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This research focuses on the development of a solution strategy for the optimization of large-scale dynamic systems under uncertainty. Uncertainty resides naturally within the external forces posed to the system or from within the system itself. For example, in chemical process systems, external inputs include flow rates, temperatures or compositions; while internal sources include kinetic or mass transport parameters; and empirical parameters used within thermodynamic correlations and expressions. The goal in devising a dynamic optimization approach which explicitly accounts for uncertainty is to do so in a manner which is computationally tractable and is general enough to handle various types and sources of uncertainty. The approach developed in this thesis follows a so-called multiperiod technique whereby the infinite dimensional uncertainty space is discretized at numerous points (known as periods or scenarios) which creates different possible realizations of the uncertain parameters. The resulting optimization formulation encompasses an approximated expected value of a chosen objective functional subject to a dynamic model for all the generated realizations of the uncertain parameters. The dynamic model can be solved, using an appropriate numerical method, in an embedded manner for which the solution is used to construct the optimization formulation constraints; or alternatively the model could be completely discretized over the temporal domain and posed directly as part of the optimization formulation. Our approach in this thesis has mainly focused on the embedded model technique for dynamic optimization which can either follow a single- or multiple-shooting solution method. The first contribution of the thesis investigates a combined multiperiod multiple-shooting dynamic optimization approach for the design of dynamic systems using ordinary differential equation (ODE) or differential-algebraic equation (DAE) process models. A major aspect of this approach is the analysis of the parallel solution of the embedded model within the optimization formulation. As part of this analysis, we further consider the application of the dynamic optimization approach to several design and operation applications. Another vmajor contribution of the thesis is the development of a nonlinear programming (NLP) solver based on an approach that combines sequential quadratic programming (SQP) with an interior-point method (IPM) for the quadratic programming subproblem. A unique aspect of the approach is that the inherent structure (and parallelism) of the multiperiod formulation is exploited at the linear algebra level within the SQP-IPM nonlinear programming algorithm using an explicit Schur-complement decomposition. Our NLP solution approach is further assessed using several static and dynamic optimization benchmark examples. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Cette thèse adresse les problèmes d'universalité et de complétude computationelle pour plusieurs modèles de calcul inspirés par la biologie. Il s'agit principalement des systèmes d'insertion/effacement, réseaux de processeurs évolutionnaires, ainsi que des systèmes de réécriture de multi-ensembles. Les résultats décrits se classent dans deux catégories majeures : l'étude de la puissance de calcul des opérations d'insertion et d'effacement avec ou sans mécanismes de contrôle, et la construction des systèmes de réécriture de multi-ensembles universels de petite taille. Les opérations d'insertion et d'effacement consistent à rajouter ou supprimer une sous-chaîne dans une chaîne de caractères dans un contexte donné. La motivation pour l'étude de ces opérations vient de la biologie, ainsi que de la linguistique et de la théorie des langages formels. Dans la première partie de ce manuscrit nous examinons des systèmes d'insertion/effacement correspondant à l'édition de l'ARN, un processus qui insère ou supprime des fragments de ces molécules. Une particularité importante de l'édition de l'ARN est que le endroit auquel se font les modifications est déterminé par des séquences de nucléotides se trouvant toujours du même côté du site de modification. En termes d'insertion et d'effacement, ce phénomène se modéliserait par des règles possédant le contexte uniquement d'un seul côté. Nous montrons qu'avec un contexte gauche de deux caractères il est possible d'engendrer tous les langages rationnels. D'autre part, nous prouvons que des contextes plus longs n'augmentent pas la puissance de calcul du modèle. Nous examinons aussi les systèmes d’insertion/effacement utilisant des mécanismes de contrôle d’application des règles et nous montrons l'augmentation de la puissance d'expression. Les opérations d'insertion et d'effacement apparaissent naturellement dans le domaine de la sécurité informatique. Comme exemple on peut donner le modèle des grammaires gauchistes (leftist grammar), qui ont été introduites pour l'étude des systèmes critiques. Dans cette thèse nous proposons un nouvel instrument graphique d'analyse du comportement dynamique de ces grammaires. La deuxième partie du manuscrit s'intéresse au problème d'universalité qui consiste à trouver un élément concret capable de simuler le travail de n'importe quel autre dispositif de calcul. Nous commençons par le modèle de réseaux de processeurs évolutionnaires, qui abstrait le traitement de l'information génétique. Nous construisons des réseaux universels ayant un petit nombre de règles. Nous nous concentrons ensuite sur les systèmes de réécriture des multi-ensembles, un modèle qui peut être vu comme une abstraction des réactions biochimiques. Pour des raisons historiques, nous formulons nos résultats en termes de réseaux de Petri. Nous construisons des réseaux de Petri universels et décrivons des techniques de réduction du nombre de places, de transitions et d'arcs inhibiteurs, ainsi que du degré maximal des transitions. Une bonne partie de ces techniques repose sur une généralisation des machines à registres introduite dans cette thèse et qui permet d'effectuer plusieurs tests et opérations en un seul changement d'état / The present thesis considers the problems of computational completeness and universality for several biologically-inspired models of computation: insertion-deletion systems, networks of evolutionary processors, and multiset rewriting systems. The presented results fall into two major categories: study of expressive power of the operations of insertion and deletion with and without control, and construction of universal multiset rewriting systems of low descriptional complexity. Insertion and deletion operations consist in adding or removing a subword from a given string if this subword is surrounded by some given contexts. The motivation for studying these operations comes from biology, as well as from linguistics and the theory of formal languages. In the first part of the present work we focus on insertion-deletion systems closely related to RNA editing, which essentially consists in inserting or deleting fragments of RNA molecules. An important feature of RNA editing is the fact that the locus the operations are carried at is determined by certain sequences of nucleotides, which are always situated to the same side of the editing site. In terms of formal insertion and deletion, this phenomenon is modelled by rules which can only check their context on one side and not on the other. We show that allowing one-symbol insertion and deletion rules to check a two-symbol left context enables them to generate all regular languages. Moreover, we prove that allowing longer insertion and deletion contexts does not increase the computational power. We further consider insertion-deletion systems with additional control over rule applications and show that the computational completeness can be achieved by systems with very small rules. The motivation for studying insertion-deletion systems also comes from the domain of computer security, for the purposes of which a special kind of insertion-deletion systems called leftist grammars was introduced. In this work we propose a novel graphical instrument for visual analysis of the dynamics of such systems. The second part of the present thesis is concerned with the universality problem, which consists in finding a fixed element able to simulate the work any other computing device. We start by considering networks of evolutionary processors (NEPs), a computational model inspired by the way genetic information is processed in the living cell, and construct universal NEPs with very few rules. We then focus on multiset rewriting systems, which model the chemical processes running in the biological cell. For historical reasons, we formulate our results in terms of Petri nets. We construct a series of universal Petri nets and give several techniques for reducing the numbers of places, transitions, inhibitor arcs, and the maximal transition degree. Some of these techniques rely on a generalisation of conventional register machines, proposed in this thesis, which allows multiple register checks and operations to be performed in a single state transition

Cette thèse adresse les problèmes d'universalité et de complétude computationelle pour plusieurs modèles de calcul inspirés par la biologie. Il s'agit principalement des systèmes d'insertion/effacement, réseaux de processeurs évolutionnaires, ainsi que des systèmes de réécriture de multi-ensembles. Les résultats décrits se classent dans deux catégories majeures : l'étude de la puissance de calcul des opérations d'insertion et d'effacement avec ou sans mécanismes de contrôle, et la construction des systèmes de réécriture de multi-ensembles universels de petite taille. Les opérations d'insertion et d'effacement consistent à rajouter ou supprimer une sous-chaîne dans une chaîne de caractères dans un contexte donné. La motivation pour l'étude de ces opérations vient de la biologie, ainsi que de la linguistique et de la théorie des langages formels. Dans la première partie de ce manuscrit nous examinons des systèmes d'insertion/effacement correspondant à l'édition de l'ARN, un processus qui insère ou supprime des fragments de ces molécules. Une particularité importante de l'édition de l'ARN est que le endroit auquel se font les modifications est déterminé par des séquences de nucléotides se trouvant toujours du même côté du site de modification. En termes d'insertion et d'effacement, ce phénomène se modéliserait par des règles possédant le contexte uniquement d'un seul côté. Nous montrons qu'avec un contexte gauche de deux caractères il est possible d'engendrer tous les langages rationnels. D'autre part, nous prouvons que des contextes plus longs n'augmentent pas la puissance de calcul du modèle. Nous examinons aussi les systèmes d’insertion/effacement utilisant des mécanismes de contrôle d’application des règles et nous montrons l'augmentation de la puissance d'expression. Les opérations d'insertion et d'effacement apparaissent naturellement dans le domaine de la sécurité informatique. Comme exemple on peut donner le modèle des grammaires gauchistes (leftist grammar), qui ont été introduites pour l'étude des systèmes critiques. Dans cette thèse nous proposons un nouvel instrument graphique d'analyse du comportement dynamique de ces grammaires. La deuxième partie du manuscrit s'intéresse au problème d'universalité qui consiste à trouver un élément concret capable de simuler le travail de n'importe quel autre dispositif de calcul. Nous commençons par le modèle de réseaux de processeurs évolutionnaires, qui abstrait le traitement de l'information génétique. Nous construisons des réseaux universels ayant un petit nombre de règles. Nous nous concentrons ensuite sur les systèmes de réécriture des multi-ensembles, un modèle qui peut être vu comme une abstraction des réactions biochimiques. Pour des raisons historiques, nous formulons nos résultats en termes de réseaux de Petri. Nous construisons des réseaux de Petri universels et décrivons des techniques de réduction du nombre de places, de transitions et d'arcs inhibiteurs, ainsi que du degré maximal des transitions. Une bonne partie de ces techniques repose sur une généralisation des machines à registres introduite dans cette thèse et qui permet d'effectuer plusieurs tests et opérations en un seul changement d'état / The present thesis considers the problems of computational completeness and universality for several biologically-inspired models of computation: insertion-deletion systems, networks of evolutionary processors, and multiset rewriting systems. The presented results fall into two major categories: study of expressive power of the operations of insertion and deletion with and without control, and construction of universal multiset rewriting systems of low descriptional complexity. Insertion and deletion operations consist in adding or removing a subword from a given string if this subword is surrounded by some given contexts. The motivation for studying these operations comes from biology, as well as from linguistics and the theory of formal languages. In the first part of the present work we focus on insertion-deletion systems closely related to RNA editing, which essentially consists in inserting or deleting fragments of RNA molecules. An important feature of RNA editing is the fact that the locus the operations are carried at is determined by certain sequences of nucleotides, which are always situated to the same side of the editing site. In terms of formal insertion and deletion, this phenomenon is modelled by rules which can only check their context on one side and not on the other. We show that allowing one-symbol insertion and deletion rules to check a two-symbol left context enables them to generate all regular languages. Moreover, we prove that allowing longer insertion and deletion contexts does not increase the computational power. We further consider insertion-deletion systems with additional control over rule applications and show that the computational completeness can be achieved by systems with very small rules. The motivation for studying insertion-deletion systems also comes from the domain of computer security, for the purposes of which a special kind of insertion-deletion systems called leftist grammars was introduced. In this work we propose a novel graphical instrument for visual analysis of the dynamics of such systems. The second part of the present thesis is concerned with the universality problem, which consists in finding a fixed element able to simulate the work any other computing device. We start by considering networks of evolutionary processors (NEPs), a computational model inspired by the way genetic information is processed in the living cell, and construct universal NEPs with very few rules. We then focus on multiset rewriting systems, which model the chemical processes running in the biological cell. For historical reasons, we formulate our results in terms of Petri nets. We construct a series of universal Petri nets and give several techniques for reducing the numbers of places, transitions, inhibitor arcs, and the maximal transition degree. Some of these techniques rely on a generalisation of conventional register machines, proposed in this thesis, which allows multiple register checks and operations to be performed in a single state transition

No / Trust management in mobile ad hoc networks (MANETs) has become a significant issue in securing routing protocols to choose reliable and trusted paths. Trust is used to cope with defection problems of nodes and stimulate them to cooperate. However, trust is a highly complex concept because of the subjective nature of trustworthiness, and has several social properties, due to its social origins. In this paper, a friendship-based trust model is proposed for MANETs to secure routing protocol from source to destination, in which multiple social degrees of friendships are introduced to represent the degree of nodes' trustworthiness. The model considers the behaviour of nodes as a human pattern to reflect the complexity of trust subjectivity and different views. More importantly, the model considers the dynamic differentiation of friendship degree over time, and utilises both direct and indirect friendship-based trust information. The model overcomes the limitation of neglecting the social behaviours of nodes when evaluating trustworthiness. The empirical analysis shows the greater robustness and accuracy of the trust model in a dynamic MANET environment.