Assembly processes of invertebrate communities in springs across different spatial scales

Il presente lavoro ha lo scopo di comprendere i processi sottesi ai pattern di coesistenza tra le specie di invertebrati sorgentizi, distinguendo tra dinamiche stocastiche e deterministiche. Le sorgenti sono ecosistemi complessi e alcune loro caratteristiche (ad esempio l’insularità, la stabilità termica, la struttura ecotonale “a mosaico”, la frequente presenza di specie rare ed endemiche, o l’elevata diversità in taxa) le rendono laboratori naturali utili allo studio dei processi ecologici, tra cui i processi di assembly. Al fine di studiare queste dinamiche è necessario un approccio multi-scala, per questo motivi sono state prese in considerazione tre scale spaziali. A scala locale è stato compiuto un campionamento stagionale su sette sorgenti (quattro temporanee e tre permanenti) del Monte Prinzera, un affioramento ofiolitico vicino alla città di Parma. In questa area sono stati valutati l’efficacia e l’impatto ambientale di diversi metodi di campionamento e sono stati analizzati i drivers ecologici che influenzano le comunità. A scala più ampia sono state campionate per due volte 15 sorgenti della regione Emilia Romagna, al fine di identificare il ruolo della dispersione e la possibile presenza di un effetto di niche-filtering. A scala continentale sono state raccolte informazioni di letteratura riguardanti sorgenti dell’area Paleartica occidentale, e sono stati studiati i pattern biogeografici e l’influenza dei fattori climatici sulle comunità. Sono stati presi in considerazione differenti taxa di invertebrati (macroinvertebrati, ostracodi, acari acquatici e copepodi), scegliendo tra quelli che si prestavano meglio allo studio dei diversi processi in base alle loro caratteristiche biologiche e all’approfondimento tassonomico raggiungibile. I campionamenti biologici in sorgente sono caratterizzati da diversi problemi metodologici e possono causare impatti sugli ambienti. In questo lavoro sono stati paragonati due diversi metodi: l’utilizzo del retino con un approccio multi-habitat proporzionale e l’uso combinato di trappole e lavaggio di campioni di vegetazione. Il retino fornisce dati più accurati e completi, ma anche significativi disturbi sulle componenti biotiche e abiotiche delle sorgenti. Questo metodo è quindi raccomandato solo se il campionamento ha come scopo un’approfondita analisi della biodiversità. D’altra parte l’uso delle trappole e il lavaggio della vegetazione sono metodi affidabili che presentano minori impatti sull’ecosistema, quindi sono adatti a studi ecologici finalizzati all’analisi della struttura delle comunità. Questo lavoro ha confermato che i processi niche-based sono determinanti nello strutturare le comunità di ambienti sorgentizi, e che i driver ambientali spiegano una rilevante percentuale della variabilità delle comunità. Infatti le comunità di invertebrati del Monte Prinzera sono influenzate da fattori legati al chimismo delle acque, alla composizione e all’eterogeneità dell’habitat, all’idroperiodo e alle fluttuazioni della portata. Le sorgenti permanenti mostrano variazioni stagionali per quanto riguarda le concentrazioni dei principali ioni, mentre la conduttività, il pH e la temperatura dell’acqua sono più stabili. È probabile che sia la stabilità termica di questi ambienti a spiegare l’assenza di variazioni stagionali nella struttura delle comunità di macroinvertebrati. L’azione di niche-filtering delle sorgenti è stata analizzata tramite lo studio della diversità funzionale delle comunità di ostracodi dell’Emilia-Romagna. Le sorgenti ospitano più del 50% del pool di specie regionale, e numerose specie sono state rinvenute esclusivamente in questi habitat. Questo è il primo studio che analizza la diversità funzionale degli ostracodi, è stato quindi necessario stilare una lista di tratti funzionali. Analizzando il pool di specie regionale, la diversità funzionale nelle sorgenti non è significativamente diversa da quella misurata in comunità assemblate in maniera casuale. Le sorgenti non limitano quindi la diversità funzionale tra specie coesistenti, ma si può concludere che, data la soddisfazione delle esigenze ecologiche delle diverse specie, i processi di assembly in sorgente potrebbero essere influenzati da fattori stocastici come la dispersione, la speciazione e le estinzioni locali. In aggiunta, tutte le comunità studiate presentano pattern spaziali riconoscibili, rivelando una limitazione della dispersione tra le sorgenti, almeno per alcuni taxa. Il caratteristico isolamento delle sorgenti potrebbe essere la causa di questa limitazione, influenzando maggiormente i taxa a dispersione passiva rispetto a quelli a dispersione attiva. In ogni caso nelle comunità emiliano-romagnole i fattori spaziali spiegano solo una ridotta percentuale della variabilità biologica totale, mentre tutte le comunità risultano influenzate maggiormente dalle variabili ambientali. Il controllo ambientale è quindi prevalente rispetto a quello attuato dai fattori spaziali. Questo risultato dimostra che, nonostante le dinamiche stocastiche siano importanti in tutte le comunità studiate, a questa scala spaziale i fattori deterministici ricoprono un ruolo prevalente. I processi stocastici diventano più influenti invece nei climi aridi, dove il disturbo collegato ai frequenti eventi di disseccamento delle sorgenti provoca una dinamica source-sink tra le diverse comunità. Si è infatti notato che la variabilità spiegata dai fattori ambientali diminuisce all’aumentare dell’aridità del clima. Disturbi frequenti potrebbero provocare estinzioni locali seguite da ricolonizzazioni di specie provenienti dai siti vicini, riducendo la corrispondenza tra gli organismi e le loro richieste ambientali e quindi diminuendo la quantità di variabilità spiegata dai fattori ambientali. Si può quindi concludere che processi deterministici e stocastici non si escludono mutualmente, ma contribuiscono contemporaneamente a strutturare le comunità di invertebrati sorgentizi. Infine, a scala continentale, le comunità di ostracodi sorgentizi mostrano chiari pattern biogeografici e sono organizzate lungo gradienti ambientali principalmente collegati altitudine, latitudine, temperatura dell’acqua e conducibilità. Anche la tipologia di sorgente (elocrena, reocrena o limnocrena) è influente sulla composizione delle comunità. La presenza di specie rare ed endemiche inoltre caratterizza specifiche regioni geografiche.

Increasing the use of simulation in business

The nature of Discrete-Event Simulation (DES) and the use of DES in organisations is changing. Two important developments are the use of Visual Interactive Modelling systems and the use of DES in Business Process Management (BPM) projects. Survey research is presented that shows that despite these developments usage of DES remains relatively low due to a lack of knowledge of the benefits of the technique. This paper considers two factors that could lead to a greater achievement and appreciation of the full benefit of DES and thus lead to greater usage. Firstly in relation to using DES to investigate social systems, both in the process of undertaking a simulation project and in the interpretation of the findings a 'soft' approach may generate more knowledge from the DES intervention and thus increase its benefit to businesses. Secondly in order to assess the full range of outcomes of DES the technique could be considered from the perspective of an information processing tool within the organisation. This will allow outcomes to be considered under the three modes of organisational information use of sense making, knowledge creating and decision making which relate to the theoretical areas of knowledge management, organisational learning and decision making respectively. The association of DES with these popular techniques could further increase its usage in business.

Surface:plasma interactions in GaAs subjected to capacitively coupled RF plasmas

Surface compositional changes in GaAs due to RF plasmas of different gases have been investigated by XPS and etch rates were measured using AFM. Angular Resolved XPS (ARXPS) was also employed for depth analysis of the composition of the surface layers. An important role in this study was determination of oxide thickness using XPS data. The study of surface - plasma interaction was undertaken by correlating results of surface analysis with plasma diagnosis. Different experiments were designed to accurately measure the BEs associated with the Ga 3d, Ga 2P3/2 and LMM peaks using XPS analysis and propose identification in terms of the oxides of GaAs. Along with GaAs wafers, some reference compounds such as metallic Ga and Ga2O3 powder were used. A separate study aiming the identification of the GaAs surface oxides formed on the GaAs surface during and after plasma processing was undertaken. Surface compositional changes after plasma treatment, prior to surface analysis are considered, with particular reference to the oxides formed in the air on the activated surface. Samples exposed to ambient air for different periods of time and also to pure oxygen were analysed. Models of surface processes were proposed for explanation of the stoichiometry changes observed with the inert and reactive plasmas used. In order to help with the understanding of the mechanisms responsible for surface effects during plasma treatment, computer simulation using SRIM code was also undertaken. Based on simulation and experimental results, models of surface phenomena are proposed. Discussion of the experimental and simulated results is made in accordance with current theories and published results of different authors. The experimental errors introduced by impurities and also by data acquisition and processing are also evaluated.

Variational inference for diffusion processes

Diffusion processes are a family of continuous-time continuous-state stochastic processes that are in general only partially observed. The joint estimation of the forcing parameters and the system noise (volatility) in these dynamical systems is a crucial, but non-trivial task, especially when the system is nonlinear and multimodal. We propose a variational treatment of diffusion processes, which allows us to compute type II maximum likelihood estimates of the parameters by simple gradient techniques and which is computationally less demanding than most MCMC approaches. We also show how a cheap estimate of the posterior over the parameters can be constructed based on the variational free energy.

Studies on the generalisation of Gaussian processes and Bayesian neural networks

The assessment of the reliability of systems which learn from data is a key issue to investigate thoroughly before the actual application of information processing techniques to real-world problems. Over the recent years Gaussian processes and Bayesian neural networks have come to the fore and in this thesis their generalisation capabilities are analysed from theoretical and empirical perspectives. Upper and lower bounds on the learning curve of Gaussian processes are investigated in order to estimate the amount of data required to guarantee a certain level of generalisation performance. In this thesis we analyse the effects on the bounds and the learning curve induced by the smoothness of stochastic processes described by four different covariance functions. We also explain the early, linearly-decreasing behaviour of the curves and we investigate the asymptotic behaviour of the upper bounds. The effect of the noise and the characteristic lengthscale of the stochastic process on the tightness of the bounds are also discussed. The analysis is supported by several numerical simulations. The generalisation error of a Gaussian process is affected by the dimension of the input vector and may be decreased by input-variable reduction techniques. In conventional approaches to Gaussian process regression, the positive definite matrix estimating the distance between input points is often taken diagonal. In this thesis we show that a general distance matrix is able to estimate the effective dimensionality of the regression problem as well as to discover the linear transformation from the manifest variables to the hidden-feature space, with a significant reduction of the input dimension. Numerical simulations confirm the significant superiority of the general distance matrix with respect to the diagonal one.In the thesis we also present an empirical investigation of the generalisation errors of neural networks trained by two Bayesian algorithms, the Markov Chain Monte Carlo method and the evidence framework; the neural networks have been trained on the task of labelling segmented outdoor images.

Productivity analysis and measurement

The state of the art in productivity measurement and analysis shows a gap between simple methods having little relevance in practice and sophisticated mathematical theory which is unwieldy for strategic and tactical planning purposes, -particularly at company level. An extension is made in this thesis to the method of productivity measurement and analysis based on the concept of added value, appropriate to those companies in which the materials, bought-in parts and services change substantially and a number of plants and inter-related units are involved in providing components for final assembly. Reviews and comparisons of productivity measurement dealing with alternative indices and their problems have been made and appropriate solutions put forward to productivity analysis in general and the added value method in particular. Based on this concept and method, three kinds of computerised models two of them deterministic, called sensitivity analysis and deterministic appraisal, and the third one, stochastic, called risk simulation, have been developed to cope with the planning of productivity and productivity growth with reference to the changes in their component variables, ranging from a single value 'to• a class interval of values of a productivity distribution. The models are designed to be flexible and can be adjusted according to the available computer capacity expected accuracy and 'presentation of the output. The stochastic model is based on the assumption of statistical independence between individual variables and the existence of normality in their probability distributions. The component variables have been forecasted using polynomials of degree four. This model is tested by comparisons of its behaviour with that of mathematical model using real historical data from British Leyland, and the results were satisfactory within acceptable levels of accuracy. Modifications to the model and its statistical treatment have been made as required. The results of applying these measurements and planning models to the British motor vehicle manufacturing companies are presented and discussed.

A simulation study of the shift system at a UK police communications centre

The UK Police Force is required to operate communications centres under increased funding constraints. Staff represent the main cost in operating the facility and the key issue for the efficient deployment of staff, in this case call handler staff, is to try to ensure sufficient staff are available to make a timely response to customer calls when the timing of individual calls is difficult to predict. A discrete-event simulation study is presented of an investigation of a new shift pattern for call handler staff that aims to improve operational efficiency. The communications centre can be considered a specialised case of a call centre but an important issue for Police Force management is the particularly stressful nature of the work staff are involved with when responding to emergency calls. Thus decisions regarding changes to the shift system were made in the context of both attempting to improve efficiency by matching staff supply with customer demand, but also ensuring a reasonable workload pattern for staff over time.