Molecular quantum similarity in QSAR: applications in computer-aided molecular design

La present tesi està centrada en l'ús de la Teoria de Semblança Quàntica per a calcular descriptors moleculars. Aquests descriptors s'utilitzen com a paràmetres estructurals per a derivar correlacions entre l'estructura i la funció o activitat experimental per a un conjunt de compostos. Els estudis de Relacions Quantitatives Estructura-Activitat són d'especial interès per al disseny racional de molècules assistit per ordinador i, en particular, per al disseny de fàrmacs. Aquesta memòria consta de quatre parts diferenciades. En els dos primers blocs es revisen els fonaments de la teoria de semblança quàntica, així com l'aproximació topològica basada en la teoria de grafs. Ambdues teories es fan servir per a calcular els descriptors moleculars. En el segon bloc, s'ha de remarcar la programació i implementació de programari per a calcular els anomenats índexs topològics de semblança quàntica. La tercera secció detalla les bases de les Relacions Quantitatives Estructura-Activitat i, finalment, el darrer apartat recull els resultats d'aplicació obtinguts per a diferents sistemes biològics.

Integration of knowledge-based, qualitative and numeric tools for real time dynamic systems supervision

The proposal presented in this thesis is to provide designers of knowledge based supervisory systems of dynamic systems with a framework to facilitate their tasks avoiding interface problems among tools, data flow and management. The approach is thought to be useful to both control and process engineers in assisting their tasks. The use of AI technologies to diagnose and perform control loops and, of course, assist process supervisory tasks such as fault detection and diagnose, are in the scope of this work. Special effort has been put in integration of tools for assisting expert supervisory systems design. With this aim the experience of Computer Aided Control Systems Design (CACSD) frameworks have been analysed and used to design a Computer Aided Supervisory Systems (CASSD) framework. In this sense, some basic facilities are required to be available in this proposed framework: ·

Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.

Graphical tracking systems revisited: a practical approach to computer scheduling in horticulture

Graphical tracking is a technique for crop scheduling where the actual plant state is plotted against an ideal target curve which encapsulates all crop and environmental characteristics. Management decisions are made on the basis of the position of the actual crop against the ideal position. Due to the simplicity of the approach it is possible for graphical tracks to be developed on site without the requirement for controlled experimentation. Growth models and graphical tracks are discussed, and an implementation of the Richards curve for graphical tracking described. In many cases, the more intuitively desirable growth models perform sub-optimally due to problems with the specification of starting conditions, environmental factors outside the scope of the original model and the introduction of new cultivars. Accurate specification for a biological model requires detailed and usually costly study, and as such is not adaptable to a changing cultivar range and changing cultivation techniques. Fitting of a new graphical track for a new cultivar can be conducted on site and improved over subsequent seasons. Graphical tracking emphasises the current position relative to the objective, and as such does not require the time consuming or system specific input of an environmental history, although it does require detailed crop measurement. The approach is flexible and could be applied to a variety of specification metrics, with digital imaging providing a route for added value. For decision making regarding crop manipulation from the observed current state, there is a role for simple predictive modelling over the short term to indicate the short term consequences of crop manipulation.

Effect of refrigeration systems upon frozen bull sperm viability assessed by computer-assisted sperm analysis and fluorescent probes

Sperm cryopreservation success depends upon the maintenance of spermatozoa fertility potential. Sperm cells must preserve both integrity and functionality of several cell structures. The stabilization phase must allow the exit of water from the sperm cells via osmosis. This study aimed to compare the effect of refrigeration in the commercial refrigerator (CR) and the transport/refrigeration box (TRB) upon the viability of frozen bull sperm diluted in three different extenders (A, B and C). Ten Nellore bulls, Bos taurus indicus maintained in Artificial Insemination Center were used and the spermatozoa samples was assessed for Plasma Membrane Integrity and CASA evaluation. The stabilization phase (5 degrees C/4 hours) was performed in the CR as well as in the TRB, and then samples were exposed to nitrogen vapor during 20 minutes and then plunged into nitrogen. The statistical analysis was done using the variance analysis and the significance level was set at 5%. In the CR the post-thawing parameters for PM and ALH were higher (p < 0.05) in the extender A (glicine egg-yolk) and extender B (glicine egg-free) when compared with extender C (TRIS egg-yolk). As for BCF, STR and LIN, the parameters were higher (p < 0.05) in extender B than in C. Samples that were stabilized in the TRB presented higher post-thawing parameters (p < 0.05) for PM and LIN in extender A and extender B when compared with C. BCF and STR parameters were higher (p < 0.05) in extemder B when compared with C. Extender B samples had higher (p < 0.05) PMI when stabilized in CR. The findings in this experiment enable us to say that both CR and TRB were effective in keeping the viability of post-thawing bull semen.

Lorentz-violating dilatations in momentum space and some extensions on nonlinear actions of Lorentz-algebra-preserving systems

We work on some general extensions of the formalism for theories which preserve the relativity of inertial frames with a nonlinear action of the Lorentz transformations on momentum space. Relativistic particle models invariant under the corresponding deformed symmetries are presented with particular emphasis on deformed dilatation transformations. The algebraic transformations relating the deformed symmetries with the usual (undeformed) ones are provided in order to preserve the Lorentz algebra. Two distinct cases are considered: a deformed dilatation transformation with a spacelike preferred direction and a very special relativity embedding with a lightlike preferred direction. In both analysis we consider the possibility of introducing quantum deformations of the corresponding symmetries such that the spacetime coordinates can be reconstructed and the particular form of the real space-momentum commutator remains covariant. Eventually feasible experiments, for which the nonlinear Lorentz dilatation effects here pointed out may be detectable, are suggested.

GENERAL POTENTIALS DESCRIBED BY SO(2,1) DYNAMIC ALGEBRA IN PARABOLIC-COORDINATE SYSTEMS

We propose general three-dimensional potentials in rotational and cylindrical parabolic coordinates which are generated by direct products of the SO(2, 1) dynamical group. Then we construct their Green functions algebraically and find their spectra. Particular cases of these potentials which appear in the literature are also briefly discussed.

Tuning of fuzzy inference systems through unconstrained optimization techniques

This paper presents a new methodology for the adjustment of fuzzy inference systems. A novel approach, which uses unconstrained optimization techniques, is developed in order to adjust the free parameters of the fuzzy inference system, such as its intrinsic parameters of the membership function and the weights of the inference rules. This methodology is interesting, not only for the results presented and obtained through computer simulations, but also for its generality concerning to the kind of fuzzy inference system used. Therefore, this methodology is expandable either to the Mandani architecture or also to that suggested by Takagi-Sugeno. The validation of the presented methodology is accomplished through an estimation of time series. More specifically, the Mackey-Glass chaotic time series estimation is used for the validation of the proposed methodology.

A study on human error in the interaction with the computer systems

The term human factor is used by professionals of various fields meant for understanding the behavior of human beings at work. The human being, while developing a cooperative activity with a computer system, is subject to cause an undesirable situation in his/her task. This paper starts from the principle that human errors may be considered as a cause or factor contributing to a series of accidents and incidents in many diversified fields in which human beings interact with automated systems. We propose a simulator of performance in error with potentiality to assist the Human Computer Interaction (HCI) project manager in the construction of the critical systems. © 2011 Springer-Verlag.

Computer tools to aid the learning and design steps for photovoltaic systems

This paper presents novel simulation tools to assist the lecturers about learning processes on renewable energy sources, considering photovoltaic (PV) systems. The PV behavior, functionality and its interaction with power electronic converters are investigated in the simulation tools. The main PV output characteristics, I (current) versus V (voltage) and P (power) versus V (voltage), were implemented in the tools, in order to aid the users for the design steps. In order to verify the effectiveness of the developed tools the simulation results were compared with Matlab. Finally, a prototype was implemented with the purpose to compare the experimental results with the results from the proposed tools, validating its operational feasibility. © 2011 IEEE.

Generalized Metropolis dynamics with a generalized master equation: An approach for time-independent and time-dependent Monte Carlo simulations of generalized spin systems

The extension of Boltzmann-Gibbs thermostatistics, proposed by Tsallis, introduces an additional parameter q to the inverse temperature beta. Here, we show that a previously introduced generalized Metropolis dynamics to evolve spin models is not local and does not obey the detailed energy balance. In this dynamics, locality is only retrieved for q = 1, which corresponds to the standard Metropolis algorithm. Nonlocality implies very time-consuming computer calculations, since the energy of the whole system must be reevaluated when a single spin is flipped. To circumvent this costly calculation, we propose a generalized master equation, which gives rise to a local generalized Metropolis dynamics that obeys the detailed energy balance. To compare the different critical values obtained with other generalized dynamics, we perform Monte Carlo simulations in equilibrium for the Ising model. By using short-time nonequilibrium numerical simulations, we also calculate for this model the critical temperature and the static and dynamical critical exponents as functions of q. Even for q not equal 1, we show that suitable time-evolving power laws can be found for each initial condition. Our numerical experiments corroborate the literature results when we use nonlocal dynamics, showing that short-time parameter determination works also in this case. However, the dynamics governed by the new master equation leads to different results for critical temperatures and also the critical exponents affecting universality classes. We further propose a simple algorithm to optimize modeling the time evolution with a power law, considering in a log-log plot two successive refinements.

Knowledge management in intelligent tutoring systems

In the last years, Intelligent Tutoring Systems have been a very successful way for improving learning experience. Many issues must be addressed until this technology can be defined mature. One of the main problems within the Intelligent Tutoring Systems is the process of contents authoring: knowledge acquisition and manipulation processes are difficult tasks because they require a specialised skills on computer programming and knowledge engineering. In this thesis we discuss a general framework for knowledge management in an Intelligent Tutoring System and propose a mechanism based on first order data mining to partially automate the process of knowledge acquisition that have to be used in the ITS during the tutoring process. Such a mechanism can be applied in Constraint Based Tutor and in the Pseudo-Cognitive Tutor. We design and implement a part of the proposed architecture, mainly the module of knowledge acquisition from examples based on first order data mining. We then show that the algorithm can be applied at least two different domains: first order algebra equation and some topics of C programming language. Finally we discuss the limitation of current approach and the possible improvements of the whole framework.

Computer simulations of charged systems in partially periodic geometries

This work presents algorithms for the calculation of the electrostatic interaction in partially periodic systems. The framework for these algorithms is provided by the simulation package ESPResSo, of which the author was one of the main developers. The prominent features of the program are listed and the internal structure is described. In the following, algorithms for the calculation of the Coulomb sum in three dimensionally periodic systems are described. These methods are the foundations for the algorithms for partially periodic systems presented in this work. Starting from the MMM2D method for systems with one non-periodic coordinate, the ELC method for these systems is developed. This method consists of a correction term which allows to use methods for three dimensional periodicity also for the case of two periodic coordinates. The computation time of this correction term is neglible for large numbers of particles. The performance of MMM2D and ELC are demonstrated by results from the implementations contained in ESPResSo. It is also discussed, how different dielectric constants inside and outside of the simulation box can be realized. For systems with one periodic coordinate, the MMM1D method is derived from the MMM2D method. This method is applied to the problem of the attraction of like-charged rods in the presence of counterions, and results of the strong coupling theory for the equilibrium distance of the rods at infinite counterion-coupling are checked against results from computer simulations. The degree of agreement between the simulations at finite coupling and the theory can be characterized by a single parameter gamma_RB. In the special case of T=0, one finds under certain circumstances flat configurations, in which all charges are located in the rod-rod plane. The energetically optimal configuration and its stability are determined analytically, which depends on only one parameter gamma_z, similar to gamma_RB. These findings are in good agreement with results from computer simulations.