Fuzzy Logic-Based Approaches in Water Resource System Modelling

Recent research in modelling uncertainty in water resource systems has highlighted the use of fuzzy logic-based approaches. A number of research contributions exist in the literature that deal with uncertainty in water resource systems including fuzziness, subjectivity, imprecision and lack of adequate data. This chapter presents a broad overview of the fuzzy logic-based approaches adopted in addressing uncertainty in water resource systems modelling. Applications of fuzzy rule-based systems and fuzzy optimisation are then discussed. Perspectives on the scope for further research are presented.

Social insect colony as a biological regulatory system: modelling information flow in dominance networks

Social insects provide an excellent platform to investigate flow of information in regulatory systems since their successful social organization is essentially achieved by effective information transfer through complex connectivity patterns among the colony members. Network representation of such behavioural interactions offers a powerful tool for structural as well as dynamical analysis of the underlying regulatory systems. In this paper, we focus on the dominance interaction networks in the tropical social wasp Ropalidia marginata-a species where behavioural observations indicate that such interactions are principally responsible for the transfer of information between individuals about their colony needs, resulting in a regulation of their own activities. Our research reveals that the dominance networks of R. marginata are structurally similar to a class of naturally evolved information processing networks, a fact confirmed also by the predominance of a specific substructure-the `feed-forward loop'-a key functional component in many other information transfer networks. The dynamical analysis through Boolean modelling confirms that the networks are sufficiently stable under small fluctuations and yet capable of more efficient information transfer compared to their randomized counterparts. Our results suggest the involvement of a common structural design principle in different biological regulatory systems and a possible similarity with respect to the effect of selection on the organization levels of such systems. The findings are also consistent with the hypothesis that dominance behaviour has been shaped by natural selection to co-opt the information transfer process in such social insect species, in addition to its primal function of mediation of reproductive competition in the colony.

Automated nonlinear system modelling with multiple neural networks

This article discusses the identification of nonlinear dynamic systems using multi-layer perceptrons (MLPs). It focuses on both structure uncertainty and parameter uncertainty, which have been widely explored in the literature of nonlinear system identification. The main contribution is that an integrated analytic framework is proposed for automated neural network structure selection, parameter identification and hysteresis network switching with guaranteed neural identification performance. First, an automated network structure selection procedure is proposed within a fixed time interval for a given network construction criterion. Then, the network parameter updating algorithm is proposed with guaranteed bounded identification error. To cope with structure uncertainty, a hysteresis strategy is proposed to enable neural identifier switching with guaranteed network performance along the switching process. Both theoretic analysis and a simulation example show the efficacy of the proposed method.

Hybrid Power System Modelling - Simulation and Energy Management Unit Development

Weltweit leben mehr als 2 Milliarden Menschen in ländlichen Gebieten. Als Konzept für die elektrische Energieversorgung solcher Gebiete kommen dezentrale elektrische Energieversorgungseinheiten zum Einsatz, die lokal verfügbare erneuerbare Ressourcen nutzen. Stand der Technik bilden Einheiten, die auf PV-Diesel-Batterie System basieren. Die verwendeten Versorgungsskonzepte in Hybridsystemen sind durch den Einsatz von Batterien als Energiespeicher meist wenig zuverlässig und teuer. Diese Energiespeicher sind sehr aufwendig zu überwachen und schwerig zu entsorgen. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Entwicklung eines neuen Hybridsystems mit einem Wasserreservoir als Energiespeicher. Dieses Konzept eignet sich für Bergregionen in Entwicklungsländern wie Nepal, wo z.B. neben der solaren Strahlung kleine Flüsse in großer Anzahl vorhanden sind. Das Hybridsystem verfügt über einen Synchrongenerator, der die Netzgrößen Frequenz und Spannung vorgibt und zusätzlich unterstützen PV und Windkraftanlage die Versorgung. Die Wasserkraftanlage soll den Anteil der erneuerbaren Energienutzung erhöhen. Die Erweiterung des Systems um ein Dieselaggregat soll die Zuverlässigkeit der Versorgung erhöhen. Das Hybridsystem inkl. der Batterien wird modelliert und simuliert. Anschließend werden die Simulations- und Messergebnisse verglichen, um eine Validierung des Modells zu erreichen. Die Regelungsstruktur ist aufgrund der hohen Anzahl an Systemen und Parametern sehr komplex. Sie wird mit dem Simulationstool Matlab/Simulink nachgebildet. Das Verhalten des Gesamtsystems wird unter verschiedene Lasten und unterschiedlichen meteorologischen Gegebenheiten untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung einer modularen Energiemanagementeinheit, die auf Basis der erneuerbaren Energieversorgung aufgebaut wird. Dabei stellt die Netzfrequenz eine wichtige Eingangsgröße für die Regelung dar. Sie gibt über die Wirkleistungsstatik die Leistungsänderung im Netz wider. Über diese Angabe und die meteorologischen Daten kann eine optimale wirtschaftliche Aufteilung der Energieversorgung berechnet und eine zuverlässige Versorgung gewährleistet werden. Abschließend wurde die entwickelte Energiemanagementeinheit hardwaretechnisch aufgebaut, sowie Sensoren, Anzeige- und Eingabeeinheit in die Hardware integriert. Die Algorithmen werden in einer höheren Programmiersprache umgesetzt. Die Simulationen unter verschiedenen meteorologischen und netztechnischen Gegebenheiten mit dem entwickelten Model eines Hybridsystems für die elektrische Energieversorgung haben gezeigt, dass das verwendete Konzept mit einem Wasserreservoir als Energiespeicher ökologisch und ökonomisch eine geeignete Lösung für Entwicklungsländer sein kann. Die hardwaretechnische Umsetzung des entwickelten Modells einer Energiemanagementeinheit hat seine sichere Funktion bei der praktischen Anwendung in einem Hybridsystem bestätigen können.

PRISM and ENES: a European approach to Earth system modelling

Europe's widely distributed climate modelling expertise, now organized in the European Network for Earth System Modelling (ENES), is both a strength and a challenge. Recognizing this, the European Union's Program for Integrated Earth System Modelling (PRISM) infrastructure project aims at designing a flexible and friendly user environment to assemble, run and post-process Earth System models. PRISM was started in December 2001 with a duration of three years. This paper presents the major stages of PRISM, including: (1) the definition and promotion of scientific and technical standards to increase component modularity; (2) the development of an end-to-end software environment (graphical user interface, coupling and I/O system, diagnostics, visualization) to launch, monitor and analyse complex Earth system models built around state-of-art community component models (atmosphere, ocean, atmospheric chemistry, ocean bio-chemistry, sea-ice, land-surface); and (3) testing and quality standards to ensure high-performance computing performance on a variety of platforms. PRISM is emerging as a core strategic software infrastructure for building the European research area in Earth system sciences. Copyright (c) 2005 John Wiley & Sons, Ltd.

Developing new components for variable flow distribution system modelling in TRNSYS

This study attempts to fill the existing gap in the simulation of variable flow distribution systems through developing new pressure governing components. These components are able to capture the actual ever-changing system performance curve in variable flow distribution systems together with the prediction of controversial issues such as starving, over-flow and the lack of controllability on the flow rate of different branches in a hydronic system. The performance of the proposed components is verified using a case study under design and off-design circumstances. Full integration of the new components within the TRNSYS simulation package is another advantage of this study, which makes it more applicable for designers in both the design and commissioning of hydronic systems.