Simulation and dynamics of freeway traffic

This paper presents the new package entitled Simulator of Intelligent Transportation Systems (SITS) and a computational oriented analysis of traffic dynamics. The SITS adopts a microscopic simulation approach to reproduce real traffic conditions considering different types of vehicles, drivers and roads. A set of experiments with the SITS reveal the dynamic phenomena exhibited by this kind of system. For this purpose a modelling formalism is developed that embeds the statistics and the Laplace transform. The results make possible the adoption of classical system theory tools and point out that it is possible to study traffic systems taking advantage of the knowledge gathered with automatic control algorithms. A complementary perspective for the analysis of the traffic flow is also quantified through the entropy measure.

Domestic Consumption Simulation and Management Using a Continuous Consumption Management and Optimization Algorithm

The recent changes concerning the consumers’ active participation in the efficient management of load devices for one’s own interest and for the interest of the network operator, namely in the context of demand response, leads to the need for improved algorithms and tools. A continuous consumption optimization algorithm has been improved in order to better manage the shifted demand. It has been done in a simulation and user-interaction tool capable of being integrated in a multi-agent smart grid simulator already developed, and also capable of integrating several optimization algorithms to manage real and simulated loads. The case study of this paper enhances the advantages of the proposed algorithm and the benefits of using the developed simulation and user interaction tool.

THE PREVALENCE AND PREDICTION OF PULMONARY FIBROSIS IN AN

This thesis describes an ancillary project to the Early Diagnosis of Mesothelioma and Lung Cancer in Prior Asbestos Workers study and was conducted to determine the effects of asbestos exposure, pulmonary function and cigarette smoking in the prediction of pulmonary fibrosis. 613 workers who were occupationally exposed to asbestos for an average of 25.9 (SD=14.69) years were sampled from Sarnia, Ontario. A structured questionnaire was administered during a face-to-face interview along with a low-dose computed tomography (LDCT) of the thorax. Of them, 65 workers (10.7%, 95%CI 8.12—12.24) had LDCT-detected pulmonary fibrosis. The model predicting fibrosis included the variables age, smoking (dichotomized), post FVC % splines and post- FEV1% splines. This model had a receiver operator characteristic area under the curve of 0.738. The calibration of the model was evaluated with R statistical program and the bootstrap optimism-corrected calibration slope was 0.692. Thus, our model demonstrated moderate predictive performance.

Mechanism and Prediction of Post-Operative Atrial Fibrillation Based on Atrial Electrograms

La fibrillation auriculaire (FA) est une arythmie touchant les oreillettes. En FA, la contraction auriculaire est rapide et irrégulière. Le remplissage des ventricules devient incomplet, ce qui réduit le débit cardiaque. La FA peut entraîner des palpitations, des évanouissements, des douleurs thoraciques ou l’insuffisance cardiaque. Elle augmente aussi le risque d'accident vasculaire. Le pontage coronarien est une intervention chirurgicale réalisée pour restaurer le flux sanguin dans les cas de maladie coronarienne sévère. 10% à 65% des patients qui n'ont jamais subi de FA, en sont victime le plus souvent lors du deuxième ou troisième jour postopératoire. La FA est particulièrement fréquente après une chirurgie de la valve mitrale, survenant alors dans environ 64% des patients. L'apparition de la FA postopératoire est associée à une augmentation de la morbidité, de la durée et des coûts d'hospitalisation. Les mécanismes responsables de la FA postopératoire ne sont pas bien compris. L'identification des patients à haut risque de FA après un pontage coronarien serait utile pour sa prévention. Le présent projet est basé sur l'analyse d’électrogrammes cardiaques enregistrées chez les patients après pontage un aorte-coronaire. Le premier objectif de la recherche est d'étudier si les enregistrements affichent des changements typiques avant l'apparition de la FA. Le deuxième objectif est d'identifier des facteurs prédictifs permettant d’identifier les patients qui vont développer une FA. Les enregistrements ont été réalisés par l'équipe du Dr Pierre Pagé sur 137 patients traités par pontage coronarien. Trois électrodes unipolaires ont été suturées sur l'épicarde des oreillettes pour enregistrer en continu pendant les 4 premiers jours postopératoires. La première tâche était de développer un algorithme pour détecter et distinguer les activations auriculaires et ventriculaires sur chaque canal, et pour combiner les activations des trois canaux appartenant à un même événement cardiaque. L'algorithme a été développé et optimisé sur un premier ensemble de marqueurs, et sa performance évaluée sur un second ensemble. Un logiciel de validation a été développé pour préparer ces deux ensembles et pour corriger les détections sur tous les enregistrements qui ont été utilisés plus tard dans les analyses. Il a été complété par des outils pour former, étiqueter et valider les battements sinusaux normaux, les activations auriculaires et ventriculaires prématurées (PAA, PVA), ainsi que les épisodes d'arythmie. Les données cliniques préopératoires ont ensuite été analysées pour établir le risque préopératoire de FA. L’âge, le niveau de créatinine sérique et un diagnostic d'infarctus du myocarde se sont révélés être les plus importants facteurs de prédiction. Bien que le niveau du risque préopératoire puisse dans une certaine mesure prédire qui développera la FA, il n'était pas corrélé avec le temps de l'apparition de la FA postopératoire. Pour l'ensemble des patients ayant eu au moins un épisode de FA d’une durée de 10 minutes ou plus, les deux heures précédant la première FA prolongée ont été analysées. Cette première FA prolongée était toujours déclenchée par un PAA dont l’origine était le plus souvent sur l'oreillette gauche. Cependant, au cours des deux heures pré-FA, la distribution des PAA et de la fraction de ceux-ci provenant de l'oreillette gauche était large et inhomogène parmi les patients. Le nombre de PAA, la durée des arythmies transitoires, le rythme cardiaque sinusal, la portion basse fréquence de la variabilité du rythme cardiaque (LF portion) montraient des changements significatifs dans la dernière heure avant le début de la FA. La dernière étape consistait à comparer les patients avec et sans FA prolongée pour trouver des facteurs permettant de discriminer les deux groupes. Cinq types de modèles de régression logistique ont été comparés. Ils avaient une sensibilité, une spécificité et une courbe opérateur-receveur similaires, et tous avaient un niveau de prédiction des patients sans FA très faible. Une méthode de moyenne glissante a été proposée pour améliorer la discrimination, surtout pour les patients sans FA. Deux modèles ont été retenus, sélectionnés sur les critères de robustesse, de précision, et d’applicabilité. Autour 70% patients sans FA et 75% de patients avec FA ont été correctement identifiés dans la dernière heure avant la FA. Le taux de PAA, la fraction des PAA initiés dans l'oreillette gauche, le pNN50, le temps de conduction auriculo-ventriculaire, et la corrélation entre ce dernier et le rythme cardiaque étaient les variables de prédiction communes à ces deux modèles.

Simulation and Design of a high speed Solid State Switch for Excimer Laser

Excimerlaser sind gepulste Gaslaser, die Laseremission in Form von Linienstrahlung – abhängig von der Gasmischung – im UV erzeugen. Der erste entladungsgepumpte Excimerlaser wurde 1977 von Ischenko demonstriert. Alle kommerziell verfügbaren Excimerlaser sind entladungsgepumpte Systeme. Um eine Inversion der Besetzungsdichte zu erhalten, die notwendig ist, um den Laser zum Anschwingen zu bekommen, muss aufgrund der kurzen Wellenlänge sehr stark gepumpt werden. Diese Pumpleistung muss von einem Impulsleistungsmodul erzeugt werden. Als Schaltelement gebräuchlich sind Thyratrons, Niederdruckschaltröhren, deren Lebensdauer jedoch sehr limitiert ist. Deshalb haben sich seit Mitte der 1990iger Jahre Halbleiterschalter mit Pulskompressionsstufen auch in dieser Anwendung mehr und mehr durchgesetzt. In dieser Arbeit wird versucht, die Pulskompression durch einen direkt schaltenden Halbleiterstapel zu ersetzen und dadurch die Verluste zu reduzieren sowie den Aufwand für diese Pulskompression einzusparen. Zudem kann auch die maximal mögliche Repetitionsrate erhöht werden. Um die Belastung der Bauelemente zu berechnen, wurden für alle Komponenten möglichst einfache, aber leistungsfähige Modelle entwickelt. Da die normalerweise verfügbaren Daten der Bauelemente sich aber auf andere Applikationen beziehen, mussten für alle Bauteile grundlegende Messungen im Zeitbereich der späteren Applikation gemacht werden. Für die nichtlinearen Induktivitäten wurde ein einfaches Testverfahren entwickelt um die Verluste bei sehr hohen Magnetisierungsgeschwindigkeiten zu bestimmen. Diese Messungen sind die Grundlagen für das Modell, das im Wesentlichen eine stromabhängige Induktivität beschreibt. Dieses Modell wurde für den „magnetic assist“ benützt, der die Einschaltverluste in den Halbleitern reduziert. Die Impulskondensatoren wurden ebenfalls mit einem in der Arbeit entwickelten Verfahren nahe den späteren Einsatzparametern vermessen. Dabei zeigte sich, dass die sehr gebräuchlichen Class II Keramikkondensatoren für diese Anwendung nicht geeignet sind. In der Arbeit wurden deshalb Class I Hochspannungs- Vielschicht- Kondensatoren als Speicherbank verwendet, die ein deutlich besseres Verhalten zeigen. Die eingesetzten Halbleiterelemente wurden ebenfalls in einem Testverfahren nahe den späteren Einsatzparametern vermessen. Dabei zeigte sich, dass nur moderne Leistungs-MOSFET´s für diesen Einsatz geeignet sind. Bei den Dioden ergab sich, dass nur Siliziumkarbid (SiC) Schottky Dioden für die Applikation einsetzbar sind. Für die Anwendung sind prinzipiell verschiedene Topologien möglich. Bei näherer Betrachtung zeigt sich jedoch, dass nur die C-C Transfer Anordnung die gewünschten Ergebnisse liefern kann. Diese Topologie wurde realisiert. Sie besteht im Wesentlichen aus einer Speicherbank, die vom Netzteil aufgeladen wird. Aus dieser wird dann die Energie in den Laserkopf über den Schalter transferiert. Aufgrund der hohen Spannungen und Ströme müssen 24 Schaltelemente in Serie und je 4 parallel geschaltet werden. Die Ansteuerung der Schalter wird über hochisolierende „Gate“-Transformatoren erreicht. Es zeigte sich, dass eine sorgfältig ausgelegte dynamische und statische Spannungsteilung für einen sicheren Betrieb notwendig ist. In der Arbeit konnte ein Betrieb mit realer Laserkammer als Last bis 6 kHz realisiert werden, der nur durch die maximal mögliche Repetitionsrate der Laserkammer begrenzt war.

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.

Nutrient monitoring, simulation and management within a major lowland UK river system: the Kennet

This paper describes an assessment of the nitrogen and phosphorus dynamics of the River Kennet in the south east of England. The Kennet catchment (1200 km(2)) is a predominantly groundwater fed river impacted by agricultural and sewage sources of nutrient (nitrogen and phosphorus) pollution. The results from a suite of simulation models are integrated to assess the key spatial and temporal variations in the nitrogen (N) and phosphorus (P) chemistry, and the influence of changes in phosphorous inputs from a Sewage Treatment Works on the macrophyte and epiphyte growth patterns. The models used are the Export Co-efficient model, the Integrated Nitrogen in Catchments model, and a new model of in-stream phosphorus and macrophyte dynamics: the 'Kennet' model. The paper concludes with a discussion on the present state of knowledge regarding the water quality functioning, future research needs regarding environmental modelling and the use of models as management tools for large, nutrient impacted riverine systems. (C) 2003 IMACS. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Performance and prediction: Bayesian modelling of fallible choice in chess

Evaluating agents in decision-making applications requires assessing their skill and predicting their behaviour. Both are well developed in Poker-like situations, but less so in more complex game and model domains. This paper addresses both tasks by using Bayesian inference in a benchmark space of reference agents. The concepts are explained and demonstrated using the game of chess but the model applies generically to any domain with quantifiable options and fallible choice. Demonstration applications address questions frequently asked by the chess community regarding the stability of the rating scale, the comparison of players of different eras and/or leagues, and controversial incidents possibly involving fraud. The last include alleged under-performance, fabrication of tournament results, and clandestine use of computer advice during competition. Beyond the model world of games, the aim is to improve fallible human performance in complex, high-value tasks.

Data assimilation for marine monitoring and prediction: The MERCATOR operational assimilation systems and the MERSEA developments

During the past 15 years, a number of initiatives have been undertaken at national level to develop ocean forecasting systems operating at regional and/or global scales. The co-ordination between these efforts has been organized internationally through the Global Ocean Data Assimilation Experiment (GODAE). The French MERCATOR project is one of the leading participants in GODAE. The MERCATOR systems routinely assimilate a variety of observations such as multi-satellite altimeter data, sea-surface temperature and in situ temperature and salinity profiles, focusing on high-resolution scales of the ocean dynamics. The assimilation strategy in MERCATOR is based on a hierarchy of methods of increasing sophistication including optimal interpolation, Kalman filtering and variational methods, which are progressively deployed through the Syst`eme d’Assimilation MERCATOR (SAM) series. SAM-1 is based on a reduced-order optimal interpolation which can be operated using ‘altimetry-only’ or ‘multi-data’ set-ups; it relies on the concept of separability, assuming that the correlations can be separated into a product of horizontal and vertical contributions. The second release, SAM-2, is being developed to include new features from the singular evolutive extended Kalman (SEEK) filter, such as three-dimensional, multivariate error modes and adaptivity schemes. The third one, SAM-3, considers variational methods such as the incremental four-dimensional variational algorithm. Most operational forecasting systems evaluated during GODAE are based on least-squares statistical estimation assuming Gaussian errors. In the framework of the EU MERSEA (Marine EnviRonment and Security for the European Area) project, research is being conducted to prepare the next-generation operational ocean monitoring and forecasting systems. The research effort will explore nonlinear assimilation formulations to overcome limitations of the current systems. This paper provides an overview of the developments conducted in MERSEA with the SEEK filter, the Ensemble Kalman filter and the sequential importance re-sampling filter.

Anticipatory activation in the amygdala and anterior cingulate in generalized anxiety disorder and prediction of treatment response

OBJECTIVE: The anticipation of adverse outcomes, or worry, is a cardinal symptom of generalized anxiety disorder. Prior work with healthy subjects has shown that anticipating aversive events recruits a network of brain regions, including the amygdala and anterior cingulate cortex. This study tested whether patients with generalized anxiety disorder have alterations in anticipatory amygdala function and whether anticipatory activity in the anterior cingulate cortex predicts treatment response. METHOD: Functional magnetic resonance imaging (fMRI) was employed with 14 generalized anxiety disorder patients and 12 healthy comparison subjects matched for age, sex, and education. The event-related fMRI paradigm was composed of one warning cue that preceded aversive pictures and a second cue that preceded neutral pictures. Following the fMRI session, patients received 8 weeks of treatment with extended-release venlafaxine. RESULTS: Patients with generalized anxiety disorder showed greater anticipatory activity than healthy comparison subjects in the bilateral dorsal amygdala preceding both aversive and neutral pictures. Building on prior reports of pretreatment anterior cingulate cortex activity predicting treatment response, anticipatory activity in that area was associated with clinical outcome 8 weeks later following treatment with venlafaxine. Higher levels of pretreatment anterior cingulate cortex activity in anticipation of both aversive and neutral pictures were associated with greater reductions in anxiety and worry symptoms. CONCLUSIONS: These findings of heightened and indiscriminate amygdala responses to anticipatory signals in generalized anxiety disorder and of anterior cingulate cortex associations with treatment response provide neurobiological support for the role of anticipatory processes in the pathophysiology of generalized anxiety disorder.

Measurement and prediction of the effect of students activities on airborne particulate concentration in a classroom.

Epidemiological studies have shown links between human exposure to indoor airborne particles and adverse health affects. Several recent studies have also reported that the classroom environment has an impact on students’ health and performance. In this study particle concentration in a university classroom is assessed experimentally for different occupancy periods. The mass concentrations of different particle size ranges (0.3 – 20 µm), and the three particulate matter fractions (PM10, PM2.5, and PM1) were measured simultaneously in a classroom with different occupancy periods including occupied and unoccupied periods in the University of Reading, UK, during the winter period of 2010. The results showed that students’ presence is a significant factor affecting particles concentration for the fractions above PM1 in the measured range of 0.3 to 20 µm. The resuspension of the three PM fractions was also determined in the study.