Methods of Adaptive Extraction and Analysis of Knowledge for Knowledge-base Construction and Fast Decision Making

An approach for knowledge extraction from the information arriving to the knowledge base input and also new knowledge distribution over knowledge subsets already present in the knowledge base is developed. It is also necessary to realize the knowledge transform into parameters (data) of the model for the following decision-making on the given subset. It is assumed to realize the decision-making with the fuzzy sets’ apparatus.

Data partitioning and replication management in distributed geographic information system (GIS) database

This research presents several components encompassing the scope of the objective of Data Partitioning and Replication Management in Distributed GIS Database. Modern Geographic Information Systems (GIS) databases are often large and complicated. Therefore data partitioning and replication management problems need to be addresses in development of an efficient and scalable solution. ^ Part of the research is to study the patterns of geographical raster data processing and to propose the algorithms to improve availability of such data. These algorithms and approaches are targeting granularity of geographic data objects as well as data partitioning in geographic databases to achieve high data availability and Quality of Service(QoS) considering distributed data delivery and processing. To achieve this goal a dynamic, real-time approach for mosaicking digital images of different temporal and spatial characteristics into tiles is proposed. This dynamic approach reuses digital images upon demand and generates mosaicked tiles only for the required region according to user's requirements such as resolution, temporal range, and target bands to reduce redundancy in storage and to utilize available computing and storage resources more efficiently. ^ Another part of the research pursued methods for efficient acquiring of GIS data from external heterogeneous databases and Web services as well as end-user GIS data delivery enhancements, automation and 3D virtual reality presentation. ^ There are vast numbers of computing, network, and storage resources idling or not fully utilized available on the Internet. Proposed "Crawling Distributed Operating System "(CDOS) approach employs such resources and creates benefits for the hosts that lend their CPU, network, and storage resources to be used in GIS database context. ^ The results of this dissertation demonstrate effective ways to develop a highly scalable GIS database. The approach developed in this dissertation has resulted in creation of TerraFly GIS database that is used by US government, researchers, and general public to facilitate Web access to remotely-sensed imagery and GIS vector information. ^

Optimization models and methods for real-time transportation planning in forestry

Lors du transport du bois de la forêt vers les usines, de nombreux événements imprévus peuvent se produire, événements qui perturbent les trajets prévus (par exemple, en raison des conditions météo, des feux de forêt, de la présence de nouveaux chargements, etc.). Lorsque de tels événements ne sont connus que durant un trajet, le camion qui accomplit ce trajet doit être détourné vers un chemin alternatif. En l’absence d’informations sur un tel chemin, le chauffeur du camion est susceptible de choisir un chemin alternatif inutilement long ou pire, qui est lui-même "fermé" suite à un événement imprévu. Il est donc essentiel de fournir aux chauffeurs des informations en temps réel, en particulier des suggestions de chemins alternatifs lorsqu’une route prévue s’avère impraticable. Les possibilités de recours en cas d’imprévus dépendent des caractéristiques de la chaîne logistique étudiée comme la présence de camions auto-chargeurs et la politique de gestion du transport. Nous présentons trois articles traitant de contextes d’application différents ainsi que des modèles et des méthodes de résolution adaptés à chacun des contextes. Dans le premier article, les chauffeurs de camion disposent de l’ensemble du plan hebdomadaire de la semaine en cours. Dans ce contexte, tous les efforts doivent être faits pour minimiser les changements apportés au plan initial. Bien que la flotte de camions soit homogène, il y a un ordre de priorité des chauffeurs. Les plus prioritaires obtiennent les volumes de travail les plus importants. Minimiser les changements dans leurs plans est également une priorité. Étant donné que les conséquences des événements imprévus sur le plan de transport sont essentiellement des annulations et/ou des retards de certains voyages, l’approche proposée traite d’abord l’annulation et le retard d’un seul voyage, puis elle est généralisée pour traiter des événements plus complexes. Dans cette ap- proche, nous essayons de re-planifier les voyages impactés durant la même semaine de telle sorte qu’une chargeuse soit libre au moment de l’arrivée du camion à la fois au site forestier et à l’usine. De cette façon, les voyages des autres camions ne seront pas mo- difiés. Cette approche fournit aux répartiteurs des plans alternatifs en quelques secondes. De meilleures solutions pourraient être obtenues si le répartiteur était autorisé à apporter plus de modifications au plan initial. Dans le second article, nous considérons un contexte où un seul voyage à la fois est communiqué aux chauffeurs. Le répartiteur attend jusqu’à ce que le chauffeur termine son voyage avant de lui révéler le prochain voyage. Ce contexte est plus souple et offre plus de possibilités de recours en cas d’imprévus. En plus, le problème hebdomadaire peut être divisé en des problèmes quotidiens, puisque la demande est quotidienne et les usines sont ouvertes pendant des périodes limitées durant la journée. Nous utilisons un modèle de programmation mathématique basé sur un réseau espace-temps pour réagir aux perturbations. Bien que ces dernières puissent avoir des effets différents sur le plan de transport initial, une caractéristique clé du modèle proposé est qu’il reste valable pour traiter tous les imprévus, quelle que soit leur nature. En effet, l’impact de ces événements est capturé dans le réseau espace-temps et dans les paramètres d’entrée plutôt que dans le modèle lui-même. Le modèle est résolu pour la journée en cours chaque fois qu’un événement imprévu est révélé. Dans le dernier article, la flotte de camions est hétérogène, comprenant des camions avec des chargeuses à bord. La configuration des routes de ces camions est différente de celle des camions réguliers, car ils ne doivent pas être synchronisés avec les chargeuses. Nous utilisons un modèle mathématique où les colonnes peuvent être facilement et naturellement interprétées comme des itinéraires de camions. Nous résolvons ce modèle en utilisant la génération de colonnes. Dans un premier temps, nous relaxons l’intégralité des variables de décision et nous considérons seulement un sous-ensemble des itinéraires réalisables. Les itinéraires avec un potentiel d’amélioration de la solution courante sont ajoutés au modèle de manière itérative. Un réseau espace-temps est utilisé à la fois pour représenter les impacts des événements imprévus et pour générer ces itinéraires. La solution obtenue est généralement fractionnaire et un algorithme de branch-and-price est utilisé pour trouver des solutions entières. Plusieurs scénarios de perturbation ont été développés pour tester l’approche proposée sur des études de cas provenant de l’industrie forestière canadienne et les résultats numériques sont présentés pour les trois contextes.

Analysis of N-nitrosames in water using micellar electrokinetic chromatography (MEKC) and development of online and offline methods of extraction and enrichment of neutral polar analytes

Evaluation of the quality of the environment is essential for human wellness as pollutants in trace amounts can cause serious health problem. Nitrosamines are a group of compounds that are considered potential carcinogens and can be found in drinking water (as disinfection byproducts), foods, beverages and cosmetics. To monitor the level of these compounds to minimize daily intakes, fast and reliable analytical techniques are required. As these compounds are relatively highly polar, extraction and enrichment from environmental samples (aqueous) are challenging. Also, the trend of analytical techniques toward the reduction of sample size and minimization of organic solvent use demands new methods of analysis. In light of fulfilling these requirements, a new method of online preconcentration tailored to an electrokinetic chromatography is introduced. In this method, electroosmotic flow (EOF) was suppressed to increase the interaction time between analyte and micellar phase, therefore the only force to mobilize the neutral analytes is the interaction of analyte with moving micelles. In absence of EOF, polarity of applied potential was switched (negative or positive) to force (anionic or cationic) micelles to move toward the detector. To avoid the excessive band broadening due to longer analysis time caused by slow moving micelles, auxiliary pressure was introduced to boost the micelle movement toward the detector using an in house designed and built apparatus. Applying the external auxiliary pressure significantly reduced the analysis times without compromising separation efficiency. Parameters, such as type of surfactants, composition of background electrolyte (BGE), type of capillary, matrix effect, organic modifiers, etc., were evaluated in optimization of the method. The enrichment factors for targeted analytes were impressive, particularly; cationic surfactants were shown to be suitable for analysis of nitrosamines due to their ability to act as hydrogen bond donors. Ammonium perfluorooctanoate (APFO) also showed remarkable results in term of peak shapes and number of theoretical plates. It was shown that the separation results were best when a high conductivity sample was paired with a BGE of lower conductivity. Using higher surfactant concentrations (up to 200 mM SDS) than usual (50 mM SDS) for micellar electrokinetic chromatography (MEKC) improved the sweeping. A new method for micro-extraction and enrichment of highly polar neutral analytes (N-Nitrosamines in particular) based on three-phase drop micro-extraction was introduced and its performance studied. In this method, a new device using some easy-to-find components was fabricated and its operation and application demonstrated. Compared to conventional extraction methods (liquid-liquid extraction), consumption of organic solvents and operation times were significantly lower.

Optimization models and methods for real-time transportation planning in forestry

Lors du transport du bois de la forêt vers les usines, de nombreux événements imprévus peuvent se produire, événements qui perturbent les trajets prévus (par exemple, en raison des conditions météo, des feux de forêt, de la présence de nouveaux chargements, etc.). Lorsque de tels événements ne sont connus que durant un trajet, le camion qui accomplit ce trajet doit être détourné vers un chemin alternatif. En l’absence d’informations sur un tel chemin, le chauffeur du camion est susceptible de choisir un chemin alternatif inutilement long ou pire, qui est lui-même "fermé" suite à un événement imprévu. Il est donc essentiel de fournir aux chauffeurs des informations en temps réel, en particulier des suggestions de chemins alternatifs lorsqu’une route prévue s’avère impraticable. Les possibilités de recours en cas d’imprévus dépendent des caractéristiques de la chaîne logistique étudiée comme la présence de camions auto-chargeurs et la politique de gestion du transport. Nous présentons trois articles traitant de contextes d’application différents ainsi que des modèles et des méthodes de résolution adaptés à chacun des contextes. Dans le premier article, les chauffeurs de camion disposent de l’ensemble du plan hebdomadaire de la semaine en cours. Dans ce contexte, tous les efforts doivent être faits pour minimiser les changements apportés au plan initial. Bien que la flotte de camions soit homogène, il y a un ordre de priorité des chauffeurs. Les plus prioritaires obtiennent les volumes de travail les plus importants. Minimiser les changements dans leurs plans est également une priorité. Étant donné que les conséquences des événements imprévus sur le plan de transport sont essentiellement des annulations et/ou des retards de certains voyages, l’approche proposée traite d’abord l’annulation et le retard d’un seul voyage, puis elle est généralisée pour traiter des événements plus complexes. Dans cette ap- proche, nous essayons de re-planifier les voyages impactés durant la même semaine de telle sorte qu’une chargeuse soit libre au moment de l’arrivée du camion à la fois au site forestier et à l’usine. De cette façon, les voyages des autres camions ne seront pas mo- difiés. Cette approche fournit aux répartiteurs des plans alternatifs en quelques secondes. De meilleures solutions pourraient être obtenues si le répartiteur était autorisé à apporter plus de modifications au plan initial. Dans le second article, nous considérons un contexte où un seul voyage à la fois est communiqué aux chauffeurs. Le répartiteur attend jusqu’à ce que le chauffeur termine son voyage avant de lui révéler le prochain voyage. Ce contexte est plus souple et offre plus de possibilités de recours en cas d’imprévus. En plus, le problème hebdomadaire peut être divisé en des problèmes quotidiens, puisque la demande est quotidienne et les usines sont ouvertes pendant des périodes limitées durant la journée. Nous utilisons un modèle de programmation mathématique basé sur un réseau espace-temps pour réagir aux perturbations. Bien que ces dernières puissent avoir des effets différents sur le plan de transport initial, une caractéristique clé du modèle proposé est qu’il reste valable pour traiter tous les imprévus, quelle que soit leur nature. En effet, l’impact de ces événements est capturé dans le réseau espace-temps et dans les paramètres d’entrée plutôt que dans le modèle lui-même. Le modèle est résolu pour la journée en cours chaque fois qu’un événement imprévu est révélé. Dans le dernier article, la flotte de camions est hétérogène, comprenant des camions avec des chargeuses à bord. La configuration des routes de ces camions est différente de celle des camions réguliers, car ils ne doivent pas être synchronisés avec les chargeuses. Nous utilisons un modèle mathématique où les colonnes peuvent être facilement et naturellement interprétées comme des itinéraires de camions. Nous résolvons ce modèle en utilisant la génération de colonnes. Dans un premier temps, nous relaxons l’intégralité des variables de décision et nous considérons seulement un sous-ensemble des itinéraires réalisables. Les itinéraires avec un potentiel d’amélioration de la solution courante sont ajoutés au modèle de manière itérative. Un réseau espace-temps est utilisé à la fois pour représenter les impacts des événements imprévus et pour générer ces itinéraires. La solution obtenue est généralement fractionnaire et un algorithme de branch-and-price est utilisé pour trouver des solutions entières. Plusieurs scénarios de perturbation ont été développés pour tester l’approche proposée sur des études de cas provenant de l’industrie forestière canadienne et les résultats numériques sont présentés pour les trois contextes.

Multivalent reuse of web data about temporary art exhibitions: The Exhibitium Project

Our proposal aims to display the analysis techniques, methodologies as well as the most relevant results expected within the Exhibitium project framework (http://www.exhibitium.com). Awarded by the BBVA Foundation, the Exhibitium project is being developed by an international consortium of several research groups . Its main purpose is to build a comprehensive and structured data repository about temporary art exhibitions, captured from the web, to make them useful and reusable in various domains through open and interoperable data systems.

Noises: a Nuisance and a Resource. Development of New Decomposition Methods of Noisy Data

Noise is constant presence in measurements. Its origin is related to the microscopic properties of matter. Since the seminal work of Brown in 1828, the study of stochastic processes has gained an increasing interest with the development of new mathematical and analytical tools. In the last decades, the central role that noise plays in chemical and physiological processes has become recognized. The dual role of noise as nuisance/resource pushes towards the development of new decomposition techniques that divide a signal into its deterministic and stochastic components. In this thesis I show how methods based on Singular Spectrum Analysis have the right properties to fulfil the previously mentioned requirement. During my work I applied SSA to different signals of interest in chemistry: I developed a novel iterative procedure for the denoising of powder X-ray diffractograms; I “denoised” bi-dimensional images from experiments of electrochemiluminescence imaging of micro-beads obtaining new insight on ECL mechanism. I also used Principal Component Analysis to investigate the relationship between brain electrophysiological signals and voice emission.

Models and methods for damage and quantitative risk assessment of Natech scenarios

Natural events are a widely recognized hazard for industrial sites where relevant quantities of hazardous substances are handled, due to the possible generation of cascading events resulting in severe technological accidents (Natech scenarios). Natural events may damage storage and process equipment containing hazardous substances, that may be released leading to major accident scenarios called Natech events. The need to assess the risk associated with Natech scenarios is growing and methodologies were developed to allow the quantification of Natech risk, considering both point sources and linear sources as pipelines. A key element of these procedures is the use of vulnerability models providing an estimation of the damage probability of equipment or pipeline segment as a result of the impact of the natural event. Therefore, the first aim of the PhD project was to outline the state of the art of vulnerability models for equipment and pipelines subject to natural events such as floods, earthquakes, and wind. Moreover, the present PhD project also aimed at the development of new vulnerability models in order to fill some gaps in literature. In particular, a vulnerability model for vertical equipment subject to wind and to flood were developed. Finally, in order to improve the calculation of Natech risk for linear sources an original methodology was developed for Natech quantitative risk assessment methodology for pipelines subject to earthquakes. Overall, the results obtained are a step forward in the quantitative risk assessment of Natech accidents. The tools developed open the way to the inclusion of new equipment in the analysis of Natech events, and the methodology for the assessment of linear risk sources as pipelines provides an important tool for a more accurate and comprehensive assessment of Natech risk.

Transfer matrix eigenvalues of the anisotropic multiparametric U model

A multiparametric extension of the anisotropic U model is discussed which maintains integrability. The R-matrix solving the Yang-Baxter equation is obtained through a twisting construction applied to the underlying U-q(sl (2/1)) superalgebraic structure which introduces the additional free parameters that arise in the model. Three forms of Bethe ansatz solution for the transfer matrix eigenvalues are given which we show to be equivalent.

Supporting content-based image retrieval and computer-aided diagnosis systems with association rule-based techniques

In this work, we take advantage of association rule mining to support two types of medical systems: the Content-based Image Retrieval (CBIR) systems and the Computer-Aided Diagnosis (CAD) systems. For content-based retrieval, association rules are employed to reduce the dimensionality of the feature vectors that represent the images and to improve the precision of the similarity queries. We refer to the association rule-based method to improve CBIR systems proposed here as Feature selection through Association Rules (FAR). To improve CAD systems, we propose the Image Diagnosis Enhancement through Association rules (IDEA) method. Association rules are employed to suggest a second opinion to the radiologist or a preliminary diagnosis of a new image. A second opinion automatically obtained can either accelerate the process of diagnosing or to strengthen a hypothesis, increasing the probability of a prescribed treatment be successful. Two new algorithms are proposed to support the IDEA method: to pre-process low-level features and to propose a preliminary diagnosis based on association rules. We performed several experiments to validate the proposed methods. The results indicate that association rules can be successfully applied to improve CBIR and CAD systems, empowering the arsenal of techniques to support medical image analysis in medical systems. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

An association rule-based method to support medical image diagnosis with efficiency

In this paper, we propose a method based on association rule-mining to enhance the diagnosis of medical images (mammograms). It combines low-level features automatically extracted from images and high-level knowledge from specialists to search for patterns. Our method analyzes medical images and automatically generates suggestions of diagnoses employing mining of association rules. The suggestions of diagnosis are used to accelerate the image analysis performed by specialists as well as to provide them an alternative to work on. The proposed method uses two new algorithms, PreSAGe and HiCARe. The PreSAGe algorithm combines, in a single step, feature selection and discretization, and reduces the mining complexity. Experiments performed on PreSAGe show that this algorithm is highly suitable to perform feature selection and discretization in medical images. HiCARe is a new associative classifier. The HiCARe algorithm has an important property that makes it unique: it assigns multiple keywords per image to suggest a diagnosis with high values of accuracy. Our method was applied to real datasets, and the results show high sensitivity (up to 95%) and accuracy (up to 92%), allowing us to claim that the use of association rules is a powerful means to assist in the diagnosing task.

Estimation of total body water from bioelectrical impedance analysis in patients with pancreatic cancer - agreement between three methods of prediction

Introduction Bioelectrical impedance analysis (BIA) is a useful field measure to estimate total body water (TBW). No prediction formulae have been developed or validated against a reference method in patients with pancreatic cancer. The aim of this study was to assess the agreement between three prediction equations for the estimation of TBW in cachectic patients with pancreatic cancer. Methods Resistance was measured at frequencies of 50 and 200 kHz in 18 outpatients (10 males and eight females, age 70.2 +/- 11.8 years) with pancreatic cancer from two tertiary Australian hospitals. Three published prediction formulae were used to calculate TBW - TBWs developed in surgical patients, TBWca-uw and TBWca-nw developed in underweight and normal weight patients with end-stage cancer. Results There was no significant difference in the TBW estimated by the three prediction equations - TBWs 32.9 +/- 8.3 L, TBWca-nw 36.3 +/- 7.4 L, TBWca-uw 34.6 +/- 7.6 L. At a population level, there is agreement between prediction of TBW in patients with pancreatic cancer estimated from the three equations. The best combination of low bias and narrow limits of agreement was observed when TBW was estimated from the equation developed in the underweight cancer patients relative to the normal weight cancer patients. When no established BIA prediction equation exists, practitioners should utilize an equation developed in a population with similar critical characteristics such as diagnosis, weight loss, body mass index and/or age. Conclusions Further research is required to determine the accuracy of the BIA prediction technique against a reference method in patients with pancreatic cancer.