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Machine learning control
(2020)
Recently, the term explainable AI came into discussion as an approach to produce models from artificial intelligence which allow interpretation. For a long time, symbolic regression has been used to produce explainable and mathematically tractable models. In this contribution, we extend previous work on symbolic regression methods to infer the optimal control of a dynamical system given one or several optimization criteria, or cost functions. In earlier publications, network control was achieved by automated machine learning control using genetic programming. Here, we focus on the subsequent path continuation analysis of the mathematical expressions which result from the machine learning model. In particular, we use AUTO to analyze the solution properties of the controlled oscillator system which served as our model. As a result, we show that there is a considerable advantage of explainable symbolic regression models over less accessible neural networks. In particular, the roadmap of future works may be to integrate such analyses into the optimization loop itself to filter out robust solutions by construction.
Many previous studies have shown that the turbulent mixing layer under periodic forcing tends to adopt a lock-on state, where the major portion of the fluctuations in the flow are synchronized at the forcing frequency. The goal of this experimental study is to apply closed-loop control in order to provoke the lock-on state, using information from the flow itself. We aim to determine the range of frequencies for which the closed-loop control can establish the lock-on, and what mechanisms are contributing to the selection of a feedback frequency. In order to expand the solution space for optimal closed-loop control laws, we use the genetic programming control (CPC) framework. The best closed-loop control laws obtained by CPC are analysed along with the associated physical mechanisms in the mixing layer flow. The resulting closed-loop control significantly outperforms open-loop forcing in terms of robustness to changes in the free-stream velocities. In addition, the selection of feedback frequencies is not locked to the most amplified local mode, but rather a range of frequencies around it.
Mixing layer manipulation experiment from open-loop forcing to closed-loop machine learning control
(2015)
Im Februar und März 2007 wurde vom Geographischen Institut der Universität eine Exkursion nach Neuseeland durchgeführt. Der hier vorliegende Bericht bezieht sich auf diese Exkursion. Im ersten Teil wird durch 17 Protokolle der Exkursionsverlauf wiedergegeben. Im zweiten Teil befassen sich sechs Texte näher mit je einem thematischen Aspekt der Exkursion. Autoren der Protokolle und der thematischen Texte sind die Teilnehmerinnen und Teilnehmer der Exkursion. Zum ersten Teil des Berichts – der Exkursionsverlauf Im ersten Teil dieses Berichtes wird der Verlauf der Exkursion Neuseeland 2007 des Geographischen Instituts der Universität Potsdam durch Tagesprotokolle dargestellt. Die Exkursion begann am 14. Februar 2007 in Auckland und endete am 4. März 2007 in Christchurch. Während dieser 19 Tage wurden verschiedene Orte auf der neuseeländischen Nord- und Südinsel aufgesucht, wobei die Exkursionsgruppe verschiedene Aspekte der neuseeländischen Gesellschaft aus einer humangeographischen Perspektive studierte. Im Mittelpunkt standen die Themen historische und jüngere Migration nach Neuseeland, Maori, Milchwirtschaft, Holzwirtschaft und Tourismus in Neuseeland. Die Tagesprotokolle machen deutlich, dass die Exkursion weniger in einer thematisch-systematischen Art und Weise durchgeführt wurde. Statt dessen erfolgte das Aufsuchen exemplarischer Orte, an denen Beobachtungen und darüber hinausgehende Erkundungen stattfanden. Die entsprechenden Aussagen sind in den Protokollen wiedergegeben, schwerpunktmäßig wird dabei folgendes angesprochen: Der erste Exkursionstag, das war der 14. Februar 2007, wurde für den Besuch des Geographischen Institutes der Auckland University genutzt. Dort wurde zum Beispiel eine Diskussionsrunde mit den beiden Humangeographen Richard Le Heron und Gordon Winder veranstaltet. Auch die folgenden zwei Tage verbrachten die Exkursionsgruppe in Auckland, wobei sie sich im »Auckland Museum« über die neuseeländische Geschichte und insbesondere über die Kultur der Maori informierte. Mit einem Maori-Guide unternahmen die Teilnehmer eine Stadtführung durch Auckland, wobei ebenfalls das Leben der Maori im Fokus stand. Außerdem besuchten sie eine private Einwanderungsagentur und führten in Kleingruppen Expertengespräche zum Thema »Migration und Integration in Neuseeland« durch. Am 17. Februar erkundeten die Exkursionsteilnehmer drei Orte in der näheren Umgebung Aucklands. Zunächst begaben sie sich zum Otara Market, einem Wochenmarkt der Pacific Islanders, der immer samstags in Otara abgehalten wird. Anschließend ging es weiter an die westliche Küste, wo sie unter Führung einer Rangerin durch den Muriwai-Regionalpark wanderten. Auf der Rückfahrt nach Auckland machten sie Halt in Soljan’s Winzerei, wo der Betrieb vorgestellt wurde und Wein verkosten werden konnte. Am 18. Februar verließ die Exkursionsgruppe Auckland in Richtung Norden, um zum Ort Puhoi zu gelangen. Dort beschäftigten sich die Teilnehmer mit den sogenannten Bohemians, die einst aus Böhmen nach Neuseeland auswanderten und deren Traditionen dort auch heute noch (zumindest teilweise) gepflegt werden. Am nächsten Tag fuhren sie weiter nach Pahia, dem nördlichsten Aufenthaltsort während der Exkursion. Auf dem Weg dorthin machten sie einen Umweg über Matakohe, wo das Kauri-Museum und der Tane Mahuta, der größte Kauribaum Neuseelands, besichtigt wurden. Am 20. Februar stand vormittags die Beschäftigung mit der Geschichte Neuseelands auf dem Tagesplan. Hierfür besuchte die Exkursionsgruppe die Waitangi Treaty Grounds. Dort informierten sich die Teilnehmer über den Vertrag von Waitangi und darüber, welche Folgen dieser für das Leben der Maori hatte. Am Nachmittag stand das Thema Tourismus im Mittelpunkt. Die Exkursionsteilnehmer machten sich mit einem Teil des touristischen Angebots vertraut, indem sie eine Bootstour durch die Bay of Islands unternahmen. Am 21. Februar fuhr die Gruppe in die Hamilton-Region, wo sie sich auch die folgenden zwei Tage aufhielt. Auf dem Weg dorthin wurde ein Zwischenstopp in Kawakawa und an den Whangarei Falls eingelegt. In Hamilton war die Exkursionsgruppe Gast im Geographischen Institut der Waikato University und im Waikato Migrant Resource Centre. Außerdem stand das Thema Milchwirtschaft auf dem Programm. Hierfür besichtigten die Teilnehmer das Unternehmen AmBreed, welches die Grundlage für die Aufzucht von Hochleistungsmilchkühen bereitstellt – nämlich das Bullensperma. Außerdem konnten sie sich über die Organisation und Probleme einer Milchfarm informieren. Darüber hinaus gestalteten in der Waikato-Region wohnende Nachfahren der böhmischen Einwanderer ein Abendprogramm für die Exkursionsgruppe. Den 24. Februar verbrachten die Teilnehmer im Gebiet von Rotorua. Dort durchkreuzten sie das Thermal Wonderland, in dem heiße Quellen und Geysire sowie die dadurch geschaffenen Oberflächengegebenheiten studiert werden können. Die heißen Quellen werden hier auch zur Energiegewinnung herangezogen, wovon sich die Exkursionsteilnehmer bei einer Besichtigung der Geothermal Power Station of Warakei überzeugen konnten. Auf der Fahrt zum Tongariro Nationalpark bewunderten sie die Huka Falls und machten Halt am Lake Taupo, dem größten See Neuseelands. Im Nationalpark unternahmen sie am 26. Februar eine Wanderung. Tags darauf fuhren sie weiter über Marton nach Wellington, der Hauptstadt Neuseelands. Dort war nachmittags sowie am 28. Februar Gelegenheit, die Stadt zu erkunden, unter anderem auf einer Stadtführung mit Prof. Bredlich. Daneben erfuhr man bei einem Besuch des neuseeländischen Nationalmuseums Te Papa viel Wissenswertes über Gesellschaft und Geschichte Neuseelands. Am 1. März überquerten sie mit der Fähre die Cookstraße, um zur Südinsel zu gelangen. Den Nachmittag dieses Tages verbrachte die Exkursionsgruppe in Upper Moutere, wo sie sich mit der Einwanderung Deutscher in der Region Nelson befasste Am Tag darauf fuhren die Teilnehmer zur Westküste und beschäftigten sich mit den Landschaftsformen der Südalpen und der Küste sowie mit der Frage, welche wirtschaftliche Rolle diese Region einst spielte und welche sie heute einnimmt. Am 3. März überquerten sie die Südalpen über den Athur’s Pass und kamen am Nachmittag in Christchurch an. Am nächsten Tag erlebten sie eine Besichtigungstour durch die größte Stadt der Südinsel unter Leitung von Prof. Parson vom Institut für Geographie der Universität von Canterbury. Dabei standen insbesondere Fragen des städtischen Wandels im Mittelpunkt, welcher mit den ökonomischen Reformen seit Ende der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts einherging. Damit endete am 4. März die Exkursion in Christchurch. Zum zweiten Teil des Berichts – die thematischen Texte Neben dem Gewinn eines ersten Eindrucks vor Ort bietet eine Exkursion als Form der Erkundung eines Landes durchaus auch die Gelegenheit, kritisch über gesellschaftliche Vorgänge zu reflektieren. Über solche Reflexionen geben die Darstellungen im zweiten Teil dieses Exkursionsberichtes Aufschluss. Das Spektrum der in den Texten aufgegriffenen Themen reicht dabei von physisch-geographischen Gegebenheiten, über Land- und Forstwirtschaft, die Maori bis zu bevölkerungsgeographischen Fragestellungen zur Migration und Integration in Neuseeland. Dem zu Grunde liegt ein – in der Geographie lange verwurzeltes – holistisches Verständnis der Disziplin. In den Berichten findet die zentrale Debatte in der Geographie um die Bedeutung und das Zusammenspiel von globalen, regionsunabhängigen und lokalen, regionsspezifischen Faktoren (»Glokalisierung«) an vielen Stellen ihren Ausdruck. Da während der Exkursion Einblick in verschiedenste Bereiche des Lebens in Neuseeland gewonnen werden konnten, ist es im thematischen zweiten Teil des Berichts vorrangiges Ziel, einen guten Überblick über Neuseeland und seine Bevölkerung zu geben. Dabei überwiegt ein beschreibender Charakter der Texte, gleichzeitig sollen aber auch zentrale Veränderungen und Herausforderungen für die neuseeländische Gesellschaft angesprochen, Erklärungsansätze gegeben und Lösungsstrategien aufgewiesen werden. Im Einzelnen ist der thematische Teil folgendermaßen aufgebaut: Zu Beginn widmet sich Anja Lehmann den Maori und beleuchtet Geschichte, Kultur und heutige Situation der indigenen Bevölkerung Neuseelands. Anschließend gehen Katharina Popig und Manuel Hundt in ihrem Text auf die frühe europäische Einwanderung nach Neuseeland, insbesondere auf die Rolle der deutschen bzw. böhmischen Einwanderer, ein. Im darauf folgenden Text zeigt Manuel Hundt die sich verändernden Muster in der jüngeren Migration auf und beleuchtet Fragen der Integration in Neuseeland, wobei insbesondere auf die Rolle der Pacific Islanders eingegangen wird. Dann folgt der Text von Lilli Maier. Sie beschäftigt sich mit Fragen des Tourismus und schildert die Gestalt des Fremdenverkehrs und seine Bedeutung für die neuseeländische Wirtschaft. Natalia Kiselgof gibt einen Überblick sowohl über physisch-geographische Aspekte und den Naturraum Neuseelands als auch über die Struktur der neuseeländischen Landwirtschaft, bevor Sören Sturm die Forstwirtschaft Neuseelands einer kritischen Analyse unterzieht.
Many previous studies have shown that the turbulent mixing layer under periodic forcing tends to adopt a lock-on state, where the major portion of the fluctuations in the flow are synchronized at the forcing frequency. The goal of this experimental study is to apply closed-loop control in order to provoke the lock-on state, using information from the flow itself. We aim to determine the range of frequencies for which the closed-loop control can establish the lock-on, and what mechanisms are contributing to the selection of a feedback frequency. In order to expand the solution space for optimal closed-loop control laws, we use the genetic programming control (CPC) framework. The best closed-loop control laws obtained by CPC are analysed along with the associated physical mechanisms in the mixing layer flow. The resulting closed-loop control significantly outperforms open-loop forcing in terms of robustness to changes in the free-stream velocities. In addition, the selection of feedback frequencies is not locked to the most amplified local mode, but rather a range of frequencies around it.
Ecosystems with highly pulsed water supply must be better understood as climate change may increase frequency and severity of intense storms, droughts and floods. Here we collected data over 3 years (2016-2018) in the episodic wetland outflow channel (Aluize), Banhine National Park, in which the system state changed from dry to wet to dry. Field sampling included vegetation records, small-scale vegetation zoning, the seed bank and water and soil quality. The same main plant species were found in both dry and wet conditions across the riverbed of the outflow channel. We found only very few diaspores of plants in the soil after prolonged drought. In the subsequent flooded state, we examined very dense vegetation on the water surface, which was dominated by the gramineous species Paspalidium obtusifolium. This species formed a compact floating mat that was rooted to the riverbed. The Cyperaceae Bolboschoenus glaucus showed high clonal growth in the form of root tubers, which likely serve as important food reservoir during drought. Soil and water analyses do not indicate a limitation by nutrients. We outline how resident people may change the plant community structure with an increasing practice of setting fire to the meadows in the dried-up riverbed to facilitate plant regrowth as food for their livestock.
Ecosystems with highly pulsed water supply must be better understood as climate change may increase frequency and severity of intense storms, droughts and floods. Here we collected data over 3 years (2016-2018) in the episodic wetland outflow channel (Aluize), Banhine National Park, in which the system state changed from dry to wet to dry. Field sampling included vegetation records, small-scale vegetation zoning, the seed bank and water and soil quality. The same main plant species were found in both dry and wet conditions across the riverbed of the outflow channel. We found only very few diaspores of plants in the soil after prolonged drought. In the subsequent flooded state, we examined very dense vegetation on the water surface, which was dominated by the gramineous species Paspalidium obtusifolium. This species formed a compact floating mat that was rooted to the riverbed. The Cyperaceae Bolboschoenus glaucus showed high clonal growth in the form of root tubers, which likely serve as important food reservoir during drought. Soil and water analyses do not indicate a limitation by nutrients. We outline how resident people may change the plant community structure with an increasing practice of setting fire to the meadows in the dried-up riverbed to facilitate plant regrowth as food for their livestock.