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

Η παρούσα εργασία ασχολείται με την εξομοίωση σε προγραμματιστικό περιβάλλον, της λειτουργίας συστοιχιών ηχείων κάθετης διάταξης και συγκεκριμένα για τις περιπτώσεις ευθύγραμμων (Uniform) και υβριδικού τύπου (J-Shaped) συστοιχιών, σε περιβάλλον ανοιχτών και κλειστών χώρων. Οι εξομοιώσεις που υλοποιήθηκαν επιτρέπουν την αξιολόγηση και σύγκριση των συστοιχιών σε θέματα εκπομπής, εστιάζοντας στην ηχητική κάλυψη των επιπέδων ακρόασης. Επιπλέον, αναπτύσσονται τα εργαλεία για την εξομοίωση και μελέτη του διάχυτου πεδίου που παράγεται κατα τη λειτουργία των συστοιχιών σε κλειστούς χώρους. / The current thesis is about simulating the function of Uniform and J-Shaped line arrays in open and closed space. It also allows the comparison among between the two types af arrays in terms of beaming and sound coverage especially at the audience planes. Furthermore, tools of simulation of the diffuse field are being developed.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται τα αποτελέσματα ψευδοδυναμικών δοκιμών σε γέφυρα από οπλισμένο σκυρόδεμα, πολλών ανοιγμάτων, σεισμικά μονωμένης με απλά ελαστομεταλλικά εφέδρανα χαμηλής απόσβεσης. Το μέγεθος της γέφυρας καθιστά αδύνατη την προσομοίωση ολόκληρου του φορέα στο εργαστήριο σε πλήρη κλίμακα ή έστω σε μικρότερη αλλά ρεαλιστική κλίμακα. Παράλληλα, η απόκριση του καταστρώματος και των βάθρων αναμένεται να είναι ελαστική κατά την διάρκεια της σεισμικής διέγερσης ενώ η ανελαστική παραμόρφωση θα εντοπίζεται στην στάθμη της σεισμικής μόνωσης. Για αυτό το λόγο, ο οικονομικότερος και πιο κατάλληλος τρόπος δοκιμής είναι η χρήση της μεθόδου των υπο-κατασκευών. Με τον τρόπο αυτό τα εφέδρανα χρησιμοποιούνται ως δοκίμιο και η απόκριση τους μετράται εργαστηριακά, ενώ η υπόλοιπη κατασκευή (κατάστρωμα και βάθρα) προσομοιώνονται αναλυτικά. Οι ψευδοδυναμικές δοκιμές έγιναν με την μέθοδο αυτή εφαρμόζοντας ως διέγερση το πραγματικό επιταχυνσιογράφημα του σεισμού της 15ης Απριλίου του Montenegro, τροποποιώντας το κατάλληλα, ώστε το φάσμα του να είναι συμβατό με το φάσμα του Ευρωκώδικα 8 για έδαφος τύπου C. Το τυπικό όμως πρόβλημα το οποίο εμφανίζεται κατά την εκτέλεση ψευδοδυναμικών δοκιμών μη πραγματικού χρόνου σε συσκευές, των οποίων η απόκριση επηρεάζεται από την ταχύτητα παραμόρφωσης, όπως είναι τα εφέδρανα, είναι η διαφοροποίηση των μετρούμενων δυνάμεων με την πραγματοποίηση της δοκιμής σε διεσταλμένη κλίμακα του χρόνου. Συνεπώς είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μια διαδικασία, ώστε σε κάθε βήμα η μετρούμενη δύναμη αντίδρασης των εφεδράνων, η οποία εκφράζει την δυσκαμψία τους, να διορθώνεται ώστε να αντιστοιχεί στην δύναμη που θα μετριόταν εάν η δοκιμή ήταν πραγματικού χρόνου. Για τα λόγο αυτό πραγματοποιήθηκαν προκαταρκτικές δοκιμές χαρακτηρισμού, με στόχο αφενός τον προσδιορισμό των μηχανικών χαρακτηριστικών των εφεδράνων σε διάφορα επίπεδα παραμόρφωσης και αφετέρου τον υπολογισμό απαραίτητων συντελεστών διόρθωσης, οι οποίοι θα χρησιμοποιηθούν στην ψευδοδυναμική δοκιμή για να ληφθεί υπόψη η επιρροή του ρυθμού παραμόρφωσης. Οι δοκιμές αυτές πραγματοποιήθηκαν σε επίπεδα διατμητικής παραμόρφωσης των εφεδράνων που έφταναν το 100% της αντοχής τους και σε συχνότητες που ήταν κοντά στις ιδιοσυχνότητες που αναμένονται για την κατασκευή κατά την διάρκεια της σεισμικής διέγερσης. Κατά τη διεξαγωγή των δοκιμών τα εφέδρανα υποβάλλονται σε καθορισμένη ιστορία φόρτισης που αποτελείται από συνεχείς ημιτονοειδείς κύκλους μειούμενου εύρους και ένα τμήμα τυχαίας χρονοϊστορίας. Μετά τον προσδιορισμό των διορθωτικών συντελεστών πραγματοποιήθηκαν οι ψευδοδυναμικές δοκιμές σε διάφορα επίπεδα έντασης της εδαφικής σεισμικής επιτάχυνσης. Για τις δοκιμές χρησιμοποιήθηκαν δύο ζευγάρια εφεδράνων, για καθένα από τα οποία έγινε ξεχωριστή δοκιμή χαρακτηρισμού. Η ταχύτητα εκτέλεσης των δοκιμών επιλέχθηκε να είναι μια τάξη μεγέθους πιο γρήγορη από αντίστοιχες προηγούμενες δοκιμές. Τα αποτελέσματα των δοκιμών έδειξαν καταρχάς ότι η διαδικασία που επιλέχθηκε για να ληφθεί υπόψη η επιρροή του ρυθμού παραμόρφωσης ήταν επιτυχής. Επιπλέον, κατέδειξαν ότι η μόνωση γεφυρών με χρήση του συγκεκριμένου τύπου εφεδράνων δεν αποτελεί αποτελεσματική μέθοδο αντισεισμικής προστασίας καθώς τα εφέδρανα αστόχησαν σε επίπεδα παραμόρφωσης χαμηλότερα από αυτά που απαιτούν οι κανονισμοί. / The results of hybrid tests performed on a multi-span RC bridge are presented. The bridge, typical example of bridges employing only plain, elastomeric, low damping isolation devices, is sub-structured for testing purposes: the isolators are physically tested while the response of the remaining structure is simulated numerically. Hybrid testing is performed quasi-statically and - to account for the actual influence of real-time loading on the properties of the isolation devices - a pre-testing phase is carried out in which isolators are strained dynamically at different velocity levels to determine the relation of the real-time response to that during static conditions. Following this phase of characterization, pairs of isolators in a back-to-back (parallel) configuration are tested with the hybrid method, with on-line modification of the measured restoring forces based on the results of the pre-test campaign. The experimental program revealed that the specific type of elastomeric bearings used in the study do not comply to current code provisions as they rupture at deformation levels considerably lower than the code-prescribed ones.

Τα Ευφυή Συστήματα Διδασκαλίας (Intelligent Tutoring Systems) είναι συστήματα που χρησιμοποιούν μεθόδους Τεχνητής Νοημοσύνης για την παροχή εξατομικευμένης διδασκαλίας, τα τελευταία χρόνια και μέσω Διαδικτύου. Τα συστήματα αυτά προσφέρουν δηλαδή μάθηση προσαρμοζόμενη στις δυνατότητες και της ανάγκες των μαθητών-φοιτητών. Ένα σημαντικό τμήμα των συστημάτων αυτών αφορά την αξιολόγηση των μαθητών. Η αξιολόγηση αφορά τον προσδιορισμό του επιπέδου γνώσης ενός μαθητή. Αυτό συνήθως γίνεται με την μέτρηση της απόδοσης του μαθητή σ’ ένα ή περισσότερα τεστ που περιέχουν ερωτήσεις-ασκήσεις που αναφέρονται σε ένα σύνολο εννοιών και είναι διαφόρων επιπέδων δυσκολίας. Ένα σημαντικό στοιχείο στην υπόθεση αυτή είναι ο σωστός προσδιορισμός του επιπέδου δυσκολίας των ερωτήσεων-ασκήσεων. Ένα δεύτερο στοιχείο είναι ο σωστός σχεδιασμός των τεστ ώστε να ανταποκρίνεται στις ανάγκες του κάθε μαθητή, ανάλογα με την μελέτη που έχει κάνει. Ένα τρίτο στοιχείο αφορά τις ευφυείς μεθόδους που θα χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη των παραπάνω δύο στοιχείων. Συνήθως χρησιμοποιούνται απλές μέθοδοι, όπως π.χ. κανόνες παραγωγής ή σημαντικά δίκτυα. Μια ενδιαφέρουσα ερευνητική κατεύθυνση είναι η χρήση υβριδικών ευφυών τεχνικών, δηλαδή τεχνικών που συνδυάζουν δύο τουλάχιστον γνωστές ευφυείς τεχνικές, όπως είναι π.χ. ο συνδυασμός κανόνων παραγωγής και γενετικών αλγορίθμων. Το αντικείμενο αυτής της μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας είναι: (α) η εύρεση μιας μεθόδου για ρεαλιστικότερο προσδιορισμό του επιπέδου δυσκολίας των ερωτήσεων-ασκήσεων, (β) η εύρεση μιας μεθόδου για προσαρμοστικό σχεδιασμό των τεστ αξιολόγησης των μαθητών, ώστε να ανταποκρίνονται στις ανάγκες και δυνατότητες του καθενός χωριστά, (γ) η χρήση υβριδικών ευφυών τεχνικών και (δ) η εφαρμογή των παραπάνω σ’ ένα υπάρχον ευφυές σύστημα διδασκαλίας θεμάτων τεχνητής νοημοσύνης. / Intelligent Tutoring Systems (ITSs) are systems that use AI techniques in order to provide adaptive assessment. ITSs adapt the course material to the student's needs, based on his/her profile and knowledge level. An important function of such systems is student evaluation. Student evaluation refers to the evaluation of the knowledge level of a student after having dealt with a learning page. This is achieved by processing the results of the exercises offered at the end of a learning page. Estimation of the knowledge level of a concept is based, among others, on the difficulty level of the correctly answered exercises included in the test. So, the right determination of the difficulty level of an exercise is very important. Another important issue is the design of the tests in order to correspond student's needs based on their study. Feedback from the students saved in the student model should be taken into account for determination of the difficulty levels of the questions/exercises that will be chosen from each concept. A third important issue is the use of Hybrid Intelligent Methods to achieve the two mentioned issues. Most ITSs use simple methods like semantic networks or production rules. An interesting research direction is the useof hybrid AI methods which combine at least two well known AI techniques like production rules and genetic algorithms. The scope of this paper is (a) the determination of a realistic method for exercise difficulty level adaptation (b) the determination of a method for the personalized assessment of the learner according to a student model (c) the use of Hybrid Intelligent Methods and (d) the implementation of all the above in an Artificial Intelligence Teaching System of the course of "Artificial Intelligence".

Κατά τις υβριδικές δοκιμές δύσκαμπτων κατασκευών, παρουσιάζονται σημαντικά προβλήματα όταν αυτές διεξάγονται με έλεγχο της μετακίνησης των υδραυλικών εμβόλων. Καθ’ ότι στις υβριδικές δοκιμές η δύναμη αντίδρασης σε κάθε βήμα χρησιμοποιείται για την εύρεση της μετακίνησης του επόμενου, το οιοδήποτε λάθος μέτρησής της (εγγενές στις δύσκαμπτες κατασκευές), δρα σωρευτικά οδηγώντας σε αμφιβόλου αξιοπιστίας αποτελέσματα. Επιπροσθέτως, σε πολλές περιπτώσεις δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών παρουσιάζονται φαινόμενα αλληλεπίδρασης μεταξύ των εμβόλων που δυσχεραίνουν τη διεξαγωγή τους. Λύση στο πρόβλημα των δοκιμών δύσκαμπτων κατασκευών μπορεί να δοθεί εφόσον η διεξαγωγή τους γίνεται σε έλεγχο δύναμης αντί της μετακίνησης. Αυτό όμως προϋποθέτει την προγενέστερη γνώση των δυνάμεων που θα επιβληθούν από τα έμβολα σε κάθε βήμα. Οι επικρατέστερες προσεγγίσεις για την εύρεση των δυνάμεων κάθε βήματος βασίζονται είτε στον προσδιορισμό του εφαπτομενικού μητρώου δυσκαμψίας, ή σε διαδοχικές προσεγγίσεις. Στην παρούσα μελέτη παρουσιάζεται μία καινοτόμος προσέγγιση η οποία αποφεύγει τον προσδιορισμό του εφαπτομενικού μητρώου δυσκαμψίας. Χρησιμοποιούνται δύο ελεγκτές PID (αντί για έναν όπως γίνεται συνήθως) για τον έλεγχο κάθε εμβόλου. Ο πρώτος μετατρέπει την στοχευόμενη μετακίνηση σε στοχευόμενη δύναμη, ενώ ο δεύτερος είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο του εμβόλου με βάση τη δύναμη που προέρχεται από τον πρώτο. Επίσης, με την υιοθέτηση αυτής της στρατηγικής (στρατηγική διπλού τύπου ελεγκτή) σε συνδυασμό με τη συνεχή ψευδοδυναμική μέθοδο αποφεύγονται οι διαδοχικές προσεγγίσεις που μπορούν να οδηγήσουν σε παρασιτικούς κύκλους φόρτισης – αποφόρτισης. Η εγκυρότητα της στρατηγικής ελέγχθηκε με υβριδικές δοκιμές σε δύσκαμπτο δοκίμιο οπλισμένου σκυροδέματος μεγάλης κλίμακας. Το δοκίμιο χρησιμοποιήθηκε και για την αξιολόγηση της στρατηγικής για την εφαρμογή της σε απλές κυκλικές δοκιμές. Τέλος, παρουσιάζεται το σύστημα τηλεπαρακολούθησης του Εργαστηρίου Κατασκευών, το οποίο αναβαθμίζει το σύστημα ελέγχου δοκιμών και συνδράμει αφενός στη διασφάλιση της ποιότητας των δοκιμών και αφετέρου στη διάχυση των παραγόμενων αποτελεσμάτων στην επιστημονική κοινότητα. / Hybrid simulation of stiff structures encounters significant difficulties when relying on the displacement control of hydraulic actuators. The reason being that in hybrid tests the restoring force in each step is used to calculate the displacement of the next step; therefore a potential error in the calculation (intrinsic in the case of stiff structures) has a cumulative effect, leading to results of questionable validity. Furthermore, in many cases interaction between actuators hinders the execution of tests of stiff structures. A solution to this problem encountered when testing stiff structures may be given if tests are conducted in force control rather than displacement control. This, however, presupposes that the forces to be applied by actuators in each step are known beforehand. Dominant approaches in terms of calculating forces in each step are either based on the secant stiffness matrix, or on iterations. The present doctoral thesis introduces an innovative approach which bypasses the secant stiffness matrix calculation. Two PID controllers are used (instead of one, which is the standard practice) in order to control each actuator. The first controller converts the target displacement to target force, whilst the second one controls the actuator based on the force calculated by the first controller. Moreover, when combining this strategy (dual type control strategy) with the continuous pseudodynamic method, iterations that may lead to unwanted loading-unloading cycles are avoided. The validity of the proposed strategy was assessed by conducting hybrid tests on a large-scale stiff reinforced concrete specimen. The same specimen was also used to assess the application of the strategy to cyclic tests. Lastly, the telepresence system of the Structures Laboratory is presented, which upgrades the test control system and at the same time contributes to the quality of testing and to the distribution of results to the scientific community.

To θέμα του εντοπισμού των κινητών τηλεφώνων έχει τραβήξει την προσοχή τα τελευταία χρόνια εξαιτίας των απαιτήσεων της Ομοσπονδιακής Επιτροπής Επικοινωνιών για το Enhanced 911 η οποία είναι μια υπηρεσία συναγερμού. Τα ασύρματα συστήματα επικοινωνίας 3ης γενιάς ηταν τα πρώτα που υιοθέτησαν στρατηγικές εύρεσης θέσης στα στάνταρντ τους. Στην διαδικασία της εύρεσης της θέσης υπάρχουν 3 βασικές κατηγορίες μετρήσεων που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε. Η πρώτη εκτιμά το κινητό βασίζοντας τις μετρήσεις στην λαμβανόμενη ισχύ σήματος. Η δεύτερη κάνει χρήση των χρόνων άφιξης ή της διαφοράς των χρόνων άφιξης στους σταθμούς βάσης. Η τρίτη κατηγορία έχει να κάνει με τις γωνίες άφιξης στους σταθμούς βάσης. Όλες οι παραπάνω κατηγορίες μετρήσεων υποβαθμίζονται έντονα από την NLOS διάδοση. Η απουσία ενός LOS μονοπατιού μπορεί να βλάψει σημαντικά την εκτίμηση της πραγματικής θέσης του κινητού. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής είναι η συγκριτική αξιολόγηση και μελέτη κάποιων δημοφιλών τεχνικών εντοπισμού θέσης απλών και υβριδικών κάτω από διαφορετικά ΝLOS περιβάλλοντα και σε συνδυασμό με άλλες εξίσου σημαντικές παραμετρους όπως ειναι το διαθέσιμο πλήθος σταθμών βάσης σε μια περιοχή, η γεωμετρία ή με άλλα λόγια η θέση του κινητού σε σχέση με τους σταθμους βάσης. Προτείνεται επίσης και μια υβριδική τεχνική για την αντιμετώπιση των παραπάνω καταστρεπτικών επιπτώσεων του NLOS φαινομένου. / The problem of mobile location estimation has recently drawn attention due to Federal Communications Commission (FCC) demands of Enhanced-911 (E911) emergency service. Third Generation (3G) wireless systems were the first to adopt location estimation techniques into their standards. There are three basic types of measurements that can be used for location estimation. The first type includes Received Signal Strength measurements. The second type uses Time of Arrival or Time Difference of Arrival measurements of the signal to the base stations. The third type deals with Angle of Arrival measurements of the received signal. The subject of this work is the comparative evaluation and study of certain popular, simple and hybrid location estimation techniques, under different NLOS environments and in conjunction with other equally important parameters such as the number of available base stations, the geometry of the problem and the position of the mobile relative to the base stations. A hybrid method is also suggested for mitigating the destructive consequences of the NLOS effect.