Αρχιτεκτονικές λίμνης δεδομένων με επίκεντρο τον χρήστη για πολιτιστική και τουριστική πληροφορική

Επιβλέπων: Τρυφωνόπουλος Χρήστος

Περίληψη: Η πρόοδος στην Πληροφορική του Πολιτισμού και του Τουρισμού έχει επηρεάσει σημαντικά τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι αντιλαμβάνονται, αναλύουν, επικοινωνούν και κατανοούν τα πολιτισμικά αντικείμενα. Οι αναδυόμενες πηγές δεδομένων, συμπεριλαμβανομένων των μέσων κοινωνικής δικτύωσης, του ψηφιοποιημένου πολιτιστικού υλικού και των συσκευών του Διαδικτύου των Πραγμάτων, έχουν επιτρέψει στην κοινωνία να βελτιώσει και να εξατομικεύσει την πολιτιστική εμπειρία. Ωστόσο, έχουν επίσης δημιουργήσει μια τεράστια ποσότητα νέου περιεχομένου, το οποίο πρέπει να αποθηκεύεται και να οργανώνεται αποτελεσματικά για να την παροχή πολύτιμων πτυχών πληροφορίας. Ενώ η διαχείριση δεδομένων είναι ζωτικής σημασίας για την πρόοδο τόσο των τομέων της Πολιτιστικής Κληρονομιάς όσο και του Πολιτιστικού Τουρισμού, οι τρέχουσες λύσεις είναι πολύ κατακερματισμένες, φυσικά διασκορπισμένες, απαιτούν εξειδικευμένη γνώση για την εφαρμογή τους, ενώ απαιτούν επιπλέον σημαντική εμπειρία στην πληροφορική για να λειτουργήσουν, ακόμη και για βασικές εργασίες. Ταυτόχρονα, καθώς οι πολιτιστικές και τουριστικές πληροφορίες γίνονται ολοένα και πιο προσβάσιμες μέσω μιας πληθώρας ετερογενών πηγών, όπως τα κοινωνικά δίκτυα, τα επίσημα αποθετήρια, οι κοινοτικές/εθνικές πλατφόρμες και οι πρωτοβουλίες ανοιχτών δεδομένων, η καταγραφή όλου του διαθέσιμου περιεχομένου μπορεί να οδηγήσει σε σύνολα δεδομένων με μεγάλο θόρυβο. Για παράδειγμα, παρόλο που τα ευρέως γνωστά αξιοθέατα συνήθως εμφανίζονται σε αυτές τις πηγές, καταγράφονται επίσης και δευτερογενή αξιοθέατα, αλλά με διαφορετικά επίπεδα λεπτομέρειας, οδηγώντας σε περιεχόμενο που μπορεί να είναι ελλιπές, επικαλυπτόμενο ή συμπληρωματικό. Για να διευκολυνθεί η ολοκληρωμένη πρόσβαση σε αυτές τις εκτενείς πληροφορίες, είναι απαραίτητο να εφαρμοστούν μεθοδολογίες συλλογής και ενσωμάτωσης που μπορούν να συγκεντρώσουν, να ομογενοποιήσουν και να ενοποιήσουν κατανεμημένο περιεχόμενο που σχετίζεται με τις ίδιες οντότητες. Σε αυτή τη διατριβή μελετάμε το πρόβλημα της χειροκίνητης και αυτοματοποιημένης συλλογής δεδομένων, μέσω ψηφιακών ερωτηματολογίων και διαδικασιών εξαγωγής δεδομένων ιστού αντίστοιχα, στους τομείς του πολιτιστικού τουρισμού και των μεταφορών, διερευνούμε διεξοδικά διάφορες αρχιτεκτονικές αποθήκευσης, διαχείρισης και ανάλυσης δεδομένων, εξετάζουμε διαφορετικά επίπεδα συνεργασίας των χρηστών για να αυξήσουμε τη συμμετοχή τους στην έρευνα πολιτιστικού τουρισμού, δίνοντας παράλληλα ιδιαίτερη προσοχή στον έλεγχο πρόσβασης των χρηστών για λόγους ασφάλειας περιεχομένου και σε εύχρηστες διεπαφές χρήστη για να στοχεύσουμε χρήστες με περιορισμένες ή καθόλου γνώσεις πληροφορικής. Εκτός από τα παραπάνω, εστιάζουμε σε προσεγγίσεις ανάλυσης δεδομένων για την εναρμόνιση διπλότυπων εγγραφών που αναφέρονται στην ίδια οντότητα και την ενσωμάτωση συμπληρωματικών, ενώ χρησιμοποιούμε μεθόδους και τεχνικές Μηχανικής Μάθησης με στόχο την εξαγωγή πληροφοριών υψηλής αξίας από το αποθηκευμένο περιεχόμενο. Αρχικά, παρουσιάζουμε την Hydria, μια διαδικτυακή λίμνη δεδομένων σχεδιασμένη για χρήστες που δεν έχουν γνώσεις πληροφορικής, επιτρέποντάς τους να συλλέγουν, να αποθηκεύουν, να οργανώνουν, να αναλύουν και να διανέμουν ετερογενή και σύνθετα δεδομένα Πολιτιστικής Κληρονομιάς και Τουρισμού. Η Hydria προσφέρει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο μηδενικής διαχείρισης και κόστους που επιτρέπει σε ερευνητές, επιμελητές μουσείων και άλλα ενδιαφερόμενα μέρη στον τομέα του πολιτιστικού τουρισμού να: (i) εφαρμόζουν υπηρεσίες συλλογής δεδομένων (όπως προγράμματα εξαγωγής δεδομένων κοινωνικής δικτύωσης, στοχευμένα προγράμματα ανίχνευσης ιστού, εισαγωγές συνόλων δεδομένων και φόρμες ερωτηματολογίων), (ii) δημιουργούν και διαχειρίζονται προσαρμόσιμα αποθετήρια δεδομένων, αξιοποιώντας σχεσιακές βάσεις δεδομένων, (iii) μοιράζονται ολόκληρα σύνολα δεδομένων ή συγκεκριμένα οριζόντια/κάθετα τμήματα δεδομένων με άλλα ενδιαφερόμενα μέρη μέσω κατάλληλων μηχανισμών δημοσίευσης/εγγραφής, (iv) αναζητούν, φιλτράρουν και αναλύουν το αποθηκευμένο περιεχόμενο, χρησιμοποιώντας μια διαισθητική αλλά ισχυρή γραφική μηχανή ερωτημάτων και εργαλεία οπτικοποίησης, και (v) εκτελούν εργασίες διαχείρισης χρηστών και ελέγχου πρόσβασης στα αποθηκευμένα δεδομένα. Στη συνέχεια, προτείνουμε το EnQuest, μια λίμνη δεδομένων που αποτελεί επέκταση της Hydria, εξοπλισμένη με NoSQL βάση δεδομένων χωρίς προκαθορισμένο σχήμα δεδομένων. Σε αυτόν τον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, τεράστια σύνολα δεδομένων μπορούν να αποθηκευτούν χωρίς να αλλάξει το σχήμα τους και να επηρεαστεί η απόδοση του συστήματος. Εκτός από τις δυνατότητες που παρέχει η Hydria, το EnQuest αναπτύχθηκε με τρόπο που επιτρέπει την πρόσβαση σε μη εξουσιοδοτημένους χρήστες (δηλαδή, σε εκείνους χωρίς διαπιστευτήρια της λίμνης δεδομένων) για εργασίες απόκτησης και ανάλυσης δεδομένων, ενώ η υπηρεσία οπτικοποίησης δεδομένων επεκτάθηκε περαιτέρω, για να επιτρέπει στους χρήστες να δημιουργούν πιο εξελιγμένα γραφήματα συνδυάζοντας ταυτόχρονα πολλά πεδία δεδομένων. Το προτεινόμενο σύστημα είναι εξ ολοκλήρου ανοιχτού κώδικα, σχεδιασμένο με εργαλεία και αρχές που βασίζονται στη διαχείριση μεγάλων συνόλων δεδομένων, για αποθήκευση δεδομένων, παραγωγή αναλυτικών στοιχείων και ανταλλαγή γνώσεων, στοχεύοντας τόσο στην απόδοση όσο και στην χρηστικότητα. Τα αποτελέσματα εκτεταμένων αξιολογήσεων απόδοσης σε σύγκριση με τον προκάτοχό του (δηλ., την Hydria) τόνισαν τη σταθερότητα του EnQuest και τη βελτίωση της απόδοσής του τουλάχιστον κατά μία τάξη μεγέθους σε όλες τις λειτουργίες, καθώς ο φόρτος εργασίας και στις δύο εναλλακτικές λύσεις λίμνης δεδομένων αυξανόταν συνεχώς. Τέλος, προτείναμε ένα πλαίσιο που βασίζεται στη Μηχανική Μάθηση για τη συλλογή, ομογενοποίηση και ενίσχυση πολιτιστικών και τουριστικών δεδομένων σε πολύγλωσσες, ποικίλες πηγές και το ενσωματώσαμε στις υλοποιημένες λίμνες δεδομένων. Η προσέγγισή μας αντιμετωπίζει τον εντοπισμό οντοτήτων, την ανίχνευση διπλότυπων και την εναρμόνιση συμπληρωματικού περιεχομένου, συνδυάζοντας τόσο προ-καταγεγραμμένες γεωγραφικές πληροφορίες όσο και διάφορες μετρήσεις ομοιότητας κειμένου τοπωνυμίων, δημιουργώντας μια βάση για μια εμπλουτισμένη και ενοποιημένη αναπαράσταση αξιοθέατων και σημείων ενδιαφέροντος. Επιπλέον, το αποθηκευμένο περιεχόμενο ενισχύεται αξιοποιώντας μεθόδους Επεξεργασίας Φυσικής Γλώσσας, συμπεριλαμβανομένων βιβλιοθηκών αυτοματοποιημένης μετάφρασης κειμένου, γλωσσικών μοντέλων αναγνώρισης οντοτήτων και τεχνικών ανάλυσης συναισθημάτων, για την παραγωγή αξιοποιήσιμων πληροφοριών, όπως τροχιές πολιτιστικού τουρισμού. Το πλαίσιο έχει σχεδιαστεί για να διευκολύνει την ανάπτυξη επεκτάσιμων αγωγών ολοκλήρωσης και είναι κατάλληλο για εφαρμογές που επικεντρώνονται στην προώθηση του τουρισμού, την ψηφιακή κληρονομιά, τις έξυπνες ταξιδιωτικές υπηρεσίες και τις μεταφορές. Αξίζει να σημειωθεί ότι όλα τα προαναφερθέντα συστήματα υλοποιήθηκαν, αναπτύχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν σε πραγματικά σενάρια, συμπεριλαμβανομένων ευρωπαϊκών και εθνικών ερευνητικών έργων, αποφέροντας σχόλια χρηστών και απτά αποτελέσματα.

Υπηρεσιοκεντρικά συστήματα μη Επανδρωμένων Ιπτάμενων Οχημάτων στο άκρο του δικτύου: σχεδιασμός και επαλήθευση στο πεδίο

Επιβλέπων: Σαγιάς Νικόλαος

Περίληψη: Τα Συστήματα Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών (ΣμηΕΑ) έχουν σημειώσει ραγδαία ανάπτυξη και εφαρμογή σε πολλαπλούς τομείς τα τελευταία χρόνια. Ωστόσο, τα περισσότερα υφιστάμενα συστήματα παραμένουν μονολιθικά, προσανατολισμένα σε συγκεκριμένες και περιορισμένες αποστολές, καθώς και στενά συνδεδεμένα με το ίδιο το αεροσκάφος και τις λειτουργίες πτήσης του. Οι παραδοσιακές υλοποιήσεις βασίζονται συνήθως σε απομονωμένες πλατφόρμες, χειροκίνητο έλεγχο και συγκεκριμένες εφαρμογές, γεγονός που περιορίζει τη χρήση τους και τη διαλειτουργικότητά τους με άλλες τεχνολογίες. Καθώς οι ανάγκες για σύνθετες και μεγάλης κλίμακας αυτόνομες υπηρεσίες γίνονται ολοένα και πιο επιτακτικές, η μετάβαση προς την ενσωμάτωση των ΣμηΕΑ σε ευρύτερα κατανεμημένα οικοσυστήματα, όπου λειτουργούν ως πάροχοι υπηρεσιών και όχι ως αυτόνομες μονάδες, είναι αναπόφευκτη. Παρ΄ όλα αυτά, η μετάβαση αυτή εισάγει σημαντικές προκλήσεις, όπως είναι η αξιόπιστη συνδεσιμότητα σε απομακρυσμένες περιοχές, η αποδοτική διαχείριση κατανεμημένων αεροσκαφών και εφαρμογών, η περιορισμένη δυνατότητα των μικρών αεροσκαφών για μεταφορά φορτίου και παροχή ενέργειας, καθώς και η διαχείριση εφαρμογών μεταξύ ετερογενών επιπέδων δικτύου και υπολογιστικών πόρων. Η αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων απαιτεί την μετακίνηση από τον σχεδιασμό με επίκεντρο τα αεροσκάφη, σε αρχιτεκτονικές με επίκεντρο την υπηρεσία. Η παρούσα διδακτορική διατριβή καλύπτει αυτό το κενό προτείνοντας και υλοποιώντας ένα υπηρεσιοκεντρικό σύστημα μη επανδρωμένων ιπτάμενων οχημάτων στο άκρο του δικτύου, μετατρέποντας τα συμβατικά ΣμηΕΑ σε αυτόνομους κόμβους δικτύου, με δυνατότητες υπολογιστικής ισχύος και εκτέλεσης εφαρμογών. Τελικός στόχος της εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός δυναμικού και επεκτάσιμου οικοσυστήματος, το οποίο θα υποστηρίζει την αυτόνομη παροχή υπηρεσιών μέσωεφαρμογών που εκτελούνται σε ΣμηΕΑ, ενώ παράλληλα θα προσαρμόζεται καιθα εξελίσσεται δυναμικά. Για την ανάπτυξη αυτού του συστήματος, η εργασίαενσωματώνει τόσο υλικό όσο και λογισμικό, όπως μικρουπολογιστές συνδεδεμένους στο αεροσκάφος, ετερογενή δίκτυα επικοινωνίας (π.χ. κυψελωτά, επίγειακαι δορυφορικά δίκτυα στενού εύρους) και μηχανισμούς διαχείρισης εφαρμογών. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην ανάπτυξη του υλικού και στη βελτιστοποίηση τωνσυστημάτων του αεροσκάφους με βάση κρίσιμα χαρακτηριστικά, όπως η πτητική ικανότητα, η περιορισμένη διαθέσιμη ισχύς, η σύνδεση με το διαδίκτυο και η συνεργασία αυτόματου πιλότου και ενσωματωμένου μικροϋπολογιστή. Επιπλέον, προτείνεται μια πρότυπη στοίβα λογισμικού που επιτρέπει τη διαχείριση και εκτέλεσηεφαρμογών, αλλά και τον έλεγχο πτήσης του αεροσκάφους, υπό ετερογενή δίκτυα. Το προτεινόμενο σύστημα εξελίσσει τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη σε στοιχεία ενός κατανεμημένου οικοσυστήματος, ικανού να υποστηρίζει αυτόνομη ανάπτυξη και εκτέλεση υπηρεσιών. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική αξιολογείται και επαληθεύεται μέσω εργαστηριακών δοκιμών και δοκιμών πεδίου, κάτω από πραγματικές συνθήκες. Οι πειραματικές αξιολογήσεις περιλαμβάνουν αυτόνομες υπηρεσίες που εκτελούνται απότα μη επανδρωμένα αεροσκάφη, καθώς και από σμήνη αυτών, επεξεργασία δεδομένων που λαμβάνει χώρα σε διαφορετικά μέρη του συστήματος (ακόμα και στοίδιο το αεροσκάφος), καθώς και ανάλυση διαφορετικών μεθόδων επικοινωνιών, υπό διαφορετικές δικτυακές και επιχειρησιακές συνθήκες. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεταιστη χρήση επίγειου και δορυφορικού δικτύου στενής ζώνης, προσαρμοσμένο γιασυσκευές ΙοΤ (ΝΒ-ΙοΤ) ως μια νέα εναλλακτική λύση για επικοινωνίες ΣμηΕΑσε απομακρυσμένες περιοχές, εφαρμόζοντας μηχανισμούς ¨αποθήκευσης και επα-ναπροώθησης’ και ενεργειακά αποδοτική μετάδοση δεδομένων. Επιπλέον, άλλες λύσεις επικοινωνιών, όπως εναέριοι κόμβοι αναμετάδοσης σήματος και υβριδικές αρχιτεκτονικές επικοινωνίας, αξιολογούνται πειραματικά, αποδεικνύοντας τη δυνατότητα διατήρησης συνδεσιμότητας σε περιοχές με περιορισμένη υποδομή. Τα αποτελέσματα των δοκιμών παρέχουν ποσοτικά στοιχεία σχετικά με την κατανάλωση ενέργειας, την καθυστέρηση, το ρυθμό μετάδοσης και τη σταθερότητατου συστήματος, επιβεβαιώνοντας την πρακτική εφαρμοσιμότητα της προτεινόμενης προσέγγισης. Η διατριβή οργανώνεται ως εξής. Το Κεφάλαιο 1 εισάγει τον αναγνώστη στο θέμα και παρουσιάζει τα κίνητρα και τις βασικές συνεισφορές της εργασίας. ΤοΚεφάλαιο 2 παρουσιάζει τα θεμέλια των τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται στην εργασία αυτή, καθώς και το υπόβαθρο της σχετικής έρευνας μέσα από τη διαθέσιμη βιβλιογραφία. Το Κεφάλαιο 3 περιγράφει τη μετατροπή ενός συμβατικού μη επανδρωμένου αεροσκάφους σε κόμβο δικτύου με υπολογιστική ισχύ. Το Κεφάλαιο 4 παρουσιάζει το τηλεπικοινωνιακό μέρος του συστήματος και αξιολογεί τις επιδόσεις του. Το Κεφάλαιο 5 παρουσιάζει την αρχιτεκτονική και ανάπτυξη του ευρύτερου οικοσυστήματος για τη δυναμική και αυτόνομη διαχείριση εφαρμογών. Το Κεφάλαιο 6 παρουσιάζει και αναλύει τις δοκιμές πεδίου, οι οποίες επαληθεύουν το οικοσύστημα που αναπτύχθηκε και τέλος, το Κεφάλαιο 7 συνοψίζει τα συμπεράσματα και τα αποτελέσματα της εργασίας, παραθέτει τους περιορισμούς του συστήματος που αναπτύχθηκε και προτείνει μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις.

Αποκατάσταση και αξιολόγηση κινητικής λειτουργικότητας άκρας χείρας βάσει υπολογιστικής όρασης με κλινική μελέτη και επικύρωση σε ασθενείς από εγκεφαλικό επεισόδιο

Επιβλέπων: Τσελίκας Νικόλαος

Περίληψη: Τα κινητικά ελλείμματα της άκρας χείρας που προκαλούνται από αγγειακό εγκεφαλικό επεισόδιο παραμένουν μία από τις πιο συχνές και εξουθενωτικές συνέπειες στους ασθενείς, επηρεάζοντας σημαντικά τη λειτουργικότητα στην καθημερινότητα και την ποιότητα ζωής τους. Οι παραδοσιακές πρακτικές αποκατάστασης, παρότι κλινικά αποτελεσματικές, περιορίζονται συχνά από την ανάγκη για δια ζώσης αξιολογήσεις, την υποκειμενικότητα στις παρατηρησιακές μεθόδους και τη μειωμένη προσβασιμότητα για άτομα με κινητικούς ή υλικοτεχνικούς περιορισμούς. Οι προκλήσεις αυτές καθιστούν επιτακτική την ανάγκη για απομακρυσμένα, αντικειμενικά και επεκτάσιμα εργαλεία αποκατάστασης και αξιολόγησης, ικανά να υποστηρίξουν τόσο τους ασθενείς όσο και τους κλινικούς επαγγελματίες. Ανταποκρινόμενη σε αυτή την ανάγκη, η παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζει την ενσωμάτωση τεχνολογιών υπολογιστικής όρασης και επαυξημένης πραγματικότητας, σε πλαίσια αποκατάστασης της άκρας χείρας μετά από εγκεφαλικό επεισόδιο, με σκοπό την παροχή ακριβών και σε πραγματικό χρόνο αξιολογήσεων κινητικής απόδοσης, χωρίς την απαίτηση εξειδικευμένων αισθητήρων ή εξοπλισμού. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής περιλαμβάνεται η ανάπτυξη συστημάτων τόσο σε περιβάλλον επιτραπέζιου υπολογιστή όσο και σε φορητές συσκευές, τα οποία αξιοποιούν συμβατικές κάμερες και σύγχρονες τεχνικές υπολογιστικής όρασης για την προσομοίωση καθιερωμένων πρωτοκόλλων αποκατάστασης, όπως το τεστ Box and Block (BBT) και το τεστ λειτουργικότητας χεριού Sollerman (SHFT). Μέσω αλγοριθμικής παρακολούθησης της κίνησης του χεριού και αναγνώρισης χειρονομιών, οι προτεινόμενες εφαρμογές υπολογίζουν αυτόματα κλινικά σημαντικούς δείκτες με μη επεμβατικό και φιλικό προς τον χρήστη τρόπο. Η εργασία περιγράφει πλήρως την αρχιτεκτονική λογισμικού των συστημάτων αυτών, συμπεριλαμβανομένης της μοντελοποίησης αλληλεπίδρασης, της ερμηνείας κινήσεων και των μηχανισμών ενισχυμένης ανατροφοδότησης. Πέραν της παροχής μιας διαδραστικής εμπειρίας αποκατάστασης, και οι δύο υλοποιήσεις αξιολογήθηκαν αυστηρά ως προς την απόκριση, την ανθεκτικότητα και τη συνολική απόδοση υπό διάφορες υπολογιστικές και περιβαλλοντικές συνθήκες, επιβεβαιώνοντας τη τεχνική βιωσιμότητα της διάθεσης ψηφιακών εργαλείων υψηλής ακρίβειας για χρήση στο σπίτι. Για τη διασφάλιση της κλινικής εγκυρότητας και της ερμηνευσιμότητας των αποτελεσμάτων, διεξήχθη μελέτη κανονικοποίησης βασικών τιμών αναφοράς σε δείγμα υγιών ατόμων, με σκοπό τη δημιουργία ενός φυσιολογικού εύρους επιδόσεων. Η διαδικασία αυτή επιτρέπει την άμεση σύγκριση μεταξύ χρηστών και διευκολύνει την ακριβέστερη ανίχνευση κινητικών διαταραχών. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε κλινική μελέτη σε ηλικιωμένα άτομα που είχαν υποστεί αγγειακό εγκεφαλικό επεισόδιο, κατά την οποία τα αποτελέσματα του συστήματος συγκρίθηκαν με συμβατικές αξιολογήσεις από εξειδικευμένους θεραπευτές. Τα ευρήματα ανέδειξαν υψηλή συμφωνία μεταξύ αυτόματων και χειροκίνητων αξιολογήσεων, αποδεικνύοντας τη δυναμική των εργαλείων υπολογιστικής όρασης ως υποστηρικτικών μέσων στην κλινική λήψη αποφάσεων και την ενίσχυση της ενεργούς, αυτοκατευθυνόμενης αποκατάστασης. Συνολικά, η διατριβή αυτή προσφέρει ένα ισχυρό, επεκτάσιμο και κλινικά τεκμηριωμένο πλαίσιο για την ενίσχυση της αποκατάστασης της άκρας χείρας μέσω προσβάσιμων μεθόδων υπολογιστικής όρασης. Η διατριβή είναι οργανωμένη σε Ενότητες. Μετά την εισαγωγή (Ενότητα 1), η Ενότητα 2 παρουσιάζει τα θεμέλια της υπολογιστικής όρασης που στηρίζουν το σύστημα, συμπεριλαμβανομένων βασικών αλγορίθμων, αρχιτεκτονικών επιλογών και στρατηγικών υλοποίησης σε πραγματικό χρόνο. Εξετάζει επίσης την επαυξημένη πραγματικότητα ως διαδραστικό μέσο για την κινητική αποκατάσταση, αναλύοντας αρχές σχεδιασμού, εφαρμογές στον τομέα της υγείας και τεχνικούς περιορισμούς. Επιπλέον, η Ενότητα αυτή τοποθετεί το πλαίσιο της παρούσας διατριβής εντός των κλινικών προτύπων αποκατάστασης, περιγράφοντας εδραιωμένα πρωτόκολλα αποκατάστασης της άκρας χείρας και δοκιμασίες αποτίμησης της λειτουργικότητας, όπως τα BBT και SHFT. Τέλος, ανασκοπεί τις υπάρχουσες ψηφιακές προσαρμογές των δοκιμασιών αυτών, εντοπίζοντας ερευνητικά κενά, προκλήσεις ενσωμάτωσης αλλά και υλοποίησης. Η Ενότητα 3 περιγράφει την αρχιτεκτονική του προτεινόμενου συστήματος για επιτραπέζιο υπολογιστή, το οποίο περιλαμβάνει τις εικονικές δοκιμασίες και ένα προσαρμοσμένο παιχνίδι άσκησης που στοχεύει στην αύξηση της αφοσίωσης. Η Ενότητα 4 επεκτείνει το σύστημα σε φορητές συσκευές, παρουσιάζοντας τις προσαρμογές σχεδιασμού και υλοποίησης, για διευκόλυνση της χρήσης κατ' οίκον. Η Ενότητα 5 παρέχει συγκριτική αξιολόγηση των τεχνικών μετρικών απόδοσης μεταξύ των πλατφορμών, υπό διάφορες συνθήκες. Η Ενότητα 6 παρουσιάζει την κλινική επικύρωση του συστήματος μέσω κανονικοποίησης των αποτελεσμάτων και δοκιμών με ασθενείς μετά από εγκεφαλικό, αξιολογώντας διαγνωστικά και θεραπευτικά αποτελέσματα. Τέλος, η Ενότητα 7 συνοψίζει τις συμβολές της παρούσας διατριβής και προτείνει κατευθύνσεις για μελλοντική έρευνα και επέκταση του προτεινόμενου συστήματος.

Κλιμακώσιμη δεδομενοκεντρική ανάλυση εμπλουτισμού σε RNA μικρού μήκους

Επιβλέπων: Σκιαδόπουλος Σπυρίδων

Περίληψη: Τα microRNA (ή miRNA) είναι μόρια RNA μικρού μήκους που παίζουν έναν πολύ σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης, δηλαδή την παραγωγή πρωτεϊνών, οι οποίες αποτελούν σημαντικά δομικά και λειτουργικά τμήματα ενός κυττάρου. Τα miRNA "αποσιωπούν" τα γονίδια μέσω της πρόσδεσής τους με αυτά, σταματώντας την παραγωγή της αντίστοιχης πρωτεΐνης. Παρόλα αυτά, οι μηχανισμοί που διέπουν τη λειτουργία των miRNA είναι συνήθως αρκετά περίπλοκοι και σε συνδυασμό με το γεγονός ότι ο αριθμός των miRNA σε κάποιον οργανισμό μπορεί να φτάσει τις αρκετές χιλιάδες, γίνεται αντιληπτό ότι τα πειράματα σε ένα εργαστήριο μπορεί να είναι μια μακρά, δύσκολη και συχνά ακριβή διαδικασία. Επιπρόσθετα, κάποιοι επιστήμονες ενδιαφέρονται να συγκρίνουν τη γονιδιακή έκφραση ανάμεσα σε υγιή άτομα και άτομα που νοσούν από κάποια ασθένεια και χρειάζεται να ποσοτικοποιήσουν αυτή τη διαφορά μέσω στατιστικών μεθόδων. Για αυτό το λόγο, ερευνητές Βιοπληροφορικής έχουν αναπτύξει μεθόδους προσομοίωσης και αλγορίθμους σε υπολογιστή όπως η \emph{Ανάλυση εμπλουτισμού miRNA}, η οποία αποτελεί μια στατιστική τεχνική πρόβλεψης του κατά πόσο ένα σύνολο από miRNA μπορεί να επηρεάζει μια βιολογική λειτουργία. Μία από τις πρόσφατες προσεγγίσεις τέτοιων αναλύσεων αποτελεί ο αμερόληπτος λειτουργικός εμπλουτισμός για miRNA, που βασίζεται σε έναν σημαντικά μεγάλο αριθμό πράξεων μεταξύ συνόλων και με αυτόν τον τρόπο, οδηγεί σε χρόνους εκτέλεσης που έχουν τάξη μεγέθους ώρες ή ακόμα και μέρες.Στη διατριβή αυτή επιδιώκουμε να δώσουμε στον αμερόληπτο εμπλουτισμό miRNA, που αποτελεί μια υπολογιστικά εντατική δεδομενοκεντρική ανάλυση, μια πιο κλιμακώσιμη μορφή, χρησιμοποιώντας τεχνικές διαχείρισης δεδομένων και άλλες μεθόδους της επιστήμης υπολογιστών. Αρχικά εξετάζουμε την απόδοση μια δομής δεδομένων, που ονομάζεται διανύσμα από bit, σε σύγκριση με την απόδοση των πινάκων κατακερματισμού για αναπαράσταση συνόλων και προτείνουμε μία νέα, υβριδική προσέγγιση για τη μείωση του χρόνου εκτέλεσης. Παράλληλα, βελτιστοποιούμε την ανάλυση εισάγοντας δύο νέα ευρετήρια που χρησιμοποιούνται για την εξάλειψη πράξεων συνόλων που εκτελούνται περισσότερες από μία φορές καθώς και για να φιλτράρουν πιθανά στατιστικά ασήμαντες συσχετίσεις ανάμεσα σε miRNA και βιολογικές λειτουργίες. Επιπρόσθετα, δείχνουμε ότι η τεχνολογία αιχμής παρουσιάζει μειωμένη ευαισθησία στα ψευδώς αρνητικά αποτελέσματα και επίσης προτείνουμε μία τροποποίηση στον στατιστικό πυρήνα της ανάλυσης προκειμένου να αυξήσουμε την ποιότητά της. Επιπλέον, προτείνουμε μία προσέγγιση πρόβλεψης p-values σε πραγματικό χρόνο αντί του πλήρους αναλυτικού υπολογισμού μέσω της χρήσης εποπτευόμενων τεχνικών μηχανικής μάθησης. Τέλος, εισάγουμε τεχνικές διαχείρισης και ανάλυσης δεδομένων κατά τη σχεδίαση διαδικτυακών εργαλείων, προκειμένου να επιτύχουμε αναλύσεις πραγματικού χρόνου. Tαυτόχρονα προσπαθούμε να καλύψουμε την ανάγκη για μια πλατφόρμα που διευκολύνει την αναπαραγωγή και την κλιμακώσιμη εκτέλεση κιβωτιοποιημένου λογισμικού σε περιβάλλον Νέφους που αποτελείται από μηχανές με ετερογενή χαρακτηριστικά.

Μοντέλα απωλειών κλήσεων μονοδιάστατης ή πολυδιάστατης τηλεπικοινωνιακής κίνησης σε ασύρματα δίκτυα τεχνολογίας cloud RAN

Επιβλέπων: Μοσχολιός Ιωάννης

Περίληψη: Στην πέμπτη γενιά (5G) των ασύρματων δικτύων κυψελοειδούς τεχνολογίας έχει αναδειχτεί μια ευέλικτη αρχιτεκτονική διάταξη η επονομαζόμενη Cloud Radio Access Network (C-RAN). H αρχιτεκτονική C-RAN αποτελείται από πολλαπλά Βase Station (BS) τα οποία σχηματίζουν ένα κεντρικό δίκτυο. Κάθε BS χωρίζεται σε Remote Radio Head (RRH) και Baseband Unit (BBU). Τα BBU συγκεντρώνονται σε ένα υπολογιστικό κέντρο και χαρακτηρίζονται ως Virtualized Baseband Unit (V-BBU) ενώ η σύνδεση των V-BBU με τα RRH πραγματοποιείται μέσω ζεύξεων fronthaul.Εξετάζουμε τα δίκτυα τεχνολογίας C-RAN σε επίπεδο κλήσεων και πιο συγκεκριμένα μελετούμε την έννοια της απώλειας κλήσης. Μια εισερχόμενη κλήση, για να εξυπηρετηθεί, χρειάζεται πόρους από το RRH (στο οποίο αφίχθηκε) και από το V-BBU (από το υπολογιστικό κέντρο). Η χωρητικότητα του RRH εκφράζεται σε ράδιο μονάδες πόρων, ενώ του V-BBU σε υπολογιστικές μονάδες πόρων. Διακρίνουμε τα RRH σε ομοιογενή, όταν έχουν την ίδια χωρητικότητα, και σε ετερογενή, όταν έχουν διαφορετική χωρητικότητα. Η τηλεπικοινωνιακή κίνηση είναι μονοδιάστατη όταν κάθε κλήση, προκειμένου να εξυπηρετηθεί, απαιτεί τον ίδιο αριθμό μονάδων πόρων και πολυδιάστατη όταν υπάρχουν κλήσεις με διαφορετικές απαιτήσεις σε αριθμό μονάδων πόρων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή τα ασύρματα δίκτυα τεχνολογίας C-RAN μελετιούνται ως συστήματα απωλειών. Στο πρώτο μέρος της διατριβής παρουσιάζονται 14 μοντέλα απωλειών (από τα οποία 12 είναι πρωτότυπα και προτείνονται στα πλαίσια της παρούσης διατριβής), που περιγράφουν συστήματα C-RAN καλύπτοντας τις περιπτώσεις κατά τις οποίες: το C-RAN διαθέτει είτε ομοιογενή είτε ετερογενή RRH, η τηλεπικοινωνιακή κίνηση είναι είτε μονοδιάστατη είτε πολυδιάστατη και η διαδικασία άφιξης των κλήσεων είναι είτε τυχαία (ανέλιξη Poisson), είτε ψευδοτυχαία (οι κλήσεις παράγονται από πεπερασμένο αριθμό πηγών κλήσεων), είτε τυχαία κατά ομάδες (οι κλήσεις αφικνούνται σε ομάδες, το πλήθος των κλήσεων σε κάθε ομάδα είναι τυχαίο, ενώ η άφιξη των ομάδων ακολουθεί την ανέλιξη Poisson).Στο δεύτερο μέρος της διατριβής εξετάζονται μοντέλα απωλειών πολυδιάστατης κίνησης υπό την πολιτική Threshold Call Admission (TCA). Παρουσιάζονται δύο μοντέλα απωλειών (το ένα είναι πρωτότυπο και προτεινόμενο) που καλύπτουν την τυχαία ή ψευδοτυχαία άφιξη κλήσεων.Στα συστήματα απωλειών, που δέχονται πολυδιάστατη τηλεπικοινωνιακή κίνηση, οι κλήσεις ομαδοποιούνται σε κλάσεις υπηρεσιών βάσει των μονάδων των πόρων που χρειάζονται για να εξυπηρετηθούν. Στα μοντέλα, με την πολιτική TCA, οι κλήσεις της ίδιας κλάσης υπηρεσίας χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: νέες κλήσεις (new calls) και κλήσεις μεταπομπής (handover calls). Η πολιτική TCA θεωρεί ένα κατώφλι (που εκφράζει έναν αριθμό κλήσεων υπό την εξυπηρέτηση) για κάθε κλάση υπηρεσίας, στην υπέρβαση του οποίου οι νέες κλήσεις απορρίπτονται, ενώ οι κλήσεις μεταπομπής γίνονται δεκτές, εφόσον υπάρχουν διαθέσιμες μονάδες πόρων για την κλάση υπηρεσίας στην οποία ανήκουν. Όλα τα εξεταζόμενα μοντέλα αναλύονται ως Μαρκοβιανές αλυσίδες σε συνεχή χρόνο και αποδεικνύεται ότι η κατανομή της μόνιμης κατάστασης (steady state) εκφράζεται ως λύση μορφής γινομένου. Με βάση τη λύση αυτή, αναπτύσσεται ένας συνελικτικός αλγόριθμος ο οποίος επιτρέπει τον ακριβή υπολογισμό διαφόρων μετρικών εκτίμησης του συστήματος, κυρίως των πιθανοτήτων απώλειας κλήσης και συμφόρησης στον χρόνο, αλλά και την αξιοποίηση της χωρητικότητας του συστήματος. Τα αναλυτικά αποτελέσματα των συνελικτικών αλγορίθμων επικυρώθηκαν με τα αποτελέσματα προσομοίωσης μέσω παραδειγμάτων.

Περίληψη: Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται η επιτυχημένη δοκιμή ενός συστήματος ηλεκτρονικής μύτης, καθώς και όλη η έρευνα που χρειάστηκε για να προκύψει αυτή, και η οποία έχει ως σκοπό την ανίχνευση παγιδευμένων ανθρώπων καθώς και επικίνδυνων ατμοσφαιρικών καταστάσεων στα ερείπια κτηρίων σε περιπτώσεις επιχειρήσεων έρευνας και διάσωσης σε αστικά περιβάλλοντα. Εισαγωγικά παρουσιάζεται το πεδίο εφαρμογής στο οποίο προσπαθεί να δώσει λύσεις αυτή η εργασία, οι υπάρχουσες λύσεις και μέθοδοι με ή χωρίς αισθητήρες αερίων, καθώς επίσης αναλύεται το περιβάλλον από τη σκοπιά της ανίχνευσης. Παρουσιάζονται οι τεχνολογίες ανίχνευσης και οι δυνατότητές τους. Επίσης παρουσιάζονται οι τυπικές και αναμενόμενες ουσίες/αέρια που είναι δείκτες της ανθρώπινης παρουσίας και παράγεται μια εκτίμηση για την δυνατότητα ανίχνευσής τους με κάποιους δεδομένους περιορισμούς στους οποίους πρέπει να ακολουθεί η λύση ώστε αυτή να μπορεί να χρησιμοποιηθεί πρακτικά σε πραγματικές συνθήκες. Η έρευνα έγινε με σταδιακή εμβάθυνση στο πρόβλημα, αρχικά επιβεβαιώνοντας, πρώτα θεωρητικά και μετά εργαστηριακά, την βιωσιμότητα της προτεινόμενης προσέγγισης - τη χρήση αισθητήρων για τη μέτρηση συγκέντρωσης αερίων, θερμοκρασίας, υγρασίας και ατμοσφαιρικής πίεσης. Μετά την επιτυχημένη δοκιμή της ακολουθούμενης προσέγγισης, σχεδιάστηκε και δοκιμάστηκε επιτυχημένα σε κλειστούς χώρους με συνθήκες αρκετά κοντινές στις πραγματικές, ένα σύστημα ηλεκτρονικής μύτης που έχει τη δυνατότητα ανίχνευσης της ανθρώπινης παρουσίας. Η μέθοδος της δοκιμής επιβεβαίωσε τη δυνατότητα ανίχνευσης ανθρώπινης παρουσίας με μέθοδο αναζήτησης από την επιφάνεια των ερειπίων. Δεδομένης αυτής της επιτυχίας, σχεδιάστηκε και δοκιμάστηκε σε σχεδόν πραγματικές συνθήκες νέο σύστημα ηλεκτρονικής μύτης το οποίο τοποθετήθηκε πάνω σε ρομποτική πλατφόρμα η οποία έχει τη δυνατότητα να κινείται μέσα στα ερείπια. Αυτή η ηλεκτρονική μύτη έχει τη δυνατότητα να ανιχνεύει ανθρώπινη παρουσία καθώς επίσης και διάφορες τυπικές επικίνδυνες ατμοσφαιρικές καταστάσεις μέσα στα ερείπια. Ταυτόχρονα, με την μείωση του όγκου της νέας και τελικής ηλεκτρονική μύτης και την αύξηση των δυνατοτήτων ανίχνευσης, βελτιώθηκε δραστικά η διεπαφή του χειριστή του συστήματος με την υλοποίηση και ενσωμάτωση λογικής που παράγει απλές εξόδους/ενδείξεις για τις ανιχνευόμενες καταστάσεις. Τέλος, μελετούνται άλλες περιπτώσεις χρήσης αυτής της ηλεκτρονικής μύτης καθώς και οι απαραίτητες προσαρμογές που θα χρειάζονταν για κάθε περίπτωση. Το κείμενο της διατριβής είναι στην Αγγλική γλώσσα.

Evidence transfer: μια ευέλικτη μέθοδος εκμάθησης αναπαραστάσεων για τη διαδικασία σύντηξης πληροφορίας

Επιβλέπων: Σκιαδόπουλος Σπυρίδων

Περίληψη: Τα τελευταία χρόνια, η διαδικασία συλλογής ολοένα και περισσότερων δεδομένων έχει ως αποτέλεσμα την ύπαρξη πληθώρας δεδομένων. Μετά τη διερεύνηση αποτελεσματικών τρόπων αποθήκευσης, διαχείρισης και συλλογής δεδομένων μεγάλης κλίμακας ή ποικίλων τύπων, το ερευνητικό ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας μετατοπίστηκε στην εξαγωγή πληροφορίας από τέτοιου είδους συλλογές. Η βαθιά μάθηση (deep learning) χρησιμοποιείται συχνά για τη διαδικασία εξαγωγής πολύτιμης πληροφορίας. Οι μέθοδοι βαθιάς μάθησης ευδοκιμούν με σύνολα δεδομένων μεγάλης κλίμακας, λόγω της ικανότητάς τους να μαθαίνουν εναλλακτικές αναπαραστάσεις από ακατέργαστες παρατηρήσεις. Η διαθέσιμη πληθώρα δεδομένων επιτρέπει την εκμάθηση γενικευμένων αναπαραστάσεων. Με τη σειρά τους, οι γενικευμένες αναπαραστάσεις επιτρέπουν την αποτελεσματική εκμάθηση πολύπλοκων εργασιών. Παρά τις επιτυχείς προσπάθειες για την εξαγωγή πληροφοριών από μεμονωμένες πηγές δεδομένων ή τύπους δεδομένων, η αντιμετώπιση πολλαπλών διαφορετικών πηγών δεδομένων παραμένει ένα ανοιχτό ερώτημα στην επιστημονική κοινότητα. Η εκμάθηση αναπαραστάσεων (representation learning) επιτρέπει τον συνδυασμό και την αντιπαράθεση πολλαπλών διαφορετικών πηγών δεδομένων σε έναν χώρο κοινό, ουσιαστικό και χαμηλότερων διαστάσεων. Ωστόσο, τα τυπικά πλαίσια μάθησης για κοινή εκμάθηση αναπαραστάσεων (joint representation learning) πρέπει να αντιμετωπίσουν μια πληθώρα προκλήσεων. Αρχικά, οι αρχιτεκτονικές αποφάσεις των εμπλεκόμενων νευρωνικών δικτύων είναι συχνά προϊόντα προερχόμενα από διαδικασίες ή αποφάσεις που εμπλέκουν ανθρώπινη παρέμβαση (μη αυτόματες). Οι συγκεκριμένες διαδικασίες ή αποφάσεις συνήθως αφορούν συγκεκριμένες εφαρμογές και σπάνια γενικεύονται σε πολλαπλούς τομείς ή εργασίες. Ταυτόχρονα, η απευθείας σύνδεση πηγών δεδομένων στα επίπεδα εισόδου του νευρωνικού δικτύου εισάγει μια προσδοκία σταθερής διαθεσιμότητας. Ωστόσο, σε πραγματικές εφαρμογές, η προσδοκία διαθεσιμότητας όλων των πηγών δεδομένων δεν είναι ρεαλιστική. Επιπλέον, η επίδοση των τυπικών πλαισίων μάθησης μπορεί να μειωθεί κατά τη χρήση περιττών ή μη συμπληρωματικών πηγών δεδομένων. Η αντιμετώπιση μια τέτοιας συμπεριφοράς, επίσης απαιτεί τη χρήση μη-αυτόματων διαδικασιών. Η χειρωνακτική εργασία που καταβάλλεται, σκοπεύει στη δημιουργία συγκεκριμένων υποθέσεων ή κανόνων που θα διασφαλίζουν τη σταθερότητα ή στην κατανόηση των περίπλοκων σχέσεων μεταξύ των πηγών δεδομένων, προκειμένου να αποφευχθούν οι μη συμπληρωματικές σχέσεις. Σε αυτή τη διατριβή, διερευνάται η υπόθεση ότι η χρήση εξωτερικών δεδομένων βελτιώνει την εκμάθηση αναπαραστάσεων. Η παραπάνω έρευνα καταλήγει στην πρόταση μιας μεθόδου εκμάθησης αναπαραστάσεων, που ονομάζεται Evidence Transfer (EviTraN). Η EviTraN είναι ένα ευέλικτο και αυτοματοποιημένο σχήμα σύντηξης πληροφορίας (information fusion) που βασίζεται στην εκμάθηση αναπαραστάσεων, τη μεταφορά μάθησης (transfer learning) και την υβριδική μοντελοποίηση (hybrid modelling). Επιπλέον, προτείνεται μια σειρά κριτηρίων αξιολόγησης για την εκμάθηση αναπαραστάσεων για τους σκοπούς της σύντηξης πληροφοριών. Ακόμα, η διατριβή περιλαμβάνει μια θεωρητική ερμηνεία της παραπάνω μεθόδου, βασισμένη στη σύγκριση με τη μέθοδο Information Bottleneck, η οποία αποτελεί θεμέλιο λίθο για επεξηγηματική μοντελοποίηση και ανοιχτή επιστήμη. Η διαδικασία αξιολόγησης της EviTraN περιλαμβάνει επίσης ένα ρεαλιστικό σενάριο ανίχνευσης έντονων καιρικών συνθηκών χωρίς επίβλεψη, αποδεικνύοντας έτσι τον αντίκτυπό της, καθώς και την πιθανή χρήση της σε πρόσθετες πραγματικές εφαρμογές. Η πειραματική αξιολόγηση με τεχνητά παραγόμενες, καθώς και ρεαλιστικές πηγές πληροφορίας υποδηλώνει ότι η EviTraN είναι μια σταθερή και αποτελεσματική μέθοδος. Επιπλέον, είναι ευέλικτη, καθώς επιτρέπει την εισαγωγή ποικίλων σχέσεων, συμπεριλαμβανομένων των μη συμπληρωματικών. Ακόμα, λόγω της διαδικασίας εκμάθησής της που βασίζεται στη μεταφορά εκμάθησης (transfer learning), είναι ένα αρθρωτό σχήμα σύντηξης που δεν απαιτεί να υπάρχουν όλες οι πηγές δεδομένων κατά την εξαγωγή συμπερασμάτων (μόνο δεδομένα που ανήκουν στην κύρια συλλογή δεδομένων).

Η διδασκαλία του αλγοριθμικού προγραμματισμού στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση με χρήση ήχου

Επιβλέπων: Τσελίκας Νικόλαος

Περίληψη: Στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση, ενώ επιτυγχάνουμε τους στόχους του προγράμματος σπουδών, θεωρείται δύσκολο να διδάξουμε τον προγραμματισμό (αρκετές μελέτες παρουσιάζονται σ’ αυτήν την έρευνα). Ωστόσο, όταν η διδασκαλία υποστηρίζεται από κατάλληλες μεθοδολογίες, η μαθησιακή διαδικασία μπορεί να βελτιωθεί. Στο πλαίσιο αυτό, σε πρώτη φάση, στο Κεφάλαιο 1, που αποτελεί το εισαγωγικό κεφάλαιο,περιγράφεται ο ρόλος και ο σκοπός του αλγοριθμικού προγραμματισμού στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση, καθώς και τα ερευνητικά ερωτήματα, ο σκοπός και η διάρθρωση της διατριβής. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μία συνοπτική αναδρομή στη σημερινή κατάσταση των εκπαιδευτικών εργαλείων. Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τις διαφορετικές προσεγγίσεις διδασκαλίας του προγραμματισμού στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση και εξετάζει στα Κεφάλαια 3, 4 και 5 το πιθανό όφελος των ηχητικών σημάτων ως συμπληρωματικό εργαλείο διδασκαλίας. Βασίζεται σε μεθοδολογία συμμετοχικής παρατήρησης, πειραματισμού, ποσοτικής, ποιοτικής ανάλυσης και αξιολόγησης.Επιπλέον, παρουσιάζονται η περιγραφή, η ανάλυση, η αξιολόγηση των προτεινόμενων διδακτικών σεναρίων και στο Κεφάλαιο 6 τα συμπεράσματα των μαθητών. Δημιουργήθηκαν ηχητικές ειδοποιήσεις με αντιστοίχιση διαφορετικών ερεθισμάτων ήχου σε συγκεκριμένες ενέργειες και λειτουργίες προγραμματισμού, όπως η επιτυχής ανάθεση του σωστού τύπου δεδομένων σε μια μεταβλητή. Τόσο η επιλογή των ηχητικών ερεθισμάτων, όσο και η χρήση των ηχητικών σημάτων στον προγραμματισμό, αξιολογήθηκαν μέσω υποκειμενικών μελετών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι συμμετέχοντες προτιμούν τους τεχνητούς ήχους σε σχέση με τους φυσικούς (προ-καταγεγραμμένους) για όλους τους τύπους προειδοποιήσεων. Διαπιστώθηκε, επίσης, ότι οι χρήστες προτιμούν τις προειδοποιήσεις ήχου που σχετίζονται με ενέργειες που πρόκειται να γίνουν, τα σφάλματα, την επιτυχή εκτέλεση κώδικα, έλεγχο συνθηκών και τις επαναληπτικές διαδικασίες, σηματοδοτώντας την εκτέλεση βήμα προς βήμα του κώδικα. Τα αποτελέσματα των δοκιμών έδειξαν ότι οι μαθητές κατανοούν καλύτερα τις έννοιες και τη χρήση εντολών κώδικα όταν χρησιμοποιούν ένα περιβάλλον προγραμματισμού εμπλουτισμένο με ήχο, από ένα συμβατικό περιβάλλον.Η διατριβή ολοκληρώνεται με την παρουσίαση της πιθανής μελλοντικής εξέλιξης και αξιοποίησης του προτεινόμενου μοντέλου στα μελλοντικά προγραμματιστικά περιβάλλοντα διδασκαλίας στο Κεφάλαιο 7, καθώς και με την αξιολόγηση των σημαντικότερων αποτελεσμάτων της προσέγγισης. Αυτά τα αποτελέσματα είναι το κίνητρο για τη δημιουργία μιας βάσης δεδομένων ηχητικών και φωνητικών μηνυμάτων και ενός νέου ολοκληρωμένου εκπαιδευτικού εργαλείου που χρησιμοποιεί τον ήχο, που θα αποτελέσει ένα νέο βοήθημα για τους εκπαιδευτικούς ώστε να μπορέσουν να διδάξουν αποτελεσματικότερα τον αλγοριθμικό προγραμματισμό στους μαθητές τους, να ενισχύσουν-βελτιώσουν τη διάδραση στην τάξη και να χρησιμεύσει στην περαιτέρω έρευνα για τα οφέλη του ήχου και την ψυχοακουστική αντίληψη των εφήβων.

Θεωρητική μελέτη και ανάπτυξη φωτονικών διατάξεων και αισθητήρων

Επιβλέπων: Βλάχος Δημήτριος

Περίληψη: Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετώνται θεωρητικά και πειραματικά καινοτόμες φωτονικές πλατφόρμες που βασίζονται είτε σε πλασμονικές δομές είτε σε συστήματα αισθητήρων που χρησιμοποιούν λειτουργικά πολυμερικά υλικά. Η πρώτη δομή που μελετάται είναι οπτικές ίνες κωνικής δομής επικαλυμμένες με λεπτό στρώμα μετάλλου. Η ενσωμάτωση στον μανδύα μιας μικρής επιφανειακής ασυνέχειας (Plasmonic Slot Nano-Resonators - PSNRs), η οποία μπορεί να έχει μία ποικιλία σχημάτων, προκαλεί τη συγκέντρωση του πεδίου στην ασυνέχεια αυτή λόγω πλασμονικού συντονισμού με αποτέλεσμα να ενισχυθεί η έντασή του μερικές τάξεις μεγέθους. Οι ιδιότητες των τρόπων διάδοσης σε αυτές τις δομές διερευνώνται μέσω προσομοιώσεων με μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element Method - FEM) για τον προσδιορισμό των παραμέτρων βελτιστοποίησής τους. Διαπιστώθηκε ότι η τοποθέτηση ενός PSNR στην ακτίνα αποκοπής μίας επιστρωμένης με μέταλλο οπτικής ίνας κωνικής δομής, όπου η ομαδική ταχύτητα τείνει στο μηδέν, οδηγεί σε σημαντική ενίσχυση της έντασης του πεδίου. Η μέγιστη ένταση του πεδίου εντός των PSNRs παρουσιάζει γραμμική εξάρτηση μεταξύ του μήκους κύματος διέγερσης και της ακτίνας της οπτικής ίνας όπου είναι τοποθετημένο το PSNR, καθιστώντας εφικτή την επιλογή της κατάλληλης ακτίνας για την τοποθέτησή του για ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος διέγερσης προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη ενίσχυση του πεδίου. Η δεύτερη πλασμονική δομή που μελετήθηκε είναι μεταλλικές ακίδες που μπορούν να προσφέρουν υψηλή ένταση πεδίου στην κορυφή τους. Η προτεινόμενη πλατφόρμα που βασίζεται σε υβριδικές μικροΐνες γυάλινου μανδύα-μεταλλικού πυρήνα παρέχει μηχανική αντοχή και επιτρέπει την επαναδιέγερση των πλασμονικών κυμάτων λόγω ολικής ανάκλασης στην διεπιφάνεια γυαλιού/αέρα με αποτέλεσμα να μειώνονται δραματικά οι υψηλές απώλειες που προκαλούνται από τον μεταλλικό πυρήνα. Μια βελτιστοποιημένη διαδικασία κατασκευής υψηλής ποιότητας πλασμονικών ακίδων μπορεί να επιτευχθεί με λέπτυνση των ινών με θέρμανση και ταυτόχρονο εφελκυσμό ώστε να δημιουργηθούν περιοχές μειούμενης διαμέτρου. Για το σκοπό αυτό, η αστάθεια Plateau-Rayleigh σε τέτοιες υβριδικές ίνες διερευνάται θεωρητικά μέσω προσομοιώσεων FEM για διαφορετικές θερμοκρασίες και συγκρίνεται με τη θεωρία αστάθειας του Tomotika ώστε να υπολογιστεί ο χρόνος διάσπασης του συνεχούς πυρήνα. Τα θεωρητικά αποτελέσματα είναι σε συμφωνία με τις πειραματικές παρατηρήσεις και παρέχουν γνώση της μηχανικής των υβριδικών αυτών ινών για την ανάπτυξη πλασμονικών ακίδων. Οι πλασμονικές ακίδες αναπτύχθηκαν επιτυχώς με ελεγχόμενο τρόπο και η απόδοσή τους συγκρίνεται με τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων που προβλέπουν υψηλούς συντελεστές ενίσχυσης του πεδίου έως 10^5. Οπτικές ίνες επικαλυμμένες με καινοτόμα πολυμερή μελετώνται επίσης για την ανάπτυξη βιο-αισθητήρων. Ο μηχανισμός ανίχνευσης βασίζεται στις μεταβολές της μετρούμενης ισχύος στο απομακρυσμένο άκρο της ίνας λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ του αποσβενυόμενου πεδίου της ίνας και των αλλαγών που προκαλούνται στο πολυμερικό στρώμα λόγω της προσρόφησης των υπό μελέτη μορίων. Δύο νέα αμφίφιλα συμπολυμερή κατά συστάδες, το κατιονικό PMMA117-b-PDMAEMA16 και το κατιονικό PMMA117-bP (DMAEMA17-VSTEMA2), που έχουν τόσο υδρόφοβο πολυ(μεθακρυλικού μεθυλεστέρα) (ΡΜΜΑ) όσο και υδρόφιλο πολυ(μεθακρυλικός εστέρας της 2-διμεθυλαμινο αιθανόλης) (PDMAEMA) σχεδιάστηκαν και συντέθηκαν για την ανίχνευση πρωτεϊνών. Η παρουσία του κατιονικού μέρους PDMAEMA και των διπλών δεσμών βινυλοσουλφόνης επιτρέπει την αναστρέψιμη ηλεκτροστατική προσρόφηση αρνητικά φορτισμένων πρωτεϊνών όπως η bovine serum albumin (BSA) καθώς και τη μη αναστρέψιμη χημική σύνδεση λόγω αντίδρασης της θειολίνης με την κυστεΐνη των πρωτεϊνών, αντίστοιχα. Η ικανότητα ανίχνευσης αυτών των υλικών αξιολογήθηκε και επιβεβαιώθηκε τόσο με ανάλυση ATR-FTIR όσο και με τον χαρακτηρισμό οπτικών ίνων πυριτίας επικαλυμμένες με λεπτό στρώμα συμπολυμερούς. Μελετήθηκε επίσης η κατασκευή πλεγμάτων μικρο-ινών φθορισμού από πολυμερή και ο χαρακτηρισμός τους ως αισθητήρες. Ο σχηματισμός τρισδιάστατων πλεγμάτων ινών προσφέρει μεγάλη περιοχή αλληλεπίδρασης με τα προς ανίχνευση μόρια και έτσι μπορούν να ξεπεραστούν οι περιορισμοί κορεσμού που παρατηρούνται σε πολυμερικές επιφάνειες με συνέπεια την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών αισθητήρων. Αναπτύχθηκαν δύο διαφορετικά πλέγματα μικρο-ινών με βάση πολυμερή που περιείχαν φθορίζουσες ουσίες. Το πρώτο κατασκευάστηκε από ένα καλά καθορισμένο μεθακρυλικό ομοπολυμερές που περιείχε ανθρακένιο ως φθορίζουσα ουσία για την παραγωγή πλέγματος φθοριζόντων ινών πολυμερούς. Αυτά τα υλικά χαρακτηρίστηκαν ως προς την ανίχνευση αμμωνίας και παρουσίασαν γρήγορη απόκριση σε συγκέντρωση έως 10000 ppm ατμών αμμωνίας. Για την κατασκευή του δεύτερου φθορίζοντος πλέγματος μικρο-ινών συντέθηκαν νανοσωματίδια (NPs) πυρήνα σιδήρου-κελύφους πυριτίας που αποτελούνται από πολυ-νανοσωματιδιακό μαγνητικό πυρήνα γ-Fe2O3 και εξωτερικό κέλυφος πυριτίας και συνδέονται ομοιοπολικά με φθορίζοντα μόρια ροδαμίνης Β (RhB) (γ-Fe203/SiO2/RhB NPs). Τα προκύπτοντα γ-Fe2O3/Si02/RhB NPs ενσωματώθηκαν σε ένα ανανεώσιμο και φυσικά άφθονο παράγωγο κυτταρίνης (οξική κυτταρίνη - CA) το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή πλεγμάτων μικρο-ινών φθορισμού. Η ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων εντός των ινών και η ομοιοπολική σύνδεση του Rhb στις επιφάνειες των νανοσωματιδίων εμποδίζουν τη διαρροή της φθορίζουσας ουσίας από το ινώδες πλέγμα, επιτρέποντας έτσι τη σταθερή λειτουργία φθορισμού των αναπτυγμένων υλικών. Η απόδοση των υλικών αυτών αξιολογήθηκε τόσο ως προς την ανίχνευση αέριας αμμωνίας όσο και για τη μέτρηση pΗ, επιδεικνύοντας συνεπή απόκριση σε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις αμμωνίας (μέχρι 12000 ppm) και γρήγορη και γραμμική απόκριση σε αλκαλικά και όξινα περιβάλλοντα. Επιπλέον η μαγνητική φύση των ενσωματωμένων νανοσωματιδίων παρέχει τη δυνατότητα ελέγχου της μορφολογίας των πλεγμάτων μικρο-ινών με την εφαρμογή εξωτερικού μαγνητικού πεδίου καθιστώντας δυνατή τη χρήση τους σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών ανίχνευσης.

Κλιμακώσιμη δεικτοδότηση και εξερεύνηση μεγάλων δεδομένων χρονοσειρών

Επιβλέπων: Σκιαδόπουλος Σπυρίδων

Περίληψη: Στις μέρες μας, σε πολλές βιομηχανικές και ερευνητικές εφαρμογές (π.χ., διαδίκτυο των πραγμάτων, αστρονομία, οικονομικά, βιολογία), δημιουργείται και αποθηκεύεται μεγάλος όγκος δεδομένων χρονοσειρών. Ένα σημαντικό ποσοστό αυτών αποτελούν οι γεωχωρικές χρονοσειρές, δηλαδή εκείνες οι οποίες σχετίζονται με συγκεκριμένες τοποθεσίες. Τα τελευταία χρόνια, πληθώρα επιστημονικών άρθρων μελετά μεθόδους αναζήτησης ομοιότητας σε δεδομένα χρονοσειρών αψηφώντας τη γεωχωρική τους υπόσταση, η οποία θα επέτρεπε υβριδικά ερωτήματα, βασισμένα –εκτός από την ομοιότητα στο πεδίο του χρόνου– στη χωρική εγγύτητα των χρονοσειρών. Παράλληλα, ενδιαφέρον παρουσιάζει το πρόβλημα εντοπισμού ζευγαριών και ομάδων τοπικά όμοιων, συνεξελισσόμενων χρονοσειρών. Συγκεκριμένα, οι ομάδες αυτές αποτελούνται από χρονοσειρές των οποίων οι τιμές σε οποιαδήποτε υπακολουθία τους δεν διαφέρουν περισσότερο από ένα δoθέν κατώφλι. Ο εντοπισμός τέτοιων ομάδων μπορεί να φανερώσει χρήσιμα κοινά τοπικά μοτίβα και τάσεις σε δεδομένα χρονοσειρών. Επίσης, πληθώρα επιστημονικών άρθρων επικεντρώνεται στην οπτικοποίηση και οπτική ανάλυση δεδομένων χρονοσειρών. Η αποδοτική οπτική εξερεύνηση γεωχωρικών χρονοσειρών, όμως, δεν έχει μελετηθεί επαρκώς. Τέλος, η αποδοτική πρόβλεψη δεδομένων χρονοσειρών μεγάλης κλίμαkας είναι ένα ακόμη πεδίο έρευνας το οποίο έχει κεντρίσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, λόγω των διαφόρων ιδιαιτεροτήτων του συγκεκριμένου τύπου δεδομένων. Στη διατριβή αυτή, παρουσιάζουμε ένα υβριδικό ευρετήριο με το όνομα BTSR-tree, το οποίο μπορεί αποδοτικά να απαντήσει υβριδικά ερωτήματα αναζήτησης ομοιότητας. Επιπροσθέτως, επικεντρωνόμαστε στο πρόβλημα των υβριδικών συνδέσεων ομοιότητας σε δεδομένα γεωχωρικών χρονοσειρών. Για την επίλυσή του, προτείνουμε κεντρικούς και κατανεμημένους αλγορίθμους βασισμένους στη μέθοδο MapReduce, με τη χρήση υβριδικών και μη ευρετηρίων. Στη συνέχεια, σχετικά με το πρόβλημα εντοπισμού ζευγαριών και ομάδων τοπικά όμοιων συνεξελισσόμενων χρονοσειρών, προτείνουμε μια μέθοδο φιλτραρίσματος-επαλήθευσης, η οποία επικεντρώνεται σε συγκεκριμένα σημεία ελέγχου στο πεδίο του χρόνου, επιταχύνοντας τη διαδικασία. Παράλληλα, προτείνουμε μεθόδους απάντησης υβριδικών ερωτημάτων τοπικής ομοιότητας σε δεδομένα γεωχωρικών χρονοσειρών μεγάλου όγκου. Για την υποστήριξη τέτοιων ερωτημάτων, εισάγουμε μια επέκταση του ευρετηρίου BTSR-tree, με το όνομα SBTSR-tree, το οποίο βελτιστοποιεί την βασισμένη σε τοπική ομοιότητα αναζήτηση. Στη συνέχεια, παρουσιάζουμε δυο προσεγγίσεις βασισμένες σε υβριδικά ευρετήρια, οι οποίες επιτρέπουν την αποδοτική εξερεύνηση δεδομένων γεωχωρικών χρονοσειρών μεγάλου όγκου με τη χρήση οπτικοποιήσεων σε χάρτη. Για την πρώτη, χρησιμοποιούμε το προαναφερθέν υβριδικό ευρετήριο BTSR-tree. Η δεύτερη προσέγγιση βασίζεται σε μια επέκταση του υπάρχοντος ευρετηρίου χρονοσειρών iSAX, με το όνομα geo-iSAX. Συγκεκριμένα, παρουσιάζουμε τη δομή του νέου ευρετηρίου και μεθόδους αποδοτικής οπτικοποίησης τέτοιων δεδομένων. Τέλος, στο πλαίσιο της πρόβλεψης δεδομένων χρονοσειρών μεγάλης κλίμακας, παρουσιάζουμε ένα παράλληλο και κατανεμημένο πλαίσιο επεξεργασίας με το όνομα FML-kNN, το οποίο εκτελεί αποδοτικά κατηγοριοποίηση και παλινδρόμηση. Ο κεντρικός αλγόριθμός του πλαισίου είναι βασισμένος στη μέθοδο συνδέσεων k-πλησιέστερων γειτόνων και μπορεί να εκτελεστεί σε μια παράλληλη συνεδρία –σε αντίθεση με παρόμοιες μεθόδους–, επιτρέποντας, έτσι, την εκτέλεση σε δεδομένα μεγάλου όγκου, διαφόρων βαθμών λεπτομέρειας και διαστατικότητας. Όλοι οι αλγόριθμοι και μέθοδοι που παρουσιάζονται στην διατριβή αυτή αξιολογούνται πειραματικά και εμπειρικά, με τη χρήση συνθετικών ή δεδομένων πραγματικού κόσμου. Παράλληλα, συγκρίνονται με βασικές, ή υπάρχουσες μεθόδους αιχμής (state- of-the-art), αποδεικνύοντας την υπεροχή τους και επιβεβαιώνοντας την αποδοτικότητά τους.

Προηγμένες μέθοδοι φασματικής εκτίμησης

Επιβλέπων: Γλεντής Γεώργιος-Όθων

Περίληψη: Ο τομέας της σχεδίασης και μελέτης τεχνικών εκτίμησης φάσματος συνιστά θεμελιώδες πεδίο έρευνας εντός της ευρύτερης περιοχής της επεξεργασίας σήματος. Αν και διαχρονικά ο τομέας αυτός αποτελεί αντικείμενο σημαντικής ερευνητικής δραστηριότητας, το τελευταίο διάστημα καταγράφεται διαρκώς αυξανόμενο ερευνητικό ενδιαφέρον για μια συγκεκριμένη κατηγορία εκτιμητών φάσματος, τους εκτιμητές Συστοιχιών Προσαρμοζόμενων Φίλτρων. Οι εκτιμητές αυτοί κατατάσσονται στην κατηγορία των Μη Παραμετρικών μεθόδων εκτίμησης φάσματος και έχει καταδειχτεί ότι αποδίδουν εκτιμήσεις υψηλής ποιότητας. Ωστόσο, το μαθηματικό μοντέλο περιγραφής τους χαρακτηρίζεται από αυξημένη πολυπλοκότητα και αναπόφευκτα το υπολογιστικό φορτίο που απαιτείται για την απευθείας υλοποίησή τους είναι εξαιρετικά υψηλό. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρεί να συμβάλλει στον εν λόγω τομέα, με κύρια επιδίωξη την κατάρτιση αλγόριθμων χαμηλής υπολογιστικής πολυπλοκότητας για μια σειρά δημοφιλών μεθόδων εκτίμησης της παραπάνω κατηγορίας. Η μελέτη επικεντρώνεται, κυρίως, στις μεθόδους Capon, APES και IAA (για εκτίμηση MSC φάσματος) με τη διατύπωση για την καθεμία, ενός μαθηματικού μοντέλου υλοποίησης, ισοδύναμου του ευθέος υπολογισμού τους, αλλά με θεωρητική πολυπλοκότητα υπολογισμών τάξεις μεγέθους χαμηλότερη. Επιπλέον, προτείνεται και ένας νέος MSC εκτιμητής βασισμένος στη μέθοδο SLIM. Όσον αφορά στους νεότερους εκτιμητές (IAA, SLIM), προτείνονται μέθοδοι εκτίμησης για εφαρμογή σε σήματα με μη διαθέσιμα δείγματα (missing data case), καθώς και σε δισδιάστατα σήματα, συνοδευόμενες πάντα από αλγόριθμους για αποδοτική υλοποίησή τους. Σε συνέχεια των παραπάνω υλοποιήσεων που αφορούν batch εκτιμήσεις, μελετάται η περίπτωση των χρονικά μεταβαλλόμενων σημάτων και οι πιθανές επιλογές για σχεδιασμό αντίστοιχων εκτιμητών (time-adaptive). Έτσι, με αξιοποίηση και κατάλληλη αναδιατύπωση ή προσαρμογή της μεθόδου IAA, καταρτίζεται εκτιμητής MSC φάσματος για χρονικά μεταβαλλόμενα σήματα (συμπεριλαμβανομένης της περίπτωσης όπου κάποια δείγματα δεν είναι διαθέσιμα). Η εργασία πάνω στα χρονικά μεταβαλλόμενα σήματα επεκτείνεται και στον υπολογισμό του PSD φάσματος για σήματα με μη διαθέσιμα δείγματα, με παράλληλη υλοποίηση μηχανισμού ανασύστασης των χαμένων δειγμάτων. Αυτοί οι εκτιμητές PSD φάσματος λειτουργούν με παράθυρα εκτίμησης που ολισθαίνουν κατά ένα δείγμα ή κατά μπλοκ δειγμάτων κάθε φορά. Επίσης, διερευνάται και η περίπτωση χρονικά μεταβαλλόμενων σημάτων δύο διαστάσεων. Για τους παραπάνω εκτιμητές υλοποιούνται αλγόριθμοι υλοποίησης εξαιρετικά ταχείς (πολύ πιο αποδοτικοί σε σχέση με γρήγορους αλγόριθμους άλλων αντίστοιχων εκτιμητών). Για όλες τις προτεινόμενες υλοποιήσεις διεξάγονται ενδεικτικά πειράματα προσομοίωσης (για αποτύπωση της ποιότητας της εκτίμησης) και υπολογίζεται το θεωρητικό φορτίο υπολογισμών που απαιτούν οι αποδοτικοί αλγόριθμοι, αντιπαραβάλλοντάς το με την πολυπλοκότητα της ευθείας υλοποίησης.