των μετρήσεων και συγκεκριμένα του μανομετρικού, του διαθέσιμου καθαρού θετικού ύψους αναρρόφησης και του βαθμού απόδοσης της αντλίας. Επιπλέον, στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιείται υπολογιστική ανάλυση τρισδιάστατων μοντέλων φυγοκεντρικής αντλίας με δομημένο πλέγμα, χρησιμοποιώντας το υπολογιστικό πακέτο ANSYS CFD-Fluent, για τη μελέτη της μονοφασικής ροής και της σπηλαίωσης των εξεταζόμενων στροφείων της αντλίας. Η υπολογιστική μελέτη της μονοφασικής ροής για τα τρία διαφορετικά εξεταζόμενα στροφεία της φυγοκεντρικής αντλίας επικεντρώνεται στη μεταβολή του μανομετρικού της αντλίας συναρτήσει της παροχής της και εξετάζεται η απόκλιση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων του μανομετρικού από τα αντίστοιχα αποτελέσματα που προκύπτουν από τα πειράματα. Μελετάται η κατανομή της απόλυτης πίεσης στο μέσο επίπεδο των εξεταζόμενων στροφείων της αντλίας και η αδιάστατη κατανομή της απόλυτης πίεσης γύρω από το μέσο επίπεδο των στροφείων, για τη μέγιστη εξεταζόμενη παροχή. Η υπολογιστική μελέτη της σπηλαίωσης επικεντρώνεται, κυρίως, στη μεταβολή του μανομετρικού της αντλίας συναρτήσει του διαθέσιμου καθαρού θετικού ύψους αναρρόφησης και εξετάζεται η απόκλιση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων του μανομετρικού από τα αντίστοιχα αποτελέσματα που προκύπτουν από τα πειράματα. Εξετάζεται η κατανομή της απόλυτης πίεσης στο μέσο επίπεδο των εξεταζόμενων στροφείων της αντλίας και η αδιάστατη κατανομή της απόλυτης πίεσης γύρω από το μέσο επίπεδο των στροφείων, για τη μέγιστη εξεταζόμενη παροχή. Τέλος, παρουσιάζονται οι κατανομές της σπηλαίωσης, που προκύπτουν από τα υπολογιστικά αποτελέσματα και συγκρίνονται με τις αντίστοιχες φωτογραφίες με σπηλαίωση που ελήφθησαν με τη βοήθεια του στροβοσκόπιου κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, για τις τρεις γωνίες εισόδου των πτερυγίων. Από τα αποτελέσματα της πειραματικής και της υπολογιστικής διερεύνησης παρατηρούμε ότι η απόκλιση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων από τα αντίστοιχα πειραματικά είναι πολύ μικρή. Επομένως, η υπολογιστική ανάλυση που αναπτύσσεται στην παρούσα εργασία αποτελεί ένα αξιόπιστο εργαλείο διερεύνησης των ροϊκών μεγεθών και της σπηλαίωσης σε φυγοκεντρικές αντλίες και αποσκοπεί σε μελλοντικές μελέτες, όπως την παραμετρική διερεύνηση και τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού μίας αντλίας. / Object of the present doctoral thesis constitutes the experimental and computational study of the effect of the blade leading edge angle to the cavitation and performance of a centrifugal pump. In this study, the blade design is realized, applying a new blade design method (Double-Arc Synthetic Method - DASM), that combines two Pfleiderer' s design methods. For the realization of the experimental study, three different centrifugal pump impellers, with blade leading edge angle of 9, 15 and 21 deg, are constructed by aluminium alloy and plexiglas. A pump test rig is constructed and equipped with high accuracy instrumentation. Transparent parts of the pump test rig allow the observation of fluid flow inside the examined impeller and the photography of the cavitation that is developed in the blades, using a stroboscope. The experimental analysis is focused on the study of the one-phase flow and cavitation. Concretely, for the experimental study of the one-phase flow, the change of the total head and performance of the pump with respect to the flow rate is examined. Moreover, the change of the total head and performance of the pump with respect to the blade leading edge angle is studied, for three different flow rates. The deviation of the experimental results of the total head from the corresponding results of the affinity law is investigated. Lastly, the uncertainty of the measurements and concretely of the total head and performance of the pump is calculated. Studying experimentally the cavitation, we focus on the change of the total head and performance of the pump with respect to the net positive suction head available, for different flow rates. The change of the total head and performance of the pump with respect to the blade leading edge angle, for three different values of the net positive suction head available is tested. Afterwards, the percentage of the total head drop is examined, when cavitation begins. Moreover, the maximum percentage of the total head drop is studied for the greatest tested flow rate. The change of the net positive suction head required and the crucial cavitation number with respect to the flow rate is studied, for three different blade leading edge angles. Lastly, the uncertainty of the measurements and concretely of the total head, the net positive suction head available and the performance of the pump is calculated. Furthermore, in the present doctoral thesis the computational analysis of three-dimensional centrifugal pump with structured mesh is realized using the computational package ANSYS CFD-Fluent, for the study of both the one-phase flow and the cavitation, of the tested centrifugal pump impellers. The computational study of the one-phase flow for the three different examined centrifugal pump impellers, is focused on the change of the total head with respect to the flow rate. Furthermore, the deviation of the computational results of the total head from the corresponding results of the experimental study is investigated. The absolute pressure distribution inside the tested centrifugal pump impellers at the middle span and the dimensionless pressure distribution around the impellers, at the middle span, are investigated for the greatest flow rate. The computational study of the cavitation, is mainly focused on the change of the total head with respect to the net positive suction head available. Moreover, the deviation of the computational results of the total head from the corresponding results of the experimental study is investigated. The absolute pressure distribution inside the tested centrifugal pump impellers at the middle span and the dimensionless pressure distribution around the impellers, at the middle span, are investigated for the greatest flow rate. Lastly, the vapour distributions are resulted by the computational analysis and are compared with the corresponding photographs of cavitation that were snapped with the aid of the stroboscope, during the experiments, for the three blade leading edge angles. From the experimental and computational results, we observe that the deviation of the computational results from the corresponding experimental results is very small. Thus, the computational analysis that is developed in the present work constitutes a reliable tool of the investigation of the flowfield and cavitation in centrifugal pumps and it aims at future studies, such as parametric investigation and optimization of pump design.

Κεντρικό σημείο αναφοράς της διατριβής είναι η σύγχρονη πόλη, στο υπέδαφος της οποίας σώζονται αρχαιολογικά στρώματα. Η ανακάλυψή τους κάτω από τον ενεργό οικιστικό ιστό καθώς και η αρχαιολογική έρευνα που ακολουθεί θεωρούνται από πολλούς αιτία ανάσχεσης της κατασκευαστικής και αναπτυξιακής διαδικασίας. Ωστόσο, εδώ υποστηρίζεται ότι η ύπαρξη αρχαιολογικού υποστρώματος στην πόλη αποτελεί ένα από τα συγκριτικά πλεονεκτήματα της αναπτυξιακής της προοπτικής. Προς τούτο η ερευνητική μεθοδολογία χρησιμοποιεί ποιοτικά και ποσοτικά δεδομένα, ενώ ως μελέτη περίπτωσης επιλέγεται το Σχέδιο Πόλεως των Πατρών. Αρχικά η έρευνα βασίζεται στην αρχειακή και βιβλιογραφική επισκόπηση και στη διεξαγωγή δομημένων συνεντεύξεων με ειδικούς επιστήμονες. Στη συνέχεια, γίνεται χρήση της τεχνολογίας των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών και της Στατιστικής για τη δημιουργία βάσης δεδομένων, την ψηφιακή επεξεργασία της, την παραγωγή και δημιουργία προγνωστικών μοντέλων και την ανάδειξη της στατιστικής σχέσης της πολεοδομικής με την αρχαιολογική πληροφορία. Από τα αποτελέσματα, αποδεικνύεται ότι είναι δυνατή η κατασκευή μοντέλου πρόβλεψης της πιθανολογούμενης ύπαρξης αρχαίων σε μια πόλη, αλλά και του πιθανολογούμενου βάθους εντοπισμού τους, βασισμένη στην καταγραφή και επεξεργασία της πολεοδομικής και αρχαιολογικής πληροφορίας, που προέρχεται από τις εκσκαφές 5 συνεχόμενων ετών, ακόμα κι αν δεν γνωρίζει κανείς ή δεν λαμβάνει υπόψη τίποτε άλλο από την ιστορία της πόλης αυτής. Χρησιμοποιώντας αρχαιολογικές παραμέτρους σε συνδυασμό με πολεοδομικά δεδομένα είναι δυνατόν να κατασκευαστούν εξειδικευμένα μοντέλα, που μπορούν να αποτυπώσουν τις επιπτώσεις του αρχαιολογικού υποβάθρου μιας πόλης στις τρέχουσες λειτουργίες της και το αντίθετο. Τα αποτελέσματα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο σε επιχειρησιακό επίπεδο, στην άσκηση της αρχαιολογικής έρευνας και της παρακολούθησης της οικοδομικής δραστηριότητας στην πόλη, όσο και ως συμβολή σε μια ευρύτερη διερεύνηση για τη θέση της πολιτιστικής κληρονομιάς στη διαμόρφωση και προβολή της σύγχρονης πόλης. / The dissertation focuses on the contemporary city located on top of archaeological strata. Archaeological remains underneath, as well as their investigation, are considered by many as an obstacle towards the construction and development process. However, it is assumed here that the archaeological remains (below modern cities) consist a comparative advantage towards development. To justify this, qualitative and quantitative research methodology has been employed while the Town Plan of Patras, Greece is used as a case-study. Initially, an archive and literature survey takes place and structured interviews with field experts are conducted. Next, Geographical Information Systems and Statistics are applied for data processing and predictive modeling. Eventually, predictive models of the potential existence of archaeological sites and their expected depth are constructed, based on data from the excavations and the ground disturbance actions of 5 consecutive years. It becomes apparent that the results differ within the built and the unbuilt zones of a town. Using archaeological and urban parameters the impact of the archaeological background, over modern urban functions can be modeled and assessed. Moreover, the outcomes may be used by those involved in making and evaluating policies for the management of cultural heritage within planning.

The purpose of this research is to investigate the seismic behavior of plane moment resisting frames (MRFs) consisting of concrete filled steel tube (CFT) columns and steel I beams through targeted studies utilizing advanced computational methodologies calibrated on the basis of existing experimental results and to propose a preliminary performance-based seismic design method for this kind of frames. A computational study is conducted first to investigate the nonlinear cyclic response of square concrete-filled steel tubes (CFT) in bending and compression. An accurate nonlinear finite element model is created and its validity is established by comparing its results with those of existing experiments. Using this finite element model, extensive parametric studies are performed to provide information on the hysteretic and deteriorating behavior of CFT columns. Thus, on the basis of this computational study, three simple yet sufficiently accurate concentrated plasticity hysteretic models for simulating the cyclic behavior of square concrete-filled steel tube (CFT) columns, are developed. The seismic behavior of plane MRFs consisting of I steel beams and CFT columns is investigated next. More specifically, the effect of modelling details of each individual component of CFT-MRFs, such as the CFT columns, the beam-column connections, the panel zones and the steel I beams, on their seismic behavior is studied through comparisons against available experimental results. Then, fragility curves are constructed for composite frames for various levels of modelling sophistication through nonlinear time history analyses involving three typical CFT-MRFs which have been designed according to the European seismic design codes. On the basis of these fragility curves, one can select the appropriate modelling level of sophistication that can lead to the desired seismic behavior for a given seismic intensity. The third part of this work deals with the establishment of all the necessary ingredients for this kind of composite frames to be seismically designed by the performance-based hybrid force-displacement (HFD) seismic design method, which combines the advantages of the well-known force-based and displacement-based seismic design methods. Thus, extensive parametric studies are conducted involving nonlinear dynamic analysis of 96 frames under 100 seismic motions in order to create a databank with the response quantities of interest. Based on regression analysis, simple formulae for estimating the maximum roof displacement, the maximum inter-storey drift ratio, the maximum rotation ductility along the height of the frame and the behavior factor are developed. Comparison of the proposed design method with those adopted by current seismic design codes demonstrates that the proposed procedure seems to be more rational and controls deformation better than current seismic design codes. Nonlinear time history analyses proved the consistency of the proposed method to accurately estimate inelastic deformation demands and the tendency of the current seismic design codes to overestimate the maximum roof displacement and underestimate the maximum inter-storey drift ratio along the height of the frames. Finally, comparisons between CFT-MRFs and all steel ones reveal that the CFT-MRFs seem to have better seismic behavior than the all steel ones and seem to be more economical structures. / Ο σκοπός της παρούσας έρευνας είναι να διερευνήσει τη σεισμική συμπεριφορά επίπεδων καμπτικών πλαισίων με υποστυλώματα από τετραγωνικές χαλύβδινες κοιλοδοκούς γεμισμένες με σκυρόδεμα και με μεταλλικές δοκούς τύπου Ι και να προτείνει μία μέθοδο αντισεισμικού σχεδιασμού με βάση την επιτελεστικότητα για αυτόν τον τύπο κατασκευών. Αρχικά, διεξάγεται μία υπολογιστική μελέτη ώστε να διερευνηθεί η μη-γραμμική ανελαστική απόκριση υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση και σταθερή θλίψη των τετραγωνικών σύμμικτων υποστυλωμάτων. Ένα ακριβές και προηγμένο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων δημιουργείται όπου η ακρίβεια των αποτελεσμάτων του ελέγχεται μέσω συγκρίσεων των αναλυτικών λύσεων με υπαρκτά πειραματικά δεδομένα. Κατόπιν, χρησιμοποιώντας αυτό το μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων, πραγματοποιoύνται εκτενείς παραμετρικές μελέτες με σκοπό να παραχθούν πληροφορίες σχετικά με την υστερητική συμπεριφορά των σύμμικτων υποστυλωμάτων. Έτσι, στη βάση αυτής της υπολογιστικής μελέτης, τρία απλά και αρκετά ακριβή υστερητικά μοντέλα συγκεντρωμένης πλαστιμότητας αναπτύσσονται για την προσομοίωση της συμπεριφοράς σύμμικτων υποστυλωμάτων υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση και σταθερή θλίψη. Έπειτα, διερευνάται η σεισμική συμπεριφορά επίπεδων καμπτικών πλαισίων με σύμμικτα υποστυλώματα και με μεταλλικές δοκούς τύπου Ι. Πιο συγκεκριμένα εξετάζεται η επίδραση της λεπτομερής μοντελοποίησης των επιμέρους δομικών στοιχείων μια κατασκευής, όπως των σύμμικτων υποστυλωμάτων, των μεταλλικών δοκών, των κόμβων διατμητικής παραμόρφωσης και των συνδέσεων, στη σεισμική συμπεριφορά των πλαισίων μέσω συγκρίσεων με υπαρκτά πειραματικά δεδομένα. Επιπλέον, διαμορφώνονται καμπύλες τρωτότητας για τρία σύμμικτα πλαίσια σχεδιασμένα με τους Ευρωπαϊκούς κανονισμούς για διάφορα επίπεδα μοντελοποίησης χρησιμοποιώντας μη-γραμμικές αναλύσεις χρονοιστορίας. Στη βάση αυτών των καμπυλών τρωτότητας, κάποιος μπορεί να επιλέξει το κατάλληλο επίπεδο πολυπλοκότητας της μοντελοποίησης των σύμμικτων πλαισίων ώστε να οδηγηθεί στην επιθυμητή συμπεριφορά για μια δεδομένη σεισμική ένταση. Το τρίτο μέρος της παρούσας έρευνας πραγματεύεται την ανάπτυξη της διαδικασίας που απαιτείται από την Υβριδική Δυνάμεων-Μετατοπίσεων (ΥΔΜ) μέθοδο αντισεισμικού σχεδιασμού με βάση την επιτελεστικότητα, η οποία συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της μεθόδου των δυνάμεων και της μεθόδου των μετακινήσεων, ώστε να εφαρμόζεται για τον αντισεισμικό σχεδιασμό σύμμικτων καμπτικών πλαισίων. Έτσι, πραγματοποιούνται εκτενείς παραμετρικές μελέτες περιλαμβάνοντας μη-γραμμικές δυναμικές αναλύσεις σε 96 πλαίσια υπό 100 σεισμικές καταγραφές με σκοπό τη δημιουργία τράπεζας δεδομένων με αποκρίσεις ενδιαφέροντος. Κατόπιν αναλύσεων γραμμικής παλινδρόμησης, απλές σχέσεις προτείνονται που απαιτούνται από την ΥΔΜ μέθοδο οι οποίες συνδέουν τη μέγιστη μετακίνησης κορυφής των πλαισίων με τη στοχευόμενη μέγιστη γωνιακή παραμόρφωσης των ορόφων ή την τοπική στροφική πλαστιμότητα των μελών και την απαιτούμενη συνολική πλαστιμότητας του πλαισίου με τον συντελεστή συμπεριφοράς q. Η σύγκριση της προτεινόμενης ΥΔΜ μεθόδου αντισεισμικού σχεδιασμού με εκείνης που προτείνεται από τον Ευρωπαϊκό κανονισμό αποδεικνύει ότι η προτεινόμενη διαδικασία φαίνεται να είναι πιο ακριβής και ελέγχει καλύτερα τις παραμορφώσεις. Μη-γραμμικές αναλύσεις χρονοιστορίας δείχνουν την συνέπεια της ΥΔΜ να εκτιμά με ακρίβεια τις απαιτήσεις των ανελαστικών παραμορφώσεων στα διάφορα επίπεδα επιτελεστικότητας σε αντίθεση με την τάση του κανονισμού να υποεκτιμά τη μέγιστη γωνιακή μετακίνησης ορόφων και να υπερεκτιμά την μέγιστη μετακίνηση κορυφής. Τέλος, συγκρίσεις σύμμικτων πλαισίων με σχεδιασμένα πλαίσια εξ’ ολοκλήρου από χάλυβα σύμφωνα με την ΥΔΜ, δείχνουν ότι τα σύμμικτα πλαίσια έχουν καλύτερη σεισμική συμπεριφορά από τα μεταλλικά και φαίνεται να είναι πιο οικονομικές κατασκευές.

Η παρούσα διπλωματική ασχολείται με την πλοήγηση κινούμενου ρομπότ. Δεδομένου ενός χώρου με εμπόδια και στόχο, ασχολείται με την δημιουργία ενός αλγορίθμου για την οδήγηση του ρομπότ διαμέσου του χώρου στο στόχο, αποφεύγοντας τα εμπόδια κατά την κίνηση. Επικεντρώνεται σε δίτροχα ρομπότ και αναλύει βήμα βήμα την διαδικασία εύρεση μονοπατιού, δημιουργία τροχιάς και έλεγχο του ρομπότ. / The present thesis deals with the navigation of moving robots. Granted an area with obstacles and target, it deals with the creation of an algorithm for guiding the robot through space at target, avoiding obstacles during movement. It focuses on two-wheeled robots and analyzes step by step the process of finding a path, creating the trajectory and controlling the robot.

Η διατριβή αυτή εξετάζει την χρήση γενετικών αλγορίθμων (ΓΑ) για την επίλυση του προβλήματος του σχεδιασμού κίνησης ρομποτικών συστημάτων τα οποία εκτελούν εργασίες εφοδιαστικής (όπως εργασίες λήψης και μεταφοράς από σημείο σε σημείο, μετακίνησης υλικών επί συνεχούς διαδρομής, κ.α.) στα πλαίσια λειτουργίας τους εντός ενός ευέλικτου συστήματος παραγωγής (ΕΣΠ). Το πρόβλημα του σχεδιασμού κίνησης (ΠΣΚ) είναι ένα υπολογιστικά άλυτο συνδυαστικό πρόβλημα βελτιστοποίησης (έχει αποδειχτεί PSPACE-hard) το οποίο μπορεί να οριστεί ως εξής: «Πως μπορεί ένα ρομπότ να αποφασίσει ποιες κινήσεις πρέπει να αποδώσει προκειμένου να εκτελέσει με επιτυχία επιθυμητές εργασίες στο περιβάλλον εργασίας του;» Προς τον σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ένας αριθμός νέων, πρωτότυπων αλγορίθμων εμπνευσμένων από τη Βιολογία των οποίων η απόδοση μετρήθηκε τόσο μέσω πειραμάτων προσομοιωμένων σε υπολογιστή, όσο και σε πραγματικά ρομποτικά περιβάλλοντα στο εργαστήριο του Τμήματος. Συγκρινόμενοι με τις κλασσικές από τη βιβλιογραφία μεθόδους επίλυσης του ΠΣΚ, οι ΓΑ βρέθηκαν ανώτεροι τόσο από πλευράς ποιότητας των λύσεων που παρήγαγαν, όσο και από πλευράς ταχύτητας σύγκλησης (δηλαδή του χρόνου που χρειάστηκαν για τον εντοπισμό αυτών των λύσεων). Επιπρόσθετα, εξετάστηκαν και αντιμετωπίστηκαν με επιτυχία πολύπλοκα προβλήματα κινηματικής που αναφύονται κατά τον σχεδιασμό κίνησης ρομποτικών βραχιόνων σε ένα ΕΣΠ, όπως: Το αντίστροφο κινηματικό πρόβλημα ρομποτικών βραχιόνων με πλεονάζοντες βαθμούς ελευθερίας, η μεγιστοποίηση της επιδεξιότητας του ρομπότ κατά την εκτέλεση των εργασιών του και η παραγωγή με το άκρο εργασίας του ρομπότ ασφαλών και αξιόπιστων τροχιών επί προκαθορισμένων επιθυμητών διαδρομών. Η επίλυση αυτών των προβλημάτων είναι πολύ σημαντική σε πολλές πραγματικές βιομηχανικές εφαρμογές όπως εργασίες συγκόλλησης, βαψίματος ή επάλειψης με ψεκασμό, λείανσης, κ.α. / The use of genetic algorithms (GAs) for the solution of motion planning of robotic systems which perform logistics operations within a flexible manufacturing system (FMS), as well as, logistics tasks in indoors hazardous environments was investigated. Robot motion planning (RMP) is a PSPACE-hard combinatorial problem loosely stated as: How can a robot decide what motions to perform in order to achieve desired tasks in its environment? A number of new biological-inspired approaches were implemented and evaluated on computer simulated environments, as well as, on real industrial environments. In comparison to existing RMP methods, GAs were found superior in terms of both solutions quality and speed of convergence. Furthermore, focusing on RMP of robot manipulators, the proposed approaches tackled with high success difficult kinematics problems such as: the inverse kinematics for robots with redundant degrees of freedom, the maximization of robot’s manipulability, the path following by the robot’s end-effector on demanded trajectories.

Η παρούσα εργασία αναφέρεται σε μια εμπειρική έρευνα που πραγματοποιήθηκε το σχολικό έτος 2008-09 σε ένα διθέσιο νηπιαγωγείο της Πάτρας. Κύριος στόχος της ήταν να μελετήσει τις απόψεις των γονέων για τα προγράμματα οικογενειακού γραμματισμού και τη δημιουργία ενός προγράμματος που θα ανταποκρίνεται και θα προκρίνει τις ανάγκες τους. Δεκαοκτώ (18) γονείς κλήθηκαν στα πλαίσια μιας ημιδομημένης συνέντευξης να καταθέσουν τις απόψεις τους πάνω στο θέμα αυτό. Οι ίδιοι γονείς συμμετείχαν και σε μια επιμορφωτική συνέντευξη που πραγματοποιήθηκε στο χώρο του νηπιαγωγείου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι γονείς έχουν ανάγκη από τη δημιουργία ενός τέτοιου προγράμματος, καθώς οι ερωτήσεις και οι απορίες τους πάνω σε θέματα πρώτου γραμματισμού φάνηκε να είναι πολλές, αλλά, ταυτόχρονα, και γόνιμες για την πορεία της έρευνάς μας. Ειδικότερα, διαπιστώθηκε ότι η ύπαρξη ενός τέτοιου προγράμματος είναι, ιδιαίτερα χρήσιμη, καθώς οι υπάρχουσες μελέτες εξαντλούνται κυρίως σε θεωρητικές αναλύσεις, χωρίς να λαμβάνουν υπόψη τη γνώμη των γονέων στο σχεδιασμό των προγραμμάτων. Λαμβάνοντας υπόψη, λοιπόν, την άγνοια που υπάρχει, σκοπός μας είναι η έρευνα αυτή να αποτελέσει μια ελάχιστη προσπάθεια, ένα πλαίσιο το οποίο θα λειτουργήσει ως κατευθυντήρια ιδέα για περαιτέρω έρευνα, για πληροφορίες, συμβουλές, ιδέες και απόψεις για τη δημιουργία ενός προγράμματος βασισμένο στις ανάγκες των γονέων. / This essay refers to a classic empiric research that, took place in the school year 2008-2009 at a two-seat nursery school of Patras. The main goal was to study the parents’ opinions of the programs of family literacy and the development of a program that will cover, as well as carry forward their needs. Eighteen (18) parents participated in semi-structured interviews in order to present their views on the subject. The same parents participated in an educational interview that took place in the nursery school’s ground. Results showed that the parents need the creation of such a program. Their questions and inquiries on the subject of first literacy seemed to be many but, in the same time, fruitful for the course of our research. Specifically, it became clear that the existence of such a program is at this time a necessity, as the current researches are consumed in theoretical analysis without keeping in mind the opinions of the parents for the design of these programs. Taking, yet, into account the ignorance, our target is that this survey will manage, as much as possible, to form a frame which will work as the backbone for further searching for advice, information and ideas or opinions for the creation of such a program based on parents’ needs.