A simulation model of the optimal maintenance strategy: conceptual agent-based approach

In this Master’s thesis agent-based modeling has been used to analyze maintenance strategy related phenomena. The main research question that has been answered was: what does the agent-based model made for this study tell us about how different maintenance strategy decisions affect profitability of equipment owners and maintenance service providers? Thus, the main outcome of this study is an analysis of how profitability can be increased in industrial maintenance context. To answer that question, first, a literature review of maintenance strategy, agent-based modeling and maintenance modeling and optimization was conducted. This review provided the basis for making the agent-based model. Making the model followed a standard simulation modeling procedure. With the simulation results from the agent-based model the research question was answered. Specifically, the results of the modeling and this study are: (1) optimizing the point in which a machine is maintained increases profitability for the owner of the machine and also the maintainer with certain conditions; (2) time-based pricing of maintenance services leads to a zero-sum game between the parties; (3) value-based pricing of maintenance services leads to a win-win game between the parties, if the owners of the machines share a substantial amount of their value to the maintainers; and (4) error in machine condition measurement is a critical parameter to optimizing maintenance strategy, and there is real systemic value in having more accurate machine condition measurement systems.

Linear-quadratic optimal control of descriptor systems

In recent years the analysis and synthesis of (mechanical) control systems in descriptor form has been established. This general description of dynamical systems is important for many applications in mechanics and mechatronics, in electrical and electronic engineering, and in chemical engineering as well. This contribution deals with linear mechanical descriptor systems and its control design with respect to a quadratic performance criterion. Here, the notion of properness plays an important role whether the standard Riccati approach can be applied as usual or not. Properness and non-properness distinguish between the cases if the descriptor system is exclusively governed by the control input or by its higher-order time-derivatives additionally. In the unusual case of non-proper systems a quite different problem of optimal control design has to be considered. Both cases will be solved completely.

Control of Structures with Cubic and Quadratic Non-Linearities with Time Delay Consideration

This paper studies the effect of time delay on the active non-linear control of dynamically loaded flexible structures. The behavior of non-linear systems under state feedback control, considering a fixed time delay for the control force, is investigated. A control method based on non-linear optimal control, using a tensorial formulation and state feedback control is used. The state equations and the control forces are expressed in polynomial form and a performance index, quadratic in both state vector and control forces, is used. General polynomial representations of the non-linear control law are obtained and implemented for control algorithms up to the fifth order. This methodology is applied to systems with quadratic and cubic non-linearities. Strongly non-linear systems are tested and the effectiveness of the control system including a delay for the application of control forces is discussed. Numerical results indicate that the adopted control algorithm can be efficient for non-linear systems, chiefly in the presence of strong non-linearities but increasing time delay reduces the efficiency of the control system. Numerical results emphasize the importance of considering time delay in the project of active structural control systems.

Limited-sampling strategy models for estimating the pharmacokinetic parameters of 4-methylaminoantipyrine, an active metabolite of dipyrone

Bioanalytical data from a bioequivalence study were used to develop limited-sampling strategy (LSS) models for estimating the area under the plasma concentration versus time curve (AUC) and the peak plasma concentration (Cmax) of 4-methylaminoantipyrine (MAA), an active metabolite of dipyrone. Twelve healthy adult male volunteers received single 600 mg oral doses of dipyrone in two formulations at a 7-day interval in a randomized, crossover protocol. Plasma concentrations of MAA (N = 336), measured by HPLC, were used to develop LSS models. Linear regression analysis and a "jack-knife" validation procedure revealed that the AUC0-¥ and the Cmax of MAA can be accurately predicted (R²>0.95, bias <1.5%, precision between 3.1 and 8.3%) by LSS models based on two sampling times. Validation tests indicate that the most informative 2-point LSS models developed for one formulation provide good estimates (R²>0.85) of the AUC0-¥ or Cmax for the other formulation. LSS models based on three sampling points (1.5, 4 and 24 h), but using different coefficients for AUC0-¥ and Cmax, predicted the individual values of both parameters for the enrolled volunteers (R²>0.88, bias = -0.65 and -0.37%, precision = 4.3 and 7.4%) as well as for plasma concentration data sets generated by simulation (R²>0.88, bias = -1.9 and 8.5%, precision = 5.2 and 8.7%). Bioequivalence assessment of the dipyrone formulations based on the 90% confidence interval of log-transformed AUC0-¥ and Cmax provided similar results when either the best-estimated or the LSS-derived metrics were used.

Parameter identification in time series models

Time series analysis can be categorized into three different approaches: classical, Box-Jenkins, and State space. Classical approach makes a basement for the analysis and Box-Jenkins approach is an improvement of the classical approach and deals with stationary time series. State space approach allows time variant factors and covers up a broader area of time series analysis. This thesis focuses on parameter identifiablity of different parameter estimation methods such as LSQ, Yule-Walker, MLE which are used in the above time series analysis approaches. Also the Kalman filter method and smoothing techniques are integrated with the state space approach and MLE method to estimate parameters allowing them to change over time. Parameter estimation is carried out by repeating estimation and integrating with MCMC and inspect how well different estimation methods can identify the optimal model parameters. Identification is performed in probabilistic and general senses and compare the results in order to study and represent identifiability more informative way.

Implementing the OPTIMAL model : the impact on students' motivation in an elementary school games environment

Optimal challenge occurs when an individual perceives the challenge of the task to be equaled or matched by his or her own skill level (Csikszentmihalyi, 1990). The purpose of this study was to test the impact of the OPTIMAL model on physical education students' motivation and perceptions of optimal challenge across four games categories (i. e. target, batting/fielding, net/wall, invasion). Enjoyment, competence, student goal orientation and activity level were examined in relation to the OPTIMAL model. A total of 22 (17 M; 5 F) students and their parents provided informed consent to take part in the study and were taught four OPTIMAL lessons and four non-OPTIMAL lessons ranging across the four different games categories by their own teacher. All students completed the Task and Ego in Sport Questionnaire (TEOSQ; Duda & Whitehead, 1998), the Intrinsic Motivation Inventory (IMI; McAuley, Duncan, & Tanmien, 1987) and the Children's Perception of Optimal Challenge Instrument (CPOCI; Mandigo, 2001). Sixteen students (two each lesson) were observed by using the System for Observing Fitness Instruction Time tool (SOFTT; McKenzie, 2002). As well, they participated in a structured interview which took place after each lesson was completed. Quantitative results concluded that no overall significant difference was found in motivational outcomes when comparing OPTIMAL and non-OPTIMAL lessons. However, when the lessons were broken down into games categories, significant differences emerged. Levels of perceived competence were found to be higher in non-OPTIMAL batting/fielding lessons compared to OPTIMAL lessons, whereas levels of enjoyment and perceived competence were found to be higher in OPTIMAL invasion lessons in comparison to non-OPTIMAL invasion lessons. Qualitative results revealed significance in feehngs of skill/challenge balance, enjoyment and competence in the OPTIMAL lessons. Moreover, a significance of practically twice the active movement time percentage was found in OPTIMAL lessons in comparison to non-OPTIMAL lessons.

Histogram filtering as a tool in variational Monte Carlo optimization

Optimization of wave functions in quantum Monte Carlo is a difficult task because the statistical uncertainty inherent to the technique makes the absolute determination of the global minimum difficult. To optimize these wave functions we generate a large number of possible minima using many independently generated Monte Carlo ensembles and perform a conjugate gradient optimization. Then we construct histograms of the resulting nominally optimal parameter sets and "filter" them to identify which parameter sets "go together" to generate a local minimum. We follow with correlated-sampling verification runs to find the global minimum. We illustrate this technique for variance and variational energy optimization for a variety of wave functions for small systellls. For such optimized wave functions we calculate the variational energy and variance as well as various non-differential properties. The optimizations are either on par with or superior to determinations in the literature. Furthermore, we show that this technique is sufficiently robust that for molecules one may determine the optimal geometry at tIle same time as one optimizes the variational energy.

How health organizations can apply scenario based planning and analytic technologies to make strategic consequential decisions in a time of uncertainty

The magnitude of the cervical cancer problem, coupled with the potential for prevention with recent technological advances, made it imperative to step back and reassess strategic options for dealing with cervical cancer screening in Kenya. The purpose of this qualitative study was: 1) to explore the extent to which the Participatory Action Research (PAR) methodology and the Scenario Based Planning (SBP) method, with the application of analytics, could enable strategic, consequential, informed decision making, and 2) to determine how influential Kenyan decision makers could apply SBP with analytic tools and techniques to make strategic, consequential decisions regarding the implementation of a Cervical Self Sampling Program (CSSP) in both urban and rural settings. The theoretical paradigm for this study was action research; it was experiential, practical, and action oriented, and resulted in co-created knowledge that influenced study participants’ decision making. Action Africa Help International (AAHI) and Brock University collaborated with Local Decision Influencing Participants (LDIP’s) to develop innovative strategies on how to implement the CSSP. SBP tools, along with traditional approaches to data collection and analysis, were applied to collect, visualize and analyze predominately qualitative data. Outputs from the study included: a) a generic implementation scenario for a CSSP (along with scenarios unique to urban and rural settings), and b) 10 strategic directions and 22 supporting implementation strategies that address the variables of: 1) technical viability, 2) political support, 3) affordability, 4) logistical feasibility, 5) social acceptability, and 6) transformation/sustainability. In addition, study participants’ capacity to effectively engage in predictive/prescriptive strategic decision making was strengthened.

Optimal and Robust Designs of Step-stress Accelerated Life Testing Experiments for Proportional Hazards Models

Accelerated life testing (ALT) is widely used to obtain reliability information about a product within a limited time frame. The Cox s proportional hazards (PH) model is often utilized for reliability prediction. My master thesis research focuses on designing accelerated life testing experiments for reliability estimation. We consider multiple step-stress ALT plans with censoring. The optimal stress levels and times of changing the stress levels are investigated. We discuss the optimal designs under three optimality criteria. They are D-, A- and Q-optimal designs. We note that the classical designs are optimal only if the model assumed is correct. Due to the nature of prediction made from ALT experimental data, attained under the stress levels higher than the normal condition, extrapolation is encountered. In such case, the assumed model cannot be tested. Therefore, for possible imprecision in the assumed PH model, the method of construction for robust designs is also explored.

Sampling Interval and estimated Betas : Implications for the Presence of Transitory Components in Stock Prices

We provide a theoretical framework to explain the empirical finding that the estimated betas are sensitive to the sampling interval even when using continuously compounded returns. We suppose that stock prices have both permanent and transitory components. The permanent component is a standard geometric Brownian motion while the transitory component is a stationary Ornstein-Uhlenbeck process. The discrete time representation of the beta depends on the sampling interval and two components labelled \"permanent and transitory betas\". We show that if no transitory component is present in stock prices, then no sampling interval effect occurs. However, the presence of a transitory component implies that the beta is an increasing (decreasing) function of the sampling interval for more (less) risky assets. In our framework, assets are labelled risky if their \"permanent beta\" is greater than their \"transitory beta\" and vice versa for less risky assets. Simulations show that our theoretical results provide good approximations for the means and standard deviations of estimated betas in small samples. Our results can be perceived as indirect evidence for the presence of a transitory component in stock prices, as proposed by Fama and French (1988) and Poterba and Summers (1988).

The Alberta Dilemma: Optimal Sharing of a Water Resource by an Agricultural and an Oil Sector

The purpose of this paper is to characterize the optimal time paths of production and water usage by an agricultural and an oil sector that have to share a limited water resource. We show that for any given water stock, if the oil stock is sufficiently large, it will become optimal to have a phase during which the agricultural sector is inactive. This may mean having an initial phase during which the two sectors are active, then a phase during which the water is reserved for the oil sector and the agricultural sector is inactive, followed by a phase during which both sectors are active again. The agricultural sector will always be active in the end as the oil stock is depleted and the demand for water from the oil sector decreases. In the case where agriculture is not constrained by the given natural inflow of water once there is no more oil, we show that oil extraction will always end with a phase during which oil production follows a pure Hotelling path, with the implicit price of oil net of extraction cost growing at the rate of interest. If the natural inflow of water does constitute a constraint for agriculture, then oil production never follows a pure Hotelling path, because its full marginal cost must always reflect not only the imputed rent on the finite oil stock, but also the positive opportunity cost of water.

Efficient estimation using the characteristic function : theory and applications with high frequency data

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Observational learning of motor skills : Looking for optimal models

L’observation d’un modèle pratiquant une habileté motrice promeut l’apprentissage de l’habileté en question. Toutefois, peu de chercheurs se sont attardés à étudier les caractéristiques d’un bon modèle et à mettre en évidence les conditions d’observation pouvant optimiser l’apprentissage. Dans les trois études composant cette thèse, nous avons examiné les effets du niveau d’habileté du modèle, de la latéralité du modèle, du point de vue auquel l’observateur est placé, et du mode de présentation de l’information sur l’apprentissage d’une tâche de timing séquentielle composée de quatre segments. Dans la première expérience de la première étude, les participants observaient soit un novice, soit un expert, soit un novice et un expert. Les résultats des tests de rétention et de transfert ont révélé que l’observation d’un novice était moins bénéfique pour l’apprentissage que le fait d’observer un expert ou une combinaison des deux (condition mixte). Par ailleurs, il semblerait que l’observation combinée de modèles novice et expert induise un mouvement plus stable et une meilleure généralisation du timing relatif imposé comparativement aux deux autres conditions. Dans la seconde expérience, nous voulions déterminer si un certain type de performance chez un novice (très variable, avec ou sans amélioration de la performance) dans l’observation d’une condition mixte amenait un meilleur apprentissage de la tâche. Aucune différence significative n’a été observée entre les différents types de modèle novices employés dans l’observation de la condition mixte. Ces résultats suggèrent qu’une observation mixte fournit une représentation précise de ce qu’il faut faire (modèle expert) et que l’apprentissage est d’autant plus amélioré lorsque l’apprenant peut contraster cela avec la performance de modèles ayant moins de succès. Dans notre seconde étude, des participants droitiers devaient observer un modèle à la première ou à la troisième personne. L’observation d’un modèle utilisant la même main préférentielle que soi induit un meilleur apprentissage de la tâche que l’observation d’un modèle dont la dominance latérale est opposée à la sienne, et ce, quel que soit l’angle d’observation. Ce résultat suggère que le réseau d’observation de l’action (AON) est plus sensible à la latéralité du modèle qu’à l’angle de vue de l’observateur. Ainsi, le réseau d’observation de l’action semble lié à des régions sensorimotrices du cerveau qui simulent la programmation motrice comme si le mouvement observé était réalisé par sa propre main dominante. Pour finir, dans la troisième étude, nous nous sommes intéressés à déterminer si le mode de présentation (en direct ou en vidéo) influait sur l’apprentissage par observation et si cet effet est modulé par le point de vue de l’observateur (première ou troisième personne). Pour cela, les participants observaient soit un modèle en direct soit une présentation vidéo du modèle et ceci avec une vue soit à la première soit à la troisième personne. Nos résultats ont révélé que l’observation ne diffère pas significativement selon le type de présentation utilisée ou le point de vue auquel l’observateur est placé. Ces résultats sont contraires aux prédictions découlant des études d’imagerie cérébrale ayant montré une activation plus importante du cortex sensorimoteur lors d’une observation en direct comparée à une observation vidéo et de la première personne comparée à la troisième personne. Dans l’ensemble, nos résultats indiquent que le niveau d’habileté du modèle et sa latéralité sont des déterminants importants de l’apprentissage par observation alors que le point de vue de l’observateur et le moyen de présentation n’ont pas d’effets significatifs sur l’apprentissage d’une tâche motrice. De plus, nos résultats suggèrent que la plus grande activation du réseau d’observation de l’action révélée par les études en imagerie mentale durant l’observation d’une action n’induit pas nécessairement un meilleur apprentissage de la tâche.

Études pharmacocinétiques exploratoires de certains médicaments utilisés en analgésie post-opératoire

La douleur post-opératoire chez les patients constitue un défi thérapeutique important pour les cliniciens. Le traitement de la douleur post-opératoire n’est pas accessoire ni optionnel, puisqu’il permet de donner un congé de l’hôpital plus rapide aux patients et ainsi, il contribue à des économies importantes pour notre système de santé. Parmi les approches thérapeutiques utilisées pour la prise en charge de la douleur post-opératoire, cette thèse s’intéresse particulièrement aux blocs de nerfs périphériques par les anesthésiques locaux et à l’administration de la néostigmine par voie épidurale. Ces médicaments sont utilisés en clinique sans avoir préalablement établi, en se basant sur leur propriétés pharmacocinétiques et pharmacodynamiques spécifiques, leurs doses optimales. Ces doses devraient également tenir en considération les particularités anatomiques du site d’injection par rapport au site d’action. Cette thèse inclut des études exploratoires qui ont contribué à caractériser la pharmacocinétique de la ropivacaïne et de la bupivacaïne ainsi que la pharmacocinétique et la pharmacodynamie de la néostigmine. La première étude portait sur seize patients subissant une chirurgie orthopédique avec un bloc combiné des nerfs fémoral et sciatique par la ropivacaïne (n=8) ou la bupivacaïne (n=8). C’était la première étude qui a inclu des temps d’échantillons pharmacocinétiques allant jusqu’à 32 h après le bloc et ces résultats ont démontré une variabilité interindividuelle considérable. La modélisation par approche de population a aidé à expliquer les sources de la variabilité et démontré que l’absorption systémique des anesthésiques locaux était très lente. De plus, les concentrations plasmatiques demeuraient mesurables, et dans certains cas présentaient un plateau, 32 h après le bloc. Dans les prochaines études, un échantillonnage allant jusqu’à 4 ou 5 jours sera nécessaire afin d’atteindre la fin de l’absorption. La deuxième étude a établi le développement d’un modèle animal en étudiant la pharmacocinétique de la ropivacaïne après administration intraveineuse ainsi que son degré de liaison aux protéines plasmatiques chez le lapin (n=6). Les résultats ont démontré que, chez le lapin la ropivacaïne est beaucoup moins liée aux protéines plasmatiques comparativement à l’humain. Ce résultat important sera utile pour planifier les prochaines études précliniques. La troisième étude a exploré, pour la première fois, la pharmacocinétique et la pharmacodynamie de la néostigmine administrée par voie épidurale et a essayé de caractériser la courbe dose-réponse en utilisant trois doses différentes : 0.5, 1 et 1.5 mg. Bien que les concentrations de la néostigmine dans le liquide céphalo-rachidien fussent très variables une relation inverse entre la consommation de mépéridine et la dose de néostigmine a été démontrée. La dose de 1.5 mg a donné une meilleure réponse pharmacodynamique sur la douleur, mais elle a été considérée comme dangereuse puisqu’elle a résulté en deux cas d’hypertension. Nous avons conclu que des doses plus faibles que 1.5 mg devront être utilisées lors de l’utilisation de la néostigmine par voie épidurale. En conclusion, les études rapportées dans cette thèse ont exploré les propriétés pharmacocinétiques et/ou pharmacodynamiques de certains médicaments utilisés pour le traitement de la douleur post-opératoire. Ceci mènera au but ultime qui est la meilleure prise en charge de la douleur post-opératoire chez les patients.

Pharmacométrie de la ropivacaïne suivant l’anesthésie locorégionale chez les patients orthopédiques : caractérisation de l’intensité et de la durée du bloc sensitif

Introduction & Objectifs : Pour assurer l’analgésie postopératoire, l’anesthésiste dispose, en plus des différentes classes de médicaments administrés par voie orale ou intraveineuse, de diverses techniques pour bloquer l’influx nerveux douloureux en administrant les anesthésiques locaux (AL) de manière centrale ou périphérique. La ropivacaïne (ROP), un AL à longue durée d’action, est un médicament de première intention partout dans le monde, en raison de sa grande efficacité et de son faible risque de toxicité. Contrairement à certains pays, la ROP n'est toujours pas indiquée au Canada pour la rachianesthésie (bloc central) en raison d'un manque de données probantes. Jusqu'à présent, les efforts de recherche ont essentiellement porté sur la sécurité ainsi que sur la durée d’action du médicament lorsqu’administré par voie spinale. De plus, les doses optimales de ROP pour l’anesthésie régionale périphérique ne sont pas encore précisément connues. La posologie devrait être adaptée au site d’administration ainsi qu’à l’intensité et la durée du stimulus produit par la chirurgie. Ultimement, cela permettrait aux cliniciens d’identifier le régime optimal en fonction des facteurs démographiques qui pourraient affecter la pharmacocinétique (PK) et la pharmacodynamie (PD) de l’AL (objectif global de ces travaux). Validation de la Méthode Analytique Manuscrit 1 : Une méthode analytique spécifique et sensible permettant de déterminer les concentrations plasmatiques de ROP a d’abord été optimisée et validée. Validation du Biomarqueur Manuscrit 2 : Nous avons ensuite mis au point et évalué la fiabilité d’une méthode quantitative basée sur la mesure du seuil de perception sensorielle (CPT) chez le volontaire sain. Ce test nécessite l’application d’un courant électrique transcutané qui augmente graduellement et qui, selon la fréquence choisie, est capable de stimuler spécifiquement les fibres nerveuses impliquées dans le cheminement de l’influx nerveux douloureux. Les résultats obtenus chez les volontaires sains indiquent que la mesure CPT est fiable, reproductible et permet de suivre l’évolution temporelle du bloc sensitif. Études cliniques Manuscrit 3 : Nous avons ensuite caractérisé, pendant plus de 72 h, l’absorption systémique de la ROP lorsqu’administrée pour un bloc du nerf fémoral chez 19 patients subissant une chirurgie du genou. Le modèle PK populationnel utilisé pour analyser nos résultats comporte une absorption biphasique durant laquelle une fraction de la dose administrée pénètre rapidement (temps d’absorption moyen : 27 min, IC % 19 – 38 min) dans le flux sanguin systémique pendant que l’autre partie, en provenance du site de dépôt, est redistribuée beaucoup plus lentement (demi-vie (T1/2) : 2.6 h, IC % 1.6 – 4.3 h) vers la circulation systémique. Une relation statistiquement significative entre l’âge de nos patients et la redistribution de l’AL suggère que la perméabilité tissulaire est augmentée avec l’âge. Manuscrit 4 : Une analyse PK-PD du comportement sensitif du bloc fémoral (CPT) a été effectuée. Le modèle développé a estimé à 20.2 ± 10.1 mg la quantité de ROP nécessaire au site d’action pour produire 90 % de l’effet maximal (AE90). À 2 X la AE90, le modèle prédit un début d’action de 23.4 ± 12.5 min et une durée de 22.9 ± 5.3 h. Il s’agit de la première étude ayant caractérisé le comportement sensitif d’un bloc nerveux périphérique. Manuscrit 5 : La troisième et dernière étude clinique a été conduite chez les patients qui devaient subir une chirurgie du genou sous rachianesthésie. Tout comme pour le bloc du nerf fémoral, le modèle PK le plus approprié pour nos données suggère que l’absorption systémique de la ROP à partir du liquide céphalo-rachidien est biphasique; c.à.d. une phase initiale (T1/2 : 49 min, IC %: 24 – 77 min) suivie (délai: 18 ± 2 min) d'une phase légèrement plus lente (T1/2 : 66 min, IC %: 36 – 97 min). L’effet maximal a été observé beaucoup plus rapidement, soit aux environs de 12.6 ± 4.9 min, avant de revenir aux valeurs de base 210 ± 55 min suivant l’administration de l’agent. Ces données ont permis d’estimer une AE50 de 7.3 ± 2.3 mg pour l'administration spinale. Conclusion : En somme, ces modèles peuvent être utilisés pour prédire l’évolution temporelle du bloc sensitif de l’anesthésie rachidienne et périphérique (fémorale), et par conséquent, optimiser l’utilisation clinique de la ROP en fonction des besoins des cliniciens, notamment en ce qui a trait à l’âge du patient.