Algorithmic Techniques in Gene Expression Processing. From Imputation to Visualization

The amount of biological data has grown exponentially in recent decades. Modern biotechnologies, such as microarrays and next-generation sequencing, are capable to produce massive amounts of biomedical data in a single experiment. As the amount of the data is rapidly growing there is an urgent need for reliable computational methods for analyzing and visualizing it. This thesis addresses this need by studying how to efficiently and reliably analyze and visualize high-dimensional data, especially that obtained from gene expression microarray experiments. First, we will study the ways to improve the quality of microarray data by replacing (imputing) the missing data entries with the estimated values for these entries. Missing value imputation is a method which is commonly used to make the original incomplete data complete, thus making it easier to be analyzed with statistical and computational methods. Our novel approach was to use curated external biological information as a guide for the missing value imputation. Secondly, we studied the effect of missing value imputation on the downstream data analysis methods like clustering. We compared multiple recent imputation algorithms against 8 publicly available microarray data sets. It was observed that the missing value imputation indeed is a rational way to improve the quality of biological data. The research revealed differences between the clustering results obtained with different imputation methods. On most data sets, the simple and fast k-NN imputation was good enough, but there were also needs for more advanced imputation methods, such as Bayesian Principal Component Algorithm (BPCA). Finally, we studied the visualization of biological network data. Biological interaction networks are examples of the outcome of multiple biological experiments such as using the gene microarray techniques. Such networks are typically very large and highly connected, thus there is a need for fast algorithms for producing visually pleasant layouts. A computationally efficient way to produce layouts of large biological interaction networks was developed. The algorithm uses multilevel optimization within the regular force directed graph layout algorithm.

Airbus 340 -lentokoneen C-huoltotelakoiden layout-suunnitelma

Tässä insinöörityössä tehtiin layout-suunnitelmat C-huoltotelakoista Airbus 340 -lentokoneiden huoltoa varten ja selvitettiin samojen huoltotelakoiden käyttömahdollisuutta myös muiden konetyyppien huolloissa. Insinöörityön toimeksiantajana toimi Finnairin tekniikan lentokonekorjaamo, jonka käyttöön huoltotelakat suunniteltiin. Työ aloitettiin perehtymällä Airbus 340 -lentokoneen mittoihin ja C-huoltotarpeisiin. Seuraavaksi käytiin läpi erilaisia huoltotelakkavaihtoehtoja ja niiden aiheuttamia kustannuksia pitkällä ajanjaksolla. Huoltotelakoiden soveltuvuutta tarkasteltiin eri lentokonetyypien käyttöön. Huoltotelakoiden suunnittelussa huomioitiin myös niiden varastointivaatimukset. Lisäksi työssä käytiin läpi viranomaisten turvallisuusvaatimukset sekä lentokonehuoltotoiminnan erityisvaatimukset huoltotelakoille. Työn tuloksena syntyneitä investointilaskelmia ja layout-suunnitelmia käytetään hyödyksi valittaessa kustannuksiltaan ja käyttövaatimuksiltaan parhaiten Airbus 340 -lentokoneiden C-huoltovaatimuksia vastaava huoltotelakkavaihtoehto. Huoltotelakoiden layout-suunnitelmat on tehty työntekijöiden näkökulmat huomioiden, jotta työnteko olisi tehokasta ja ergonomista.

Performance Evaluation of Six-Sectored Configuration in Hexagonal WCDMA (UMTS) Cellular Network Layout

The objective of this master's thesis is to evaluate the optimum performance of sixsectored hexagonal layout of WCDMA (UMTS) network and analyze the performance at the optimum point. The maximum coverage and the maximum capacity are the main concern of service providers and it is always a challenging task for them to achieve economically. Because the optimum configuration of a network corresponds to a configuration which minimizes the number of sites required to provide a target service probability in the planning area which in turn reduces the deployment cost. The optimum performance means the maximum cell area and themaximum cell capacity the network can provide at the maximum antenna height satisfying the target service probability. Hexagon layout has been proven as the best layout for the cell deployment. In this thesis work, two different configurations using six-sectored sites have been considered for the performance comparison. In first configuration, each antenna is directed towards each corner of hexagon, whereas in second configurationeach antenna is directed towards each side of hexagon. The net difference in the configurations is the 30 degree rotation of antenna direction. The only indoor users in a flat and smooth semi-urban environment area have been considered for the simulation purpose where the traffic distribution is 100 Erl/km2 with 12.2 kbps speech service having maximum mobile speed of 3 km/hr. The simulation results indicate that a similar performance can be achieved in both the configurations, that is, a maximum of 947 m cellrange at antenna height of 49.5 m can be achieved when the antennas are directed towards the corner of hexagon, whereas 943.3 m cell range atantenna height of 54 m can be achieved when the antennas are directed towards the side of hexagon. However, from the interference point of view the first configuration provides better results. The simulation results also show that the network is coverage limited in both the uplink and downlink direction at the optimum point.

On the differential evolution algorithm and its appliation to training radial basis function networks

The parameter setting of a differential evolution algorithm must meet several requirements: efficiency, effectiveness, and reliability. Problems vary. The solution of a particular problem can be represented in different ways. An algorithm most efficient in dealing with a particular representation may be less efficient in dealing with other representations. The development of differential evolution-based methods contributes substantially to research on evolutionary computing and global optimization in general. The objective of this study is to investigatethe differential evolution algorithm, the intelligent adjustment of its controlparameters, and its application. In the thesis, the differential evolution algorithm is first examined using different parameter settings and test functions. Fuzzy control is then employed to make control parameters adaptive based on an optimization process and expert knowledge. The developed algorithms are applied to training radial basis function networks for function approximation with possible variables including centers, widths, and weights of basis functions and both having control parameters kept fixed and adjusted by fuzzy controller. After the influence of control variables on the performance of the differential evolution algorithm was explored, an adaptive version of the differential evolution algorithm was developed and the differential evolution-based radial basis function network training approaches were proposed. Experimental results showed that the performance of the differential evolution algorithm is sensitive to parameter setting, and the best setting was found to be problem dependent. The fuzzy adaptive differential evolution algorithm releases the user load of parameter setting and performs better than those using all fixedparameters. Differential evolution-based approaches are effective for training Gaussian radial basis function networks.

Induktiokoneiden vyyhdenvalmistuksen ja kääminnän tulevaisuuden kapasiteettia sekä läpimenoajan lyhenemistä tukeva layout

Tämä insinöörityö tehtiin ABB Oy:n Pitäjänmäen konetehtaan Sähkökoneet -yksikölle. Työssä suunniteltiin Induktiokoneiden vyyhdenvalmistuksen ja kääminnän tulevaisuuden kapasiteettia sekä läpimenoajan lyhenemistä tukeva layout. Työssä kiinnitettiin huomiota myös järkeviin materiaalivirtoihin sekä työturvallisuuden parantamiseen. Työ aloitettiin kartoittamalla vyyhdenvalmistusten ja käämintöjen tilanne sekä tutkittiin tulevaisuudelle ennustettu kuormitus. Kartoituksen perusteella mietittiin, mitä välttämättömiä muutoksia tarvitsee tulevaisuudessa tehdä työtapojen, koneiden ja työpisteiden suhteen. Läpimenoaikoja tutkittiin ja mietittiin keinoja sen lyhentämiseksi. Edellä mainittujen perusteella lähdettiin suunnittelemaan layout, joka toteuttaisi kaikki vaaditut kriteerit mahdollisimman kattavasti. Työn tuloksena syntyi layout-ehdotus, joka kattaa vaaditut kriteerit käytössä oleviin tiloihin ja niiden sijaintiin nähden parhaalla mahdollisella tavalla. Tämä ehdotus on varsin varteenotettava, mikäli tuotantokäyttöön suunniteltu käsieristyskone ei sovellu sille tarkoitettuun käyttötarkoitukseen, eikä näin ollen tule tuotantokäyttöön. Tällä layoutilla on mahdollista parantaa työturvallisuutta raskaiden taakkojen kuljetusten vähentyessä, lyhentää läpimenoaikoja turhien siirtelyiden poistuttua ja tehdä materiaalivirroista loogisia. Näillä parannuksilla varmistuisi tulevaisuuden kuormituksen läpimenon kyseisillä osastoilla. Tästä lopputyöstä on hyötyä ABB:llä käynnissä olevalle vyyhdenvalmistus projektille, jonka tehtävänä on kehittää vyyhdenvalmistusta. Tämän lisäksi projektin tarkoituksena on miettiä vyyhdenvalmistukselle uusi layout, mikäli se nähdään tarpeelliseksi. Tekemäni kartoitus, layout ja parannusehdotukset ovat tarpeellisena pohjatietona tämän projektin edetessä. Tekemiäni parannusehdotuksia on jo osittain otettu käyttöön vyyhdenvalmistuksessa. Parannusehdotuksiani tullaan vyyhdenvalmistuksessa toteuttamaan, kokeilemaan ja kehittämään eteenpäin vielä jatkossakin.

Development of phase retrieval algorithm and techniques for optical spectrum analysis

Coherent anti-Stokes Raman scattering is the powerful method of laser spectroscopy in which significant successes are achieved. However, the non-linear nature of CARS complicates the analysis of the received spectra. The objective of this Thesis is to develop a new phase retrieval algorithm for CARS. It utilizes the maximum entropy method and the new wavelet approach for spectroscopic background correction of a phase function. The method was developed to be easily automated and used on a large number of spectra of different substances.. The algorithm was successfully tested on experimental data.

Pk-yrityksen layout-suunnittelu ohutlevytuoteteollisuudessa

Diplomityössä käsitellään omistajanvaihdon myötä tapahtuvaa yritysten yhdentymistä pkt- sektorilla. Tutkimuksen tarkoituksena oli suunnitella layout uuteen halliin sekä suunnitella muuttoprosessi kokonaisuudessaan. Tutkimuksessa käsiteltiin koneiden siirron lisäksi myös yritysten yhdentymistä ja yritysfuusiota. Ratkaisumalleja haettiin kirjallisuudesta, tuotannon seuraamisesta ja edellisistä muutoista syntyneistä kokemuksista. Työn aikana kartoitettiin yritysten nykytilanne ja etsittiin siellä olevat parantamista vaativat kohdat. Lisäksi selvitettiin yritysten tuotanto layout -suunnittelua varten. Layoutin tekemisen runkona käytettiin Mutherin -layoutkaaviota. Tietojen pohjalta tehtiin kolme erillistä mallia, joista hyötyarvomatriisia hyväksi käyttäen valittiin yksi. Lisäksi yritysten yhdentymisen työkirjan avulla tehtiin lista tarvittavista toimenpiteistä ennen muuttoa sekä muuton jälkeen. Tutkimuksessa käsiteltiin myös yrityksen ohjelmainvestointeja sekä levytyökeskuksen että laserleikkauskoneen nestaukseen. Lisäksi työssä käsiteltiin myös uusia koneinvestointeja ja uutta organisaatiokaaviota.

Stress testing and risk evaluation of new capacity payment algorithm proposed by Market Council

In the Russian Wholesale Market, electricity and capacity are traded separately. Capacity is a special good, the sale of which obliges suppliers to keep their generating equipment ready to produce the quantity of electricity indicated by the System Operator. The purpose of the formation of capacity trading was the maintenance of reliable and uninterrupted delivery of electricity in the wholesale market. The price of capacity reflects constant investments in construction, modernization and maintenance of power plants. So, the capacity sale creates favorable conditions to attract investments in the energy sector because it guarantees the investor that his investments will be returned.

Solving Leontief Input-Output Model with Trapezoidal Fuzzy Numbers and Gauss-Seidel Algorithm

In this work a fuzzy linear system is used to solve Leontief input-output model with fuzzy entries. For solving this model, we assume that the consumption matrix from di erent sectors of the economy and demand are known. These assumptions heavily depend on the information obtained from the industries. Hence uncertainties are involved in this information. The aim of this work is to model these uncertainties and to address them by fuzzy entries such as fuzzy numbers and LR-type fuzzy numbers (triangular and trapezoidal). Fuzzy linear system has been developed using fuzzy data and it is solved using Gauss-Seidel algorithm. Numerical examples show the e ciency of this algorithm. The famous example from Prof. Leontief, where he solved the production levels for U.S. economy in 1958, is also further analyzed.

GAMS MINLP Solver comparisons and some improvements to the AlphaECP algorithm

I doktorsavhandlingen undersöks förmågan att lösa hos ett antal lösare för optimeringsproblem och ett antal svårigheter med att göra en rättvis lösarjämförelse avslöjas. Dessutom framläggs några förbättringar som utförts på en av lösarna som heter GAMS/AlphaECP. Optimering innebär, i det här sammanhanget, att finna den bästa möjliga lösningen på ett problem. Den undersökta klassen av problem kan karaktäriseras som svårlöst och förekommer inom ett flertal industriområden. Målet har varit att undersöka om det finns en lösare som är universellt snabbare och hittar lösningar med högre kvalitet än någon av de andra lösarna. Det kommersiella optimeringssystemet GAMS (General Algebraic Modeling System) och omfattande problembibliotek har använts för att jämföra lösare. Förbättringarna som presenterats har utförts på GAMS/AlphaECP lösaren som baserar sig på skärplansmetoden Extended Cutting Plane (ECP). ECP-metoden har utvecklats främst av professor Tapio Westerlund på Anläggnings- och systemteknik vid Åbo Akademi.

Systemaattinen layout-suunnittelu

Layout-suunnittelu on tyypillisesti aikaa vievä prosessi, jossa joudutaan huomioimaan useita erilaisia muuttujia. Tässä työssä esitellään layout-suunnittelun helpottamiseksi kehitettyjä systemaattisia menetelmiä, ja arvioidaan niiden käyttömahdollisuuksia.

Power and Performance Management Strategies on NoC-Based Multicore Platforms, Using DVFS, Adaptive Algorithm and Task Parallelism

This work presents synopsis of efficient strategies used in power managements for achieving the most economical power and energy consumption in multicore systems, FPGA and NoC Platforms. In this work, a practical approach was taken, in an effort to validate the significance of the proposed Adaptive Power Management Algorithm (APMA), proposed for system developed, for this thesis project. This system comprise arithmetic and logic unit, up and down counters, adder, state machine and multiplexer. The essence of carrying this project firstly, is to develop a system that will be used for this power management project. Secondly, to perform area and power synopsis of the system on these various scalable technology platforms, UMC 90nm nanotechnology 1.2v, UMC 90nm nanotechnology 1.32v and UMC 0.18 μmNanotechnology 1.80v, in order to examine the difference in area and power consumption of the system on the platforms. Thirdly, to explore various strategies that can be used to reducing system’s power consumption and to propose an adaptive power management algorithm that can be used to reduce the power consumption of the system. The strategies introduced in this work comprise Dynamic Voltage Frequency Scaling (DVFS) and task parallelism. After the system development, it was run on FPGA board, basically NoC Platforms and on these various technology platforms UMC 90nm nanotechnology1.2v, UMC 90nm nanotechnology 1.32v and UMC180 nm nanotechnology 1.80v, the system synthesis was successfully accomplished, the simulated result analysis shows that the system meets all functional requirements, the power consumption and the area utilization were recorded and analyzed in chapter 7 of this work. This work extensively reviewed various strategies for managing power consumption which were quantitative research works by many researchers and companies, it's a mixture of study analysis and experimented lab works, it condensed and presents the whole basic concepts of power management strategy from quality technical papers.