Submitted by Irene Nascimento (irene.kessia@ufpe.br) on 2016-09-27T18:39:30Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) RicardoDeAndradeAraujo.pdf: 2136922 bytes, checksum: 3bf9d638152b4cc1870ed7c533772fae (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-27T18:39:30Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) RicardoDeAndradeAraujo.pdf: 2136922 bytes, checksum: 3bf9d638152b4cc1870ed7c533772fae (MD5) Previous issue date: 2016-01-01 / CNPQ / Este trabalho apresenta um estudo sobre séries temporais financeiras, em alta-frequência, na tentativa de identificar as características do seu fenômeno gerador e, baseado neste estudo, propor um modelo, composto por uma combinação balanceada entre operadores lineares e operadores não-lineares crescentes e decrescentes, capaz de prever este tipo particular de série temporal. Para o processo de aprendizagem, é proposto um método baseado em gradiente descendente, utilizando ideias do algoritmo de retropropagação do erro (back propagation, BP) e uma abordagem alternativa para superar o problema da não-diferenciabilidade dos operadores não-lineares. Uma análise experimental é conduzida com o modelo proposto, utilizando um conjunto de séries temporais financeiras, em alta-frequência, do mercado de ações Brasileiro: Banco do Brasil SA, Banco Bradesco SA, Brasil Foods SA, BR Malls Participações SA e Companhia Energética Minas Gerais. Nestes experimentos, um conjunto relevante de medidas é utilizado para avaliar o desempenho preditivo do modelo proposto, e os resultados alcançados superam aqueles obtidos utilizando técnicas estatísticas, neurais e híbridas apresentadas na literatura. Também, são realizadas simulações com um sistema de apoio à decisão, baseado em previsão, para compra e venda de ações, tendo em vista demonstrar o desempenho econômico expressivo do modelo proposto no mercado de ações, em alta-frequência. / This work presents a study about high-frequency financial time series to identify the characteristics of their generator phenomenon and, based on such study, to propose a model, composed of a balanced combination of linear operators and increasing and decreasing nonlinear operators, able to predict this kind of time series. For the learning process, it is proposed a descent gradient-based method, using ideas from the back propagation (BP) algorithm and a systematic approach to overcome the problem of nondifferentiability of nonlinear operators. An experimental analysis is conducted with the proposed model, using a set of highfrequency financial time series of the Brazilian stock market: Banco do Brasil SA, Banco Bradesco SA, Brasil Foods SA, BR Malls Participações SA and Companhia Energética Minas Gerais. In these experiments, a relevant set of measures are used to assess the prediction performance of the proposed model, and the achieved results overcome those obtained by statistical, neural and hybrid techniques presented in the literature. Also, it is performed simulations with a prediction-based decision support system, for buy and sale of stocks, to demonstrate the significant economic performance of the proposed model in real high-frequency stock market

Efficient energy use is primarily for any sensor networks to function for a longer time period. There have been many efficient schemes with various progress levels proposed by many researchers. Yet, there still more improvements are needed. This thesis is an attempt to make wireless sensor networks with further efficient on energy usage in the network with respect to rate of delivery of the messages. In sensor network architecture radio, sensing and actuators have influence over the power consumption in the entire network. While listening as well as transmitting, energy is consumed by the radio. However, if by reducing listening times or by reducing the number of messages transmitting would reduce the energy consumption. But, in real time scenario with critical information sensing network leads to information loss. To overcome this an adaptive routing technique should be considered. So, that it focuses on saving energy in a much more sophisticated way without reducing the performance of the sensing network transmitting and receiving functionalities. This thesis tackles on parts of the energy efficiency problem in a wireless sensor network and improving delivery rate of messages. To achieve this a routing technique is proposed. In this method, switching between two routing paths are considered and the switching decision taken by the server based on messages delivered comparative previous time intervals. The goal is to get maximum network life time without degrading the number of messages at the server. In this work some conventional routing methods are considered for implementing an approach. This approach is by implementing a shortest path, Gradient based energy routing algorithm and an observer component to control switching between paths. Further, controlled switching done by observer compared to normal initial switch rule. Evaluations are done in a simulation environment and results show improvement in network lifetime in a much more balanced way.

Le bruit est devenu une nuisance importante en zone urbaine au point que selon l'Organisation Mondiale de la Santé, 40% de la population européenne est exposée à des niveaux de bruit excessifs, principalement dû aux transports terrestres. Il devient donc nécessaire de trouver de nouveaux moyens de lutter contre le bruit en zone urbaine. Dans ce travail, on étudie une solution possible à ce problème: un écran bas antibruit. Il s'agit d'un écran de hauteur inférieure à un mètre placé près d'une source, conçu pour réduire le niveau de bruit pour les piétons et les cyclistes à proximité. Ce type de protection est étudié numériquement et expérimentalement. Nous nous intéressons particulièrement aux écrans adaptés au bruit du tramway puisque dans ce cas les sources sont proches du sol et peuvent être atténuées efficacement. La forme ainsi que le traitement de surface de l'écran sont optimisés par une méthode de gradient couplée à une méthode 2D d'éléments finis de frontière. Les variables à optimiser sont les coordonnées de nœuds de contrôle et les paramètres servant à décrire l'impédance de surface. Les sensibilités sont calculées efficacement par la méthode de l'état adjoint. Les formes générées par l'algorithme d'optimisation sont assez irrégulières mais induisent une nette amélioration par rapport à des formes simples, d'au moins 5 dB (A). Il est également montré que l'utilisation de traitement absorbant du côté source de l'écran peut améliorer la performance sensiblement. Ce dernier point est confirmé par des mesures effectuées sur modèle réduit. De plus, un prototype à l'échelle 1 d'écran bas antibruit a été construit et testé en conditions réelles, le long d'une voie de tramway à Grenoble. Les mesures montrent que la protection réduit le niveau de 10 dB (A) pour un récepteur proche situé à hauteur d'oreilles. Ces résultats semblent confirmer l'applicabilité de ces protections pour réduire efficacement le bruit en zone urbaine / Noise has become a main nuisance in urban areas to the point that according to the World Health Organization 40% of the European population is exposed to excessive noise levels, mainly due to ground transportation. There is therefore a need to find new ways to mitigate noise in urban areas. In this work, a possible device to achieve this goal is studied: a low-height noise barrier. It consists of a barrier typically less than one meter high placed close to a source, designed to decrease the noise level for nearby pedestrians and cyclists. This type of device is studied both numerically and experimentally. Tramway noise barriers are especially studied since the noise sources are in this case very close to the ground and can therefore be attenuated efficiently. The shape and the surface treatment of the barrier are optimized using a gradient-based method coupled to a 2D boundary element method (BEM). The optimization variables are the node coordinates of a control mesh and the parameters describing the surface impedance. Sensitivities are calculated efficiently using the adjoint state approach. Numerical results show that the shapes generated by the optimization algorithm tend to be quite irregular but provide a significant improvement of more than 5 dB (A) compared to simpler shapes. Utilizing an absorbing treatment on the source side of the barrier is shown to be efficient as well. This second point has been confirmed by scale model measurements. In addition, a full scale low height noise barrier prototype has been built and tested in situ close to a tramway track in Grenoble. Measurements show that the device provides more than 10 dB (A) of attenuation for a close receiver located at the typical height of human ears. These results therefore seem to confirm the applicability of such protections to efficiently decrease noise exposure in urban areas

Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Verbesserung technischer Prozesse erfolgt heute auf der Basis stochastischer und deterministischer Optimierungsstrategien in Kombination mit der numerischen Simulation dieser Abläufe. Da die FE-Simulation von Umformvorgängen in der Regel sehr zeitintensiv ist, bietet sich für die Optimierung solcher Prozesse der Einsatz deterministischer Methoden an, da hier weniger Optimierungsschritte und somit auch weniger FE-Simulationen notwendig sind. Eine wichtige Anforderung an solche Optimierungsverfahren ist globale Konvergenz zu lokalen Minima, da die optimalen Parametersätze nicht immer näherungsweise bekannt sind. Die zwei wichtigsten Strategien zum Ausdehnen des beschränkten Konvergenzradius der natürlichen Optimierungsverfahren (newtonschrittbasierte Verfahren und Gradientenverfahren) sind die Line-Search-Strategie und die Trust-Region-Strategie. Die Grundlagen der Line-Search-Strategie werden aufgearbeitet und die wichtigsten Teilalgorithmen implementiert. Danach wird dieses Verfahren auf eine effiziente Kombination der Teilalgorithmen und Verfahrensparameter hin untersucht. Im Anschluss wird die Leistung eines Optimierungsverfahrens mit Line-Search-Strategie verglichen mit der eines ebenfalls implementierten Optimierungsverfahrens mit skalierter Trust-Region-Strategie. Die Tests werden nach Einfügen der implementierten Verfahren in das Programm SPC-Opt anhand der Lösung eines Quadratmittelproblems aus der Materialparameteridentifikation sowie der Formoptimierung eines Umformwerkzeugs vorgenommen.

Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Verbesserung technischer Prozesse erfolgt heute auf der Basis stochastischer und deterministischer Optimierungsstrategien in Kombination mit der numerischen Simulation dieser Abläufe. Da die FE-Simulation von Umformvorgängen in der Regel sehr zeitintensiv ist, bietet sich für die Optimierung solcher Prozesse der Einsatz deterministischer Methoden an, da hier weniger Optimierungsschritte und somit auch weniger FE-Simulationen notwendig sind. Eine wichtige Anforderung an solche Optimierungsverfahren ist globale Konvergenz zu lokalen Minima, da die optimalen Parametersätze nicht immer näherungsweise bekannt sind. Die zwei wichtigsten Strategien zum Ausdehnen des beschränkten Konvergenzradius der natürlichen Optimierungsverfahren (newtonschrittbasierte Verfahren und Gradientenverfahren) sind die Line-Search-Strategie und die Trust-Region-Strategie. Die Grundlagen der Line-Search-Strategie werden aufgearbeitet und die wichtigsten Teilalgorithmen implementiert. Danach wird dieses Verfahren auf eine effiziente Kombination der Teilalgorithmen und Verfahrensparameter hin untersucht. Im Anschluss wird die Leistung eines Optimierungsverfahrens mit Line-Search-Strategie verglichen mit der eines ebenfalls implementierten Optimierungsverfahrens mit skalierter Trust-Region-Strategie. Die Tests werden nach Einfügen der implementierten Verfahren in das Programm SPC-Opt anhand der Lösung eines Quadratmittelproblems aus der Materialparameteridentifikation sowie der Formoptimierung eines Umformwerkzeugs vorgenommen.:1 Einleitung 7 2 Verfahren zur unrestringierten Optimierung 9 2.1 Vorbemerkungen 9 2.2 Der Schrittvektor sk 10 2.3 Natürliche Schrittweite und Konvergenz der Verfahren 11 2.4 Richtung des steilsten Abstiegs 12 2.5 Newtonschrittbasierte Verfahren 13 2.5.1 Newton-Verfahren 15 2.5.2 Quasi-Newton-Verfahren der Broyden-Klasse 15 2.5.3 Der BFGS-Auffrisch-Algorithmus 18 2.5.4 Die SR1-Auffrisch-Formel 19 2.5.5 Die DFP-Auffrisch-Formel 20 2.5.6 Gauß-Newton-Verfahren 20 2.6 Erzwingen der Bedingung der positiven Definitheit von Gk 21 3 Übersicht über die Verfahren zum Stabilisieren der natürlichen Schrittweiten 24 3.1 Das Prinzip der Line-Search-Verfahren 24 3.2 Das Prinzip der Trust-Region-Verfahren 26 3.3 Vergleich der Trust-Region- und der Line-Search-Strategien 27 4 Line-Search-Strategien 30 4.1 Vorbemerkungen 30 4.2 Ein prinzipieller Line-Search-Algorithmus 33 5 Die Akzeptanzkriterien für die Line-Search-Strategien 36 5.1 Die exakte Schrittweite 37 5.2 Das Armijo-Kriterium, ein Abstiegskriterium 39 5.2.1 Das klassische Armijo-Kriterium 39 5.2.2 Armijo-Kriterium mit unterer Schranke fflo > 0 40 5.3 Die Goldstein-Kriterien 42 5.4 Die Wolfe-Kriterien 44 5.4.1 Die einfachen Wolfe-Kriterien 44 5.4.2 Die starken Wolfe-Kriterien 46 5.5 Näherungsweiser Line-Search basierend auf Armijo, ff-Methode 47 6 Ermittlung der nächsten Testschrittweite ffj+1 49 6.1 Die Startschrittweite ffj=1 51 6.2 Verfahren mit konstanten Faktoren 52 6.3 Verfahren mit konstanten Summanden 53 6.4 Verfahren mit quadratischen Polynomen 54 6.5 Verfahren mit kubischen Polynomen 56 6.6 Sektionssuche mit goldenem Schnitt 58 7 Absicherung und Abbruchbedingungen des Line-Search-Verfahrens 60 7.1 Die drei Konvergenzpunkte eines Line-Search-Verfahrens 60 7.1.1 Lokales Minimum in f 60 7.1.2 Algorithmus konvergiert gegen −1 61 7.1.3 Der Winkel zwischen sk und −rfk wird 90° 61 7.2 Weitere Absicherungen 62 7.2.1 Abstiegsrichtung 62 7.2.2 Der gradientenbezogene Schrittvektor 62 7.2.3 Zulässige Schrittweiten in der Extrapolationsphase 63 7.2.4 Intervalle bei der Interpolation 63 7.2.5 Maximale Durchlaufzahlen 63 8 Implementierung 65 8.1 Grundlegende Struktur der Implementierung 65 8.2 Anwendungsgebiete 67 8.2.1 Identifikation der Materialparameter der isotropen Verfestigung und der HILLschen Fließbedingung 67 8.2.2 Optimierung der Form eines Umformwerkzeugs 70 8.3 Test des Programms anhand der Identifikation der Parameter der isotropen Verfestigung und der HILLschen Fließbedingung 71 8.3.1 Einfluss der Funktionsumgebung 71 8.3.2 Test der Line-Search-Verfahrensparameter 74 8.3.3 Einfluss der Startwerte und der Qualität der Ableitungsermittlung 77 8.3.4 Test der Quasi-Newton-Strategien 77 8.3.5 Test der Trust-Region-Skalierung 79 8.3.6 Vergleich der Trust-Region- und der Line-Search-Strategie 80 8.3.7 Tests mit den HILLschen Anisotropieparametern und drei Vorwärtsrechnungen 81 9 Zusammenfassung und Ausblick 83 9.1 Zusammenfassung 83 9.2 Ausblick 84 Liste häufig verwendeter Formelzeichen 85 Literaturverzeichnis 88 A Zusätzliches zur Implementierung 90 A.1 Parametervorschläge für die Line-Search-Verfahren 90 A.2 Fehlercode-Liste 92 A.3 Programmablaufpläne 94 A.3.1 Ablauf in main.cpp 94 A.3.2 Ablauf in OneOptLoop 95 A.3.3 Ablauf während des Trust-Region-Verfahrens 96 A.3.4 Ablauf während des Line-Search-Verfahrens 97 A.4 Steuerung der Optimierungsoptionen über OptInputData.dat 98 A.4.1 Übergeordnete Algorithmen 98 A.4.1.1 Quasi-Newton-Verfahren 98 A.4.1.2 Absichern der positiven Definitheit von Gk 99 A.4.1.3 Auswahl des Optimierungsverfahrens, Auswahl der Schrittweitensteuerung 100 A.4.1.4 Abbruchbedingungen für die Lösungsfindung 100 A.4.1.5 Wahl des Startvektors x0 101 A.4.2 Die Trust-Region-Algorithmen 102 A.4.2.1 Wahl des Anfangsradius 0 des Vertrauensbereichs 102 A.4.2.2 Wahl des Skalierungsverfahrens 102 A.4.2.3 Wahl des Startwertes l=0 für die Regularisierungsparameteriteration 103 A.4.2.4 Regularisierungsparameteriteration 103 A.4.2.5 Wahl des Verfahrens zum Auffrischen des Radius des Vertrauensbereichs 103 A.4.2.6 Bedingungen für einen akzeptablen Schritt 104 A.4.2.7 Absicherungen des Trust-Region-Verfahrens 104 A.4.3 Die Line-Search-Algorithmen 105 A.4.3.1 Die Akzeptanzkriterien 105 A.4.3.2 Die Verfahren zur Extrapolation 105 A.4.3.3 Die Verfahren zur Interpolation 106 A.4.3.4 Verfahren zur Wahl von ffj=2 106 A.4.3.5 Absicherung des Line-Search-Verfahrens 106 B Testrechnungen 107 B.1 Ausgewählte Versuchsreihen 107 B.2 Bilder der Funktionsumgebung der Materialparameteridentifikation 109 B.3 Beschreibung der digitalen Anlagen 112 Eidesstattliche Erklärung und Aufgabenstellung 113

As wind energy technology continues to mature, farm sizes grow and wind farm layout design becomes more difficult, in part due to the number of design variables and constraints. Wind farm layout optimization is typically approached using gradient-free methods because of the highly multi-modal shape of the wind farm layout design space. Gradient-free method performance generally degrades with increasing problem size, making it difficult to find optimal layouts for larger wind farms. However, gradient-based optimization methods can effectively and efficiently solve large-scale problems with many variables and constraints. To pave the way for effective and efficient wind farm layout optimization for large-scale wind farms, we have worked to overcome the primary barriers to applying gradient-based optimization to wind farm layout optimization. To improve model/algorithm compatibility, we adjusted wake and wind farm models, adding more realistic curvature and smoothness to enable optimization algorithms to travel through areas in the design space where they had previously gotten stuck. We reduced the number of function calls required for gradient-based wind farm layout optimization by over three orders of magnitude for large farms by using algorithmic differentiation to compute derivatives. We reduced the multi-modality of the wind farm layout design space using wake expansion continuation (WEC). We developed WEC to work with existing optimization algorithms, enabling them to get out of local optima while remaining fully gradient-based. Across four case studies, WEC found results with lower wake loss, on average, than the other methods we tested. To resolve concerns about optimization algorithms exploiting model inaccuracies, we compared the initial and optimized layouts to large-eddy simulation (LES) results. The simple models predicted an AEP improvement of 7.7% for a low-TI case, and LES predicted 9.3%. For a high-TI case, the simple models predicted a 10.0% improvement in AEP and LES predicted 10.7%. To resolve uncertainty regarding relative solution quality for gradient-based and gradient-free methods, we collaborated with seven organizations to compare eight optimization methods. Each method was managed by researchers experienced with them. All methods found solutions of similar quality, with optimized wake loss between 15.48 % and 15.70 %. WEC with SNOPT was the only purely gradient-based method included and found the third-to-best solution.

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