Knowledge-based modelling and simulation of operational problems of microbiological origin in wastewater treatment plants

The activated sludge and anaerobic digestion processes have been modelled in widely accepted models. Nevertheless, these models still have limitations when describing operational problems of microbiological origin. The aim of this thesis is to develop a knowledge-based model to simulate risk of plant-wide operational problems of microbiological origin.For the risk model heuristic knowledge from experts and literature was implemented in a rule-based system. Using fuzzy logic, the system can infer a risk index for the main operational problems of microbiological origin (i.e. filamentous bulking, biological foaming, rising sludge and deflocculation). To show the results of the risk model, it was implemented in the Benchmark Simulation Models. This allowed to study the risk model's response in different scenarios and control strategies. The risk model has shown to be really useful providing a third criterion to evaluate control strategies apart from the economical and environmental criteria.

Exploration of geological variability and possible processes through the use of compositional data analysis: an example using scottish metamorphosed

Developments in the statistical analysis of compositional data over the last two decades have made possible a much deeper exploration of the nature of variability, and the possible processes associated with compositional data sets from many disciplines. In this paper we concentrate on geochemical data sets. First we explain how hypotheses of compositional variability may be formulated within the natural sample space, the unit simplex, including useful hypotheses of subcompositional discrimination and specific perturbational change. Then we develop through standard methodology, such as generalised likelihood ratio tests, statistical tools to allow the systematic investigation of a complete lattice of such hypotheses. Some of these tests are simple adaptations of existing multivariate tests but others require special construction. We comment on the use of graphical methods in compositional data analysis and on the ordination of specimens. The recent development of the concept of compositional processes is then explained together with the necessary tools for a staying- in-the-simplex approach, namely compositional singular value decompositions. All these statistical techniques are illustrated for a substantial compositional data set, consisting of 209 major-oxide and rare-element compositions of metamorphosed limestones from the Northeast and Central Highlands of Scotland. Finally we point out a number of unresolved problems in the statistical analysis of compositional processes

Simultaneous estimation of indirect and interaction effects using structural equation models

Interaction effects are usually modeled by means of moderated regression analysis. Structural equation models with non-linear constraints make it possible to estimate interaction effects while correcting for measurement error. From the various specifications, Jöreskog and Yang's (1996, 1998), likely the most parsimonious, has been chosen and further simplified. Up to now, only direct effects have been specified, thus wasting much of the capability of the structural equation approach. This paper presents and discusses an extension of Jöreskog and Yang's specification that can handle direct, indirect and interaction effects simultaneously. The model is illustrated by a study of the effects of an interactive style of use of budgets on both company innovation and performance

Conceptual design of wastewater treatment plants using multiple objectives

La implementació de la Directiva Europea 91/271/CEE referent a tractament d'aigües residuals urbanes va promoure la construcció de noves instal·lacions al mateix temps que la introducció de noves tecnologies per tractar nutrients en àrees designades com a sensibles. Tant el disseny d'aquestes noves infraestructures com el redisseny de les ja existents es va portar a terme a partir d'aproximacions basades fonamentalment en objectius econòmics degut a la necessitat d'acabar les obres en un període de temps relativament curt. Aquests estudis estaven basats en coneixement heurístic o correlacions numèriques provinents de models determinístics simplificats. Així doncs, moltes de les estacions depuradores d'aigües residuals (EDARs) resultants van estar caracteritzades per una manca de robustesa i flexibilitat, poca controlabilitat, amb freqüents problemes microbiològics de separació de sòlids en el decantador secundari, elevats costos d'operació i eliminació parcial de nutrients allunyant-les de l'òptim de funcionament. Molts d'aquestes problemes van sorgir degut a un disseny inadequat, de manera que la comunitat científica es va adonar de la importància de les etapes inicials de disseny conceptual. Precisament per aquesta raó, els mètodes tradicionals de disseny han d'evolucionar cap a sistemes d'avaluació mes complexos, que tinguin en compte múltiples objectius, assegurant així un millor funcionament de la planta. Tot i la importància del disseny conceptual tenint en compte múltiples objectius, encara hi ha un buit important en la literatura científica tractant aquest camp d'investigació. L'objectiu que persegueix aquesta tesi és el de desenvolupar un mètode de disseny conceptual d'EDARs considerant múltiples objectius, de manera que serveixi d'eina de suport a la presa de decisions al seleccionar la millor alternativa entre diferents opcions de disseny. Aquest treball de recerca contribueix amb un mètode de disseny modular i evolutiu que combina diferent tècniques com: el procés de decisió jeràrquic, anàlisi multicriteri, optimació preliminar multiobjectiu basada en anàlisi de sensibilitat, tècniques d'extracció de coneixement i mineria de dades, anàlisi multivariant i anàlisi d'incertesa a partir de simulacions de Monte Carlo. Això s'ha aconseguit subdividint el mètode de disseny desenvolupat en aquesta tesis en quatre blocs principals: (1) generació jeràrquica i anàlisi multicriteri d'alternatives, (2) anàlisi de decisions crítiques, (3) anàlisi multivariant i (4) anàlisi d'incertesa. El primer dels blocs combina un procés de decisió jeràrquic amb anàlisi multicriteri. El procés de decisió jeràrquic subdivideix el disseny conceptual en una sèrie de qüestions mes fàcilment analitzables i avaluables mentre que l'anàlisi multicriteri permet la consideració de diferent objectius al mateix temps. D'aquesta manera es redueix el nombre d'alternatives a avaluar i fa que el futur disseny i operació de la planta estigui influenciat per aspectes ambientals, econòmics, tècnics i legals. Finalment aquest bloc inclou una anàlisi de sensibilitat dels pesos que proporciona informació de com varien les diferents alternatives al mateix temps que canvia la importància relativa del objectius de disseny. El segon bloc engloba tècniques d'anàlisi de sensibilitat, optimització preliminar multiobjectiu i extracció de coneixement per donar suport al disseny conceptual d'EDAR, seleccionant la millor alternativa un cop s'han identificat decisions crítiques. Les decisions crítiques són aquelles en les que s'ha de seleccionar entre alternatives que compleixen de forma similar els objectius de disseny però amb diferents implicacions pel que respecte a la futura estructura i operació de la planta. Aquest tipus d'anàlisi proporciona una visió més àmplia de l'espai de disseny i permet identificar direccions desitjables (o indesitjables) cap on el procés de disseny pot derivar. El tercer bloc de la tesi proporciona l'anàlisi multivariant de les matrius multicriteri obtingudes durant l'avaluació de les alternatives de disseny. Específicament, les tècniques utilitzades en aquest treball de recerca engloben: 1) anàlisi de conglomerats, 2) anàlisi de components principals/anàlisi factorial i 3) anàlisi discriminant. Com a resultat és possible un millor accés a les dades per realitzar la selecció de les alternatives, proporcionant més informació per a una avaluació mes efectiva, i finalment incrementant el coneixement del procés d'avaluació de les alternatives de disseny generades. En el quart i últim bloc desenvolupat en aquesta tesi, les diferents alternatives de disseny són avaluades amb incertesa. L'objectiu d'aquest bloc és el d'estudiar el canvi en la presa de decisions quan una alternativa és avaluada incloent o no incertesa en els paràmetres dels models que descriuen el seu comportament. La incertesa en el paràmetres del model s'introdueix a partir de funcions de probabilitat. Desprès es porten a terme simulacions Monte Carlo, on d'aquestes distribucions se n'extrauen números aleatoris que es subsisteixen pels paràmetres del model i permeten estudiar com la incertesa es propaga a través del model. Així és possible analitzar la variació en l'acompliment global dels objectius de disseny per a cada una de les alternatives, quines són les contribucions en aquesta variació que hi tenen els aspectes ambientals, legals, econòmics i tècnics, i finalment el canvi en la selecció d'alternatives quan hi ha una variació de la importància relativa dels objectius de disseny. En comparació amb les aproximacions tradicionals de disseny, el mètode desenvolupat en aquesta tesi adreça problemes de disseny/redisseny tenint en compte múltiples objectius i múltiples criteris. Al mateix temps, el procés de presa de decisions mostra de forma objectiva, transparent i sistemàtica el perquè una alternativa és seleccionada en front de les altres, proporcionant l'opció que més bé acompleix els objectius marcats, mostrant els punts forts i febles, les principals correlacions entre objectius i alternatives, i finalment tenint en compte la possible incertesa inherent en els paràmetres del model que es fan servir durant les anàlisis. Les possibilitats del mètode desenvolupat es demostren en aquesta tesi a partir de diferents casos d'estudi: selecció del tipus d'eliminació biològica de nitrogen (cas d'estudi # 1), optimització d'una estratègia de control (cas d'estudi # 2), redisseny d'una planta per aconseguir eliminació simultània de carboni, nitrogen i fòsfor (cas d'estudi # 3) i finalment anàlisi d'estratègies control a nivell de planta (casos d'estudi # 4 i # 5).

Planar homography: accuracy analysis and applications

Projective homography sits at the heart of many problems in image registration. In addition to many methods for estimating the homography parameters (R.I. Hartley and A. Zisserman, 2000), analytical expressions to assess the accuracy of the transformation parameters have been proposed (A. Criminisi et al., 1999). We show that these expressions provide less accurate bounds than those based on the earlier results of Weng et al. (1989). The discrepancy becomes more critical in applications involving the integration of frame-to-frame homographies and their uncertainties, as in the reconstruction of terrain mosaics and the camera trajectory from flyover imagery. We demonstrate these issues through selected examples

Quantified set inversion with applications to control

This paper describes a new reliable method, based on modal interval analysis (MIA) and set inversion (SI) techniques, for the characterization of solution sets defined by quantified constraints satisfaction problems (QCSP) over continuous domains. The presented methodology, called quantified set inversion (QSI), can be used over a wide range of engineering problems involving uncertain nonlinear models. Finally, an application on parameter identification is presented

L'organització de l'activitat conjunta en l'ensenyament escolar dels esports col·lectius

L'estudi de les formes d'organització de l'activitat conjunta en l'ensenyament de la col·laboració tàctica en els esports col·lectius en l'àmbit escolar mostra com a punts de referència teòrica, per un costat aportacions provinents de la psicologia de la instrucció, i per un altre costat aportacions provinents de la didàctica de l' ensenyament de l' educació física i l' esport. Pel que fa al camp de la psicologia, cal situar l'estudi de l'activitat conjunta en una perspectiva constructivista dels processos d'ensenyament i aprenentatge. Aquesta pren com a referents Piaget, Ausubel, ... i molt especialment les aportacions fetes des de la teoria sociohistòrica i cultural per Vigotsky i també per Bruner. Així, conceptes com "mediació semiòtica", "internalització", "intersubjectivitat" i "zona de desenvolupament pròxim" tenen un paper molt rellevant. El que ens interessa en aquest treball és saber com s'ho fan el professor i els alumnes per aconseguir que aquests últims construeixin el seu propi coneixement al voltant del contingut proposat. En aquest sentit les idees de Vigotsky, així com la metàfora de "la bastida" de Bruner, són d'una gran importància. Des del camp de l'ensenyament dels esports col·lectius han pres com a referència bàsica el model d'ensenyament a partir de la tàctica provinent dels treballs de Bunker i Thorpe sobre l'ensenyament "per a la comprensió dels esports col·lectius". Així mateix ens hem guiat per aportacions d'autors com Bayer, Castejón, Riera o DevÍs. Pel que fa al camp de la didàctica, les recerques de Pieron han tingut una influència considerable. Es proposa l'estudi del procés d'ensenyament i aprenentatge esportiu des de l'anàlisi de la "interacció educativa" i de la "influència pedagògica", i molt especialment des de la "interactivitat". En aquest marc destaquen els "mecanismes d'influència educativa", que operen en l'àmbit de la interactivitat i que permeten comprendre com el professor ajusta l'ajuda per afavorir la construcció de coneixement dels alumnes. El nostre treball estudia un dels dos mecanismes descrits pels treballs de Coll i els seus col·laboradors de la Universitat de Barcelona i també corroborats pels treballs dirigits per Vila (Universitat de Girona). En concret, el treball se centra en l'anàlisi del procés de cessió i traspàs de la responsabilitat i del control de l' aprenentatge del professor envers els alumnes. Per això s'empren els nivells i les unitats d'anàlisi proposades per aquests treballs: la seqüència didàctica, la sessió, els segments d'interactivitat i les configuracions de segments d'interactivitat. Així mateix, s'incorpora l'anàlisi de les característiques del contingut, tant pel que fa a la tipologia de les tasques com pel que fa als criteris d' organització i seqüenciació. Es manté la idea que l'organització de l'activitat conjunta entre el professor i els alumnes esta fortament influenciada per les característiques del contingut. Per dur a terme el treball s'ha realitzat una seqüència didàctica de 4 sessions amb 10 alumnes de segon cicle d'ensenyament primari de l' escola "Annexa-Joan Puigbert" de la ciutat de Girona. S'ha enregistrat amb vídeo i amb micròfons sense fils tot el que deien i feien tant el professor com els alumnes durant la seqüència d'ensenyament. Posteriorment s'han transcrit les dades a un "full de transcripció" . Hem analitzat les característiques de la seqüència, de les sessions i del contingut: número de tasques, tipus de tasques, elements que intervenen en les tasques, etc., així com la millora en el comportament tàctic dels alumnes. Igualment s'ha analitzat l'activitat conjunta mitjançant segments d'interactivitat i configuracions de segments d'interactivitat. S'ha estudiat l'evolució dels diferents segments, tant en quantitat com en temps emprat durant la seqüència. I també l'evolució de l'activitat conjunta en diferents tipus de tasques: tasques repetides, tasques-base i les respectives modificacions, etc. Això ens ha permès veure el paper del contingut en l'organització de l' activitat conjunta. Les dades obtingudes permeten corroborar les hipòtesis plantejades en el treball i que tenen a veure amb que: 1. És possible obtenir indicadors sobre el procés de cessió i traspàs del control i de la responsabilitat en una situació d'ensenyament i aprenentatge de la col·laboració tàctica en atac en la iniciació als esports col·lectius. Aquest procés és temporal, gradual i discontinu i no es produeix ni de forma absoluta ni definitiva. 2. És necessari considerar aquest mecanisme en relació amb un segon mecanisme descrit: la construcció d'un sistema cada vegada més ampli i més ric de significats compartits entre el professor i els alumnes al voltant del contingut. Ambdós mecanismes estan interrelacionats i són irreductibles tot i que és possible estudiar-los focalitzant l'atenció en un d'ells. 3. Es constata el paper fonamental del contingut, tant la tipologia com els criteris d'organització i seqüenciació, en l'organització de l'activitat conjunta. Dels resultats obtinguts se'n desprenen algunes conclusions finals que van referides, d'una banda a aspectes d'interès per a futures recerques en aquest camp, i d'altra banda, a aspectes d'interès per a les pràctiques educatives.