Multivariate ARIMA Compositional Time Series Analysis

A compositional time series is obtained when a compositional data vector is observed at different points in time. Inherently, then, a compositional time series is a multivariate time series with important constraints on the variables observed at any instance in time. Although this type of data frequently occurs in situations of real practical interest, a trawl through the statistical literature reveals that research in the field is very much in its infancy and that many theoretical and empirical issues still remain to be addressed. Any appropriate statistical methodology for the analysis of compositional time series must take into account the constraints which are not allowed for by the usual statistical techniques available for analysing multivariate time series. One general approach to analyzing compositional time series consists in the application of an initial transform to break the positive and unit sum constraints, followed by the analysis of the transformed time series using multivariate ARIMA models. In this paper we discuss the use of the additive log-ratio, centred log-ratio and isometric log-ratio transforms. We also present results from an empirical study designed to explore how the selection of the initial transform affects subsequent multivariate ARIMA modelling as well as the quality of the forecasts

Analysis of Pleistocene paleodrainage evolution in the Po Basin (Italy) by multivariate statistical techniques

In order to obtain a high-resolution Pleistocene stratigraphy, eleven continuously cored boreholes, 100 to 220m deep were drilled in the northern part of the Po Plain by Regione Lombardia in the last five years. Quantitative provenance analysis (QPA, Weltje and von Eynatten, 2004) of Pleistocene sands was carried out by using multivariate statistical analysis (principal component analysis, PCA, and similarity analysis) on an integrated data set, including high-resolution bulk petrography and heavy-mineral analyses on Pleistocene sands and of 250 major and minor modern rivers draining the southern flank of the Alps from West to East (Garzanti et al, 2004; 2006). Prior to the onset of major Alpine glaciations, metamorphic and quartzofeldspathic detritus from the Western and Central Alps was carried from the axial belt to the Po basin longitudinally parallel to the SouthAlpine belt by a trunk river (Vezzoli and Garzanti, 2008). This scenario rapidly changed during the marine isotope stage 22 (0.87 Ma), with the onset of the first major Pleistocene glaciation in the Alps (Muttoni et al, 2003). PCA and similarity analysis from core samples show that the longitudinal trunk river at this time was shifted southward by the rapid southward and westward progradation of transverse alluvial river systems fed from the Central and Southern Alps. Sediments were transported southward by braided river systems as well as glacial sediments transported by Alpine valley glaciers invaded the alluvial plain. Kew words: Detrital modes; Modern sands; Provenance; Principal Components Analysis; Similarity, Canberra Distance; palaeodrainage

Dynamic graphics of parametrically linked multivariate methods used in compositional data analysis

Many multivariate methods that are apparently distinct can be linked by introducing one or more parameters in their definition. Methods that can be linked in this way are correspondence analysis, unweighted or weighted logratio analysis (the latter also known as "spectral mapping"), nonsymmetric correspondence analysis, principal component analysis (with and without logarithmic transformation of the data) and multidimensional scaling. In this presentation I will show how several of these methods, which are frequently used in compositional data analysis, may be linked through parametrizations such as power transformations, linear transformations and convex linear combinations. Since the methods of interest here all lead to visual maps of data, a "movie" can be made where where the linking parameter is allowed to vary in small steps: the results are recalculated "frame by frame" and one can see the smooth change from one method to another. Several of these "movies" will be shown, giving a deeper insight into the similarities and differences between these methods

Multivariate Statistical Process Control and Case-Based Reasoning for situation assessment of Sequencing Batch Reactors

ABSRACT This thesis focuses on the monitoring, fault detection and diagnosis of Wastewater Treatment Plants (WWTP), which are important fields of research for a wide range of engineering disciplines. The main objective is to evaluate and apply a novel artificial intelligent methodology based on situation assessment for monitoring and diagnosis of Sequencing Batch Reactor (SBR) operation. To this end, Multivariate Statistical Process Control (MSPC) in combination with Case-Based Reasoning (CBR) methodology was developed, which was evaluated on three different SBR (pilot and lab-scales) plants and validated on BSM1 plant layout.

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).

Optimization of inverse reflector design

Aquesta tesi presenta un nou mètode pel disseny invers de reflectors. Ens hem centrat en tres temes principals: l’ús de fonts de llum reals i complexes, la definició d’un algoritme ràpid pel càlcul de la il•luminació del reflector, i la definició d’un algoritme d’optimització per trobar més eficientment el reflector desitjat. Les fonts de llum estan representades per models near-field, que es comprimeixen amb un error molt petit, fins i tot per fonts de llum amb milions de raigs i objectes a il•luminar molt propers. Llavors proposem un mètode ràpid per obtenir la distribució de la il•luminació d’un reflector i la seva comparació amb la il•luminació desitjada, i que treballa completament en la GPU. Finalment, proposem un nou mètode d’optimització global que permet trobar la solució en menys passos que molts altres mètodes d’optimització clàssics, i alhora evitant mínims locals.

Control and optimization of an SBR for nitrogen removal: from model calibration to plant operation

En aquesta tesis s'ha desenvolupat un sistema de control capaç d'optimitzar el funcionament dels Reactors Discontinus Seqüencials dins el camp de l'eliminació de matèria orgànica i nitrogen de les aigües residuals. El sistema de control permet ajustar en línia la durada de les etapes de reacció a partir de mesures directes o indirectes de sondes. En una primera etapa de la tesis s'ha estudiat la calibració de models matemàtics que permeten realitzar fàcilment provatures de diferents estratègies de control. A partir de l'anàlisis de dades històriques s'han plantejat diferents opcions per controlar l'SBR i les més convenients s'han provat mitjançant simulació. Després d'assegurar l'èxit de l'estratègia de control mitjançant simulacions s'ha implementat en una planta semi-industrial. Finalment es planteja l'estructura d'uns sistema supervisor encarregat de controlar el funcionament de l'SBR no només a nivell de fases sinó també a nivell cicle.

Improvement of strategies for the management of fire blight (Erwinia amylovora). Evaluation and optimization of physical and chemical control methods, and use of decision support systems

El foc bacterià és una malaltia que afecta a plantes de la família de la rosàcies, causada pel bacteri Erwinia amylovora. El seu rang d'hostes inclou arbres fruiters, com la perera, la pomera o el codonyer, i plantes ornamentals de gran interès comercial i econòmic. Actualment, la malaltia s'ha dispersat i es troba àmpliament distribuïda en totes les zones de clima temperat del món. A Espanya, on la malaltia no és endèmica, el foc bacterià es va detectar per primer cop al 1995 al nord del país (Euskadi) i posteriorment, han aparegut varis focus en altres localitzacions, que han estat convenientment eradicats. El control del foc bacterià, és molt poc efectiu en plantes afectades per la malaltia, de manera que es basa en mesures encaminades a evitar la dispersió del patogen, i la introducció de la malaltia en regions no endèmiques. En aquest treball, la termoteràpia ha estat avaluada com a mètode d'eradicació d'E. amylovora de material vegetal de propagació asimptomàtic. S'ha demostrat que la termoteràpia és un mètode viable d'eradicar E. amylovora de material de propagació. Gairebé totes les espècies i varietats de rosàcies mantingudes en condicions d'humitat sobrevivien 7 hores a 45 ºC i més de 3 hores a 50 ºC, mentre que més d'1 hora d'exposició a 50 ºC amb calor seca produïa danys en el material vegetal i reduïa la brotació. Tractaments de 60 min a 45 ºC o 30 min a 50 ºC van ser suficients per reduir la població epífita d'E. amylovora a nivells no detectables (5 x 102 ufc g-1 p.f.) en branques de perera. Els derivats dels fosfonats i el benzotiadiazol són efectius en el control del foc bacterià en perera i pomera, tant en condicions de laboratori, com d'hivernacle i camp. Els inductors de defensa de les plantes redueixen els nivells de malaltia fins al 40-60%. Els intervals de temps mínims per aconseguir el millor control de la malaltia van ser 5 dies pel fosetil-Al, i 7 dies per l'etefon i el benzotiadiazol, i les dosis òptimes pel fosetil-Al i el benzotiadiazol van ser 3.72 g HPO32- L-1 i 150 mg i.a. L-1, respectivament. Es millora l'eficàcia del fosetil-Al i del benzotiadiazol en el control del foc bacterià, quan es combinen amb els antibiòtics a la meitat de la dosi d'aquests últims. Tot i que l'estratègia de barrejar productes és més pràctica i fàcil de dur a terme a camp, que l'estratègia de combinar productes, el millor nivell de control de la malaltia s'aconsegueix amb l'estratègia de combinar productes. Es va analitzar a nivell histològic i ultrastructural l'efecte del benzotiadiazol i dels fosfonats en la interacció Erwinia amylovora-perera. Ni el benzotiadiazol, ni el fosetil-Al, ni l'etefon van induir canvis estructurals en els teixits de perera 7 dies després de la seva aplicació. No obstant, després de la inoculació d'E. amylovora es va observar en plantes tractades amb fosetil-Al i etefon una desorganització estructural cel·lular, mentre que en les plantes tractades amb benzotiadiazol aquestes alteracions tissulars van ser retardades. S'han avaluat dos models (Maryblyt, Cougarblight) en un camp a Espanya afectat per la malaltia, per determinar la precisió de les prediccions. Es van utilitzar dos models per elaborar el mapa de risc, el BRS-Powell combinat i el BIS95 modificat. Els resultats van mostrar dos zones amb elevat i baix risc de la malaltia. Maryblyt i Cougarblight són dos models de fàcil ús, tot i que la seva implementació en programes de maneig de la malaltia requereix que siguin avaluats i validats per un període de temps més llarg i en àrees on la malaltia hi estigui present.

Multi-objective optimization scheme for static and dynamic multicast flows

Muchas de las nuevas aplicaciones emergentes de Internet tales como TV sobre Internet, Radio sobre Internet,Video Streamming multi-punto, entre otras, necesitan los siguientes requerimientos de recursos: ancho de banda consumido, retardo extremo-a-extremo, tasa de paquetes perdidos, etc. Por lo anterior, es necesario formular una propuesta que especifique y provea para este tipo de aplicaciones los recursos necesarios para su buen funcionamiento. En esta tesis, proponemos un esquema de ingeniería de tráfico multi-objetivo a través del uso de diferentes árboles de distribución para muchos flujos multicast. En este caso, estamos usando la aproximación de múltiples caminos para cada nodo egreso y de esta forma obtener la aproximación de múltiples árboles y a través de esta forma crear diferentes árboles multicast. Sin embargo, nuestra propuesta resuelve la fracción de la división del tráfico a través de múltiples árboles. La propuesta puede ser aplicada en redes MPLS estableciendo rutas explícitas en eventos multicast. En primera instancia, el objetivo es combinar los siguientes objetivos ponderados dentro de una métrica agregada: máxima utilización de los enlaces, cantidad de saltos, el ancho de banda total consumido y el retardo total extremo-a-extremo. Nosotros hemos formulado esta función multi-objetivo (modelo MHDB-S) y los resultados obtenidos muestran que varios objetivos ponderados son reducidos y la máxima utilización de los enlaces es minimizada. El problema es NP-duro, por lo tanto, un algoritmo es propuesto para optimizar los diferentes objetivos. El comportamiento que obtuvimos usando este algoritmo es similar al que obtuvimos con el modelo. Normalmente, durante la transmisión multicast los nodos egresos pueden salir o entrar del árbol y por esta razón en esta tesis proponemos un esquema de ingeniería de tráfico multi-objetivo usando diferentes árboles para grupos multicast dinámicos. (en el cual los nodos egresos pueden cambiar durante el tiempo de vida de la conexión). Si un árbol multicast es recomputado desde el principio, esto podría consumir un tiempo considerable de CPU y además todas las comuicaciones que están usando el árbol multicast serán temporalmente interrumpida. Para aliviar estos inconvenientes, proponemos un modelo de optimización (modelo dinámico MHDB-D) que utilice los árboles multicast previamente computados (modelo estático MHDB-S) adicionando nuevos nodos egreso. Usando el método de la suma ponderada para resolver el modelo analítico, no necesariamente es correcto, porque es posible tener un espacio de solución no convexo y por esta razón algunas soluciones pueden no ser encontradas. Adicionalmente, otros tipos de objetivos fueron encontrados en diferentes trabajos de investigación. Por las razones mencionadas anteriormente, un nuevo modelo llamado GMM es propuesto y para dar solución a este problema un nuevo algoritmo usando Algoritmos Evolutivos Multi-Objetivos es propuesto. Este algoritmo esta inspirado por el algoritmo Strength Pareto Evolutionary Algorithm (SPEA). Para dar una solución al caso dinámico con este modelo generalizado, nosotros hemos propuesto un nuevo modelo dinámico y una solución computacional usando Breadth First Search (BFS) probabilístico. Finalmente, para evaluar nuestro esquema de optimización propuesto, ejecutamos diferentes pruebas y simulaciones. Las principales contribuciones de esta tesis son la taxonomía, los modelos de optimización multi-objetivo para los casos estático y dinámico en transmisiones multicast (MHDB-S y MHDB-D), los algoritmos para dar solución computacional a los modelos. Finalmente, los modelos generalizados también para los casos estático y dinámico (GMM y GMM Dinámico) y las propuestas computacionales para dar slución usando MOEA y BFS probabilístico.