A Bayesian state space modelling approach to probabilistic quantitative precipitation forecasting

The generation of very short range forecasts of precipitation in the 0-6 h time window is traditionally referred to as nowcasting. Most existing nowcasting systems essentially extrapolate radar observations in some manner, however, very few systems account for the uncertainties involved. Thus deterministic forecast are produced, which have a limited use when decisions must be made, since they have no measure of confidence or spread of the forecast. This paper develops a Bayesian state space modelling framework for quantitative precipitation nowcasting which is probabilistic from conception. The model treats the observations (radar) as noisy realisations of the underlying true precipitation process, recognising that this process can never be completely known, and thus must be represented probabilistically. In the model presented here the dynamics of the precipitation are dominated by advection, so this is a probabilistic extrapolation forecast. The model is designed in such a way as to minimise the computational burden, while maintaining a full, joint representation of the probability density function of the precipitation process. The update and evolution equations avoid the need to sample, thus only one model needs be run as opposed to the more traditional ensemble route. It is shown that the model works well on both simulated and real data, but that further work is required before the model can be used operationally. © 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Practical methods of tracking of nonstationary time series applied to real-world data

In this paper, we discuss some practical implications for implementing adaptable network algorithms applied to non-stationary time series problems. Two real world data sets, containing electricity load demands and foreign exchange market prices, are used to test several different methods, ranging from linear models with fixed parameters, to non-linear models which adapt both parameters and model order on-line. Training with the extended Kalman filter, we demonstrate that the dynamic model-order increment procedure of the resource allocating RBF network (RAN) is highly sensitive to the parameters of the novelty criterion. We investigate the use of system noise for increasing the plasticity of the Kalman filter training algorithm, and discuss the consequences for on-line model order selection. The results of our experiments show that there are advantages to be gained in tracking real world non-stationary data through the use of more complex adaptive models.

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.

A combination of omega-3 fatty acids, folic acid and B-group vitamins is superior at lowering homocysteine than omega-3 alone: a meta-analysis

The aim of the study was to assess whether omega-3 polyunsaturated fatty acid supplementation alone or in combination with folic acid and B-group vitamins is effective in lowering homocysteine. The Medline Ovid, Embase and Cochrane databases were searched for randomized-controlled trial studies that intervened with omega-3 supplementation (with or without folic acid) and measured changes in homocysteine concentration. Studies were pooled using a random effects model for meta-analysis. Three different models were analyzed: all trials combined, omega-3 polyunsaturated fatty acid trials, and omega-3 polyunsaturated fatty acids with folic acid and B-group vitamin trials. Nineteen studies were included, consisting of 3267 participants completing 21 trials. Studies were heterogeneous; varying by dose, duration and participant health conditions. Across all trials, omega-3 supplementation was effective in lowering homocysteine by an average of 1.18μmol/L (95%CI: (-1.89, -0.48), P=.001). The average homocysteine-lowering effect was greater when omega-3 supplementation was combined with folic acid and B-group vitamins (-1.37μmol/L, 95%CI: (-2.38, -0.36), P<.01) compared to omega-3 supplementation alone (-1.09μmol/L 95%CI: (-2.04, -0.13), P=.03). Omega-3 polyunsaturated fatty acid supplementation was associated with a modest reduction in homocysteine. For the purposes of reducing homocysteine, a combination of omega-3s (0.2-6g/day), folic acid (150 - 2500μg/day) and vitamins B6 and B12 may be more effective than omega-3 supplementation alone.