Contributions to the development of the CRO-SL algorithm: engineering application problems
- Autores: Carlos Camacho Gómez
- Directores de la Tesis: Sancho Salcedo Sanz (dir. tes.), Silvia Jiménez Fernández (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2018
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Antonio Portilla Figueras (presid.), Javier del Ser Lorente (secret.), Mihaela Ioana Chidean (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones por la Universidad de Alcalá
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
Esta tesis doctoral aborda el diseño del algoritmo evolutivo Coral Reef Optimization, en su versión Substrate-Layer, para la optimización de problemas en diferentes ámbitos de la ingeniería. Los algoritmos evolutivos han sido ampliamente aplicados a problemas de optimización difícilmente abordables de manera analítica, ya sea por tener espacios de búsqueda enormes o por ser no lineales. Si bien la ejecución de estos algoritmos no supone un gran coste computacional hoy en día, sí lo supone las funciones de coste que constantemente deben evaluar. La creciente capacidad de procesamiento en la tecnología le abre las puertas al abordaje de problemas temporalmente costosos por medio de la metaheurística. Uno de los inconvenientes de esta, es que no hay forma de saber a priori cuál de ellos es mejor para un problema específico, y sea cual sea la elección, la ejecución del mismo no te asegura que vayas a obtener el óptimo. Es por este motivo por el cual se ha elegido el algoritmo CRO-SL, ya que permite combinar los procesos de búsqueda más potentes, ayudándose entre ellos para alcanzar el óptimo global.
La problemática a la que se puede aplicar la metaheurística es muy variada y no tiene por qué ser exclusiva de la ingeniería, sin embargo en esta tesis sí vamos a centrarla en ella. Una de las aplicaciones que vamos a ver es el diseño de una antena de tipo F invertida (IFA), para sistemas de IDentificación por Radio-Frecuencia (RFID). Estas han sido muy utilizadas en productos a lo largo de todo el mundo tanto en tarjetas de crédito como en etiquetas de productos debido a su pequeño tamaño y a una fabricación sencilla y barata. En concreto, en este trabajo se usarán como conductores láminas de cobre y como dieléctrico, fieltro. Se pretende así, diseñar el ancho y el espaciamiento de estas tiras de cobre para que emita en un ancho de banda determinado con una calidad determinada. También se abordará un problema de control de vibración en estructuras de dos y cuatro pisos mediante el uso de elementos amortiguadores pasivos, TMD's(Tunned Mass Dampers). Esta aplicación viene motivada por la necesidad de mitigar las vibraciones procedentes de la tierra, como pudiera ser en un terremoto. En este caso el algoritmo no sólo intentará optimizar las características físicas de los TMD's sino también su colocación dentro del edificio. En tercer lugar, se realizará un control activo de las vibraciones que generamos los humanos al caminar en una estructura civil, mediante el uso de actuadores de masa inercial. En este problema se tratará de optimizar la localización de los actuadores así como sintonizar las ganancias de control. Por último veremos un problema de optimización de planificación de las baterías en micro-redes(MG). Específicamente, consideramos una MG que incluye generación renovable y diferentes cargas, definidas por sus perfiles de potencia, y está equipada con un dispositivo de almacenamiento de energía (batería) para abordar su programación (duración de carga / descarga y ocurrencia) en un escenario real de precios variables de electricidad.
Mediante la aplicación del CRO-SL a estos problemas se pretende cumplir dos objetivos. El primero es comprobar la aptitud del propio algoritmo en las aplicaciones mencionadas. Para ello además se realizarán experimentos con los algoritmos más populares y los resultados podrán ser comparados entre sí. El segundo es promover el uso del CRO-SL como herramienta de comparación entre métodos de exploración. Algunos de los algoritmos metaheurísticos se basan en la iteración de un proceso de búsqueda sobre una población de individuos codificados, que encarnan la solución a un determinado problema.
- English
This Ph.D. thesis discusses advanced design issues of the evolutionary-based algorithm "Coral Reef Optimization", in its Substrate-Layer (CRO-SL) version, for optimization problems in Engineering Applications. Evolutionary Algorithms (EAs) have been widely applied to hard optimization problems when analytic approaches are not applicable. These problems usually have huge search spaces, a high number os constrains and unknown or discrete objective functions. While computational complexity of EAs algorithms is moderate, fitness function time executions may also be heavy. The increasing processing capacity in technology opens the door to tackling costly problems through meta-heuristics. One of the drawbacks of using this approaches is that it is not possible to know in advance which of them is the best for a specific problem (No-free lunch Theorem) and, whatever the choice, its application does not ensure to get the optimum solution, given the stochastic nature of the meta-heuristic. That is the reason why we have chosen CRO-SL algorithm, because it allows to combine the most powerful search procedures in a kind of co-evolution competitive approach, helping each other in order to attain the global optimum.
By applying the CRO-SL to these problems, we aim to satisfy two main objectives: first, to test the goodness of the CRO-SL algorithm in the selected applications. To do this, alternative state of the art objective meta-heuristics will be compared with the proposed CRO. The second is to promote the use of the CRO-SL as a tool for comparison between exploration methods. Some of the meta-heuristic algorithms are based on the iteration of a search method over a population of codified individuals, who represent solutions of the problem. The CRO-SL borrows the form in which other algorithms change their individuals, and forms new solutions in parallel. Among the best-known EAs included as substrates in the CRO-SL are: Harmony Search, Differential Evolution, Genetic Algorithms. In addition we propose and analyze the use of another type of mutations such as the Gaussian type, single mutation or multipoint crossover. Finally, during the development of this Thesis a new form of search based on strange attractors has also been tested.
The problems that can be tackled with meta-heuristic approaches is very wide and varied, and it is not exclusive of engineering. However we focus the Thesis on it area, one of the most prominent in our time. One of the proposed application is battery scheduling problem in MicroGrids (MGs). Specifically, we consider an MG that includes renewable distributed generation and different loads, defined by its power profiles, and is equipped with an energy storage device (battery) to address its programming (duration of loading / discharging and occurrence) in a real scenario with variable electricity prices. Also, we discuss a problem of vibration cancellation over structures of two and four floors, using Tuned Mass Dampers (TMD’s). The optimization algorithm will try to find the best solution by obtaining three physical parameters and the TMD location. As another related application, CRO-SL is used to design Multi-Input-Multi-Output Active Vibration Control (MIMO-AVC) via inertial-mass actuators, for structures subjected to human induced vibration. In this problem, we will optimize the location of each actuator and tune control gains. Finally, we tackle the optimization of a textile modified meanderline Inverted-F Antenna (IFA) with variable width and spacing meander, for RFID systems. Specifically, the CRO-SL is used to obtain an optimal antenna design, with a good bandwidth and radiation pattern, ideal for RFID readers. Radio Frequency Identification (RFID) has become one of the most numerous manufactured devices worldwide due to a reliable and inexpensive means of locating people. They are used in access and money cards and product labels and many other applications.
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