Preconditioning and iterative solution of symmetric indefinite linear systems arising from interior point methods for linear programming

We study the preconditioning of symmetric indefinite linear systems of equations that arise in interior point solution of linear optimization problems. The preconditioning method that we study exploits the block structure of the augmented matrix to design a similar block structure preconditioner to improve the spectral properties of the resulting preconditioned matrix so as to improve the convergence rate of the iterative solution of the system. We also propose a two-phase algorithm that takes advantage of the spectral properties of the transformed matrix to solve for the Newton directions in the interior-point method. Numerical experiments have been performed on some LP test problems in the NETLIB suite to demonstrate the potential of the preconditioning method discussed.

European payment system and monetary union

We make a comparative study of payment systems for E.U. -fifteen countries for the 1996-2002 period. Special attention is paid to the introduction of the new European single currency. The overall trend in payments is for a move from cash to noncash payment instruments, although electronic instruments are not widely used yet. We find a significant impact from the introduction of the new banknotes and coins on card use

ELEC3035: Control System Design

Lecture slides, handouts for tutorials, exam papers, and numerical examples for a third year course on Control System Design.

Functional studies of the deubiquitinating enzymes USP19, USP4 and UCH-L1

El marcaje de proteínas con ubiquitina, conocido como ubiquitinación, cumple diferentes funciones que incluyen la regulación de varios procesos celulares, tales como: la degradación de proteínas por medio del proteosoma, la reparación del ADN, la señalización mediada por receptores de membrana, y la endocitosis, entre otras (1). Las moléculas de ubiquitina pueden ser removidas de sus sustratos gracias a la acción de un gran grupo de proteasas, llamadas enzimas deubiquitinizantes (DUBs) (2). Las DUBs son esenciales para la manutención de la homeostasis de la ubiquitina y para la regulación del estado de ubiquitinación de diferentes sustratos. El gran número y la diversidad de DUBs descritas refleja tanto su especificidad como su utilización para regular un amplio espectro de sustratos y vías celulares. Aunque muchas DUBs han sido estudiadas a profundidad, actualmente se desconocen los sustratos y las funciones biológicas de la mayoría de ellas. En este trabajo se investigaron las funciones de las DUBs: USP19, USP4 y UCH-L1. Utilizando varias técnicas de biología molecular y celular se encontró que: i) USP19 es regulada por las ubiquitin ligasas SIAH1 y SIAH2 ii) USP19 es importante para regular HIF-1α, un factor de transcripción clave en la respuesta celular a hipoxia, iii) USP4 interactúa con el proteosoma, iv) La quimera mCherry-UCH-L1 reproduce parcialmente los fenotipos que nuestro grupo ha descrito previamente al usar otros constructos de la misma enzima, y v) UCH-L1 promueve la internalización de la bacteria Yersinia pseudotuberculosis.

Estudio de la aplicación de sistemas basados en el conocimiento a la operación de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética

Una de las actuaciones posibles para la gestión de los residuos sólidos urbanos es la valorización energética, es decir la incineración con recuperación de energía. Sin embargo es muy importante controlar adecuadamente el proceso de incineración para evitar en lo posible la liberación de sustancias contaminantes a la atmósfera que puedan ocasionar problemas de contaminación industrial.Conseguir que tanto el proceso de incineración como el tratamiento de los gases se realice en condiciones óptimas presupone tener un buen conocimiento de las dependencias entre las variables de proceso. Se precisan métodos adecuados de medida de las variables más importantes y tratar los valores medidos con modelos adecuados para transformarlos en magnitudes de mando. Un modelo clásico para el control parece poco prometedor en este caso debido a la complejidad de los procesos, la falta de descripción cuantitativa y la necesidad de hacer los cálculos en tiempo real. Esto sólo se puede conseguir con la ayuda de las modernas técnicas de proceso de datos y métodos informáticos, tales como el empleo de técnicas de simulación, modelos matemáticos, sistemas basados en el conocimiento e interfases inteligentes. En [Ono, 1989] se describe un sistema de control basado en la lógica difusa aplicado al campo de la incineración de residuos urbanos. En el centro de investigación FZK de Karslruhe se están desarrollando aplicaciones que combinan la lógica difusa con las redes neuronales [Jaeschke, Keller, 1994] para el control de la planta piloto de incineración de residuos TAMARA. En esta tesis se plantea la aplicación de un método de adquisición de conocimiento para el control de sistemas complejos inspirado en el comportamiento humano. Cuando nos encontramos ante una situación desconocida al principio no sabemos como actuar, salvo por la extrapolación de experiencias anteriores que puedan ser útiles. Aplicando procedimientos de prueba y error, refuerzo de hipótesis, etc., vamos adquiriendo y refinando el conocimiento, y elaborando un modelo mental. Podemos diseñar un método análogo, que pueda ser implementado en un sistema informático, mediante el empleo de técnicas de Inteligencia Artificial.Así, en un proceso complejo muchas veces disponemos de un conjunto de datos del proceso que a priori no nos dan información suficientemente estructurada para que nos sea útil. Para la adquisición de conocimiento pasamos por una serie de etapas: - Hacemos una primera selección de cuales son las variables que nos interesa conocer. - Estado del sistema. En primer lugar podemos empezar por aplicar técnicas de clasificación (aprendizaje no supervisado) para agrupar los datos y obtener una representación del estado de la planta. Es posible establecer una clasificación, pero normalmente casi todos los datos están en una sola clase, que corresponde a la operación normal. Hecho esto y para refinar el conocimiento utilizamos métodos estadísticos clásicos para buscar correlaciones entre variables (análisis de componentes principales) y así poder simplificar y reducir la lista de variables. - Análisis de las señales. Para analizar y clasificar las señales (por ejemplo la temperatura del horno) es posible utilizar métodos capaces de describir mejor el comportamiento no lineal del sistema, como las redes neuronales. Otro paso más consiste en establecer relaciones causales entre las variables. Para ello nos sirven de ayuda los modelos analíticos - Como resultado final del proceso se pasa al diseño del sistema basado en el conocimiento. El objetivo principal es aplicar el método al caso concreto del control de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética. En primer lugar, en el capítulo 2 Los residuos sólidos urbanos, se trata el problema global de la gestión de los residuos, dando una visión general de las diferentes alternativas existentes, y de la situación nacional e internacional en la actualidad. Se analiza con mayor detalle la problemática de la incineración de los residuos, poniendo especial interés en aquellas características de los residuos que tienen mayor importancia de cara al proceso de combustión.En el capítulo 3, Descripción del proceso, se hace una descripción general del proceso de incineración y de los distintos elementos de una planta incineradora: desde la recepción y almacenamiento de los residuos, pasando por los distintos tipos de hornos y las exigencias de los códigos de buena práctica de combustión, el sistema de aire de combustión y el sistema de humos. Se presentan también los distintos sistemas de depuración de los gases de combustión, y finalmente el sistema de evacuación de cenizas y escorias.El capítulo 4, La planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos de Girona, describe los principales sistemas de la planta incineradora de Girona: la alimentación de residuos, el tipo de horno, el sistema de recuperación de energía, y el sistema de depuración de los gases de combustión Se describe también el sistema de control, la operación, los datos de funcionamiento de la planta, la instrumentación y las variables que son de interés para el control del proceso de combustión.En el capítulo 5, Técnicas utilizadas, se proporciona una visión global de los sistemas basados en el conocimiento y de los sistemas expertos. Se explican las diferentes técnicas utilizadas: redes neuronales, sistemas de clasificación, modelos cualitativos, y sistemas expertos, ilustradas con algunos ejemplos de aplicación.Con respecto a los sistemas basados en el conocimiento se analizan en primer lugar las condiciones para su aplicabilidad, y las formas de representación del conocimiento. A continuación se describen las distintas formas de razonamiento: redes neuronales, sistemas expertos y lógica difusa, y se realiza una comparación entre ellas. Se presenta una aplicación de las redes neuronales al análisis de series temporales de temperatura.Se trata también la problemática del análisis de los datos de operación mediante técnicas estadísticas y el empleo de técnicas de clasificación. Otro apartado está dedicado a los distintos tipos de modelos, incluyendo una discusión de los modelos cualitativos.Se describe el sistema de diseño asistido por ordenador para el diseño de sistemas de supervisión CASSD que se utiliza en esta tesis, y las herramientas de análisis para obtener información cualitativa del comportamiento del proceso: Abstractores y ALCMEN. Se incluye un ejemplo de aplicación de estas técnicas para hallar las relaciones entre la temperatura y las acciones del operador. Finalmente se analizan las principales características de los sistemas expertos en general, y del sistema experto CEES 2.0 que también forma parte del sistema CASSD que se ha utilizado.El capítulo 6, Resultados, muestra los resultados obtenidos mediante la aplicación de las diferentes técnicas, redes neuronales, clasificación, el desarrollo de la modelización del proceso de combustión, y la generación de reglas. Dentro del apartado de análisis de datos se emplea una red neuronal para la clasificación de una señal de temperatura. También se describe la utilización del método LINNEO+ para la clasificación de los estados de operación de la planta.En el apartado dedicado a la modelización se desarrolla un modelo de combustión que sirve de base para analizar el comportamiento del horno en régimen estacionario y dinámico. Se define un parámetro, la superficie de llama, relacionado con la extensión del fuego en la parrilla. Mediante un modelo linealizado se analiza la respuesta dinámica del proceso de incineración. Luego se pasa a la definición de relaciones cualitativas entre las variables que se utilizan en la elaboración de un modelo cualitativo. A continuación se desarrolla un nuevo modelo cualitativo, tomando como base el modelo dinámico analítico.Finalmente se aborda el desarrollo de la base de conocimiento del sistema experto, mediante la generación de reglas En el capítulo 7, Sistema de control de una planta incineradora, se analizan los objetivos de un sistema de control de una planta incineradora, su diseño e implementación. Se describen los objetivos básicos del sistema de control de la combustión, su configuración y la implementación en Matlab/Simulink utilizando las distintas herramientas que se han desarrollado en el capítulo anterior.Por último para mostrar como pueden aplicarse los distintos métodos desarrollados en esta tesis se construye un sistema experto para mantener constante la temperatura del horno actuando sobre la alimentación de residuos.Finalmente en el capítulo Conclusiones, se presentan las conclusiones y resultados de esta tesis.

Linear viscoelasticity from molecular dynamics simulation of entangled polymers

The linear viscoelastic (LVE) spectrum is one of the primary fingerprints of polymer solutions and melts, carrying information about most relaxation processes in the system. Many single chain theories and models start with predicting the LVE spectrum to validate their assumptions. However, until now, no reliable linear stress relaxation data were available from simulations of multichain systems. In this work, we propose a new efficient way to calculate a wide variety of correlation functions and mean-square displacements during simulations without significant additional CPU cost. Using this method, we calculate stress−stress autocorrelation functions for a simple bead−spring model of polymer melt for a wide range of chain lengths, densities, temperatures, and chain stiffnesses. The obtained stress−stress autocorrelation functions were compared with the single chain slip−spring model in order to obtain entanglement related parameters, such as the plateau modulus or the molecular weight between entanglements. Then, the dependence of the plateau modulus on the packing length is discussed. We have also identified three different contributions to the stress relaxation:  bond length relaxation, colloidal and polymeric. Their dependence on the density and the temperature is demonstrated for short unentangled systems without inertia.

Decadal predictability of the Atlantic Ocean in a coupled GCM: forecast skill and optimal perturbations using Linear Inverse Modelling

The decadal predictability of three-dimensional Atlantic Ocean anomalies is examined in a coupled global climate model (HadCM3) using a Linear Inverse Modelling (LIM) approach. It is found that the evolution of temperature and salinity in the Atlantic, and the strength of the meridional overturning circulation (MOC), can be effectively described by a linear dynamical system forced by white noise. The forecasts produced using this linear model are more skillful than other reference forecasts for several decades. Furthermore, significant non-normal amplification is found under several different norms. The regions from which this growth occurs are found to be fairly shallow and located in the far North Atlantic. Initially, anomalies in the Nordic Seas impact the MOC, and the anomalies then grow to fill the entire Atlantic basin, especially at depth, over one to three decades. It is found that the structure of the optimal initial condition for amplification is sensitive to the norm employed, but the initial growth seems to be dominated by MOC-related basin scale changes, irrespective of the choice of norm. The consistent identification of the far North Atlantic as the most sensitive region for small perturbations suggests that additional observations in this region would be optimal for constraining decadal climate predictions.

An X-ray micro-tomography system optimised for the low-dose study of living organisms

An X-ray micro-tomography system has been designed that is dedicated to the low-dose imaging of radiation sensitive living organisms and has been used to image the early development of the first few days of plant development immediately after germination. The system is based on third-generation X-ray micro-tomography system and consists of an X-ray tube, two-dimensional X-ray detector and a mechanical sample manipulation stage. The X-ray source is a 50 kVp X-ray tube with a silver target with a filter to centre the X-ray spectrum on 22 keV.A 100 mm diameter X-ray image intensifier (XRII) is used to collect the two-dimensional projection images. The rotation tomography table incorporates a linear translation mechanism to eliminate ring artefact that is commonly associated with third-generation tomography systems' Developing maize seeds (Triticum aestivum) have been imaged using the system with a cubic voxel linear dimension of 100 mum, over a diameter of 25 mm and the root lengths and volumes measured. The X-ray dose to the plants was also assessed and found to have no effect on the plant root development. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Linear and nonlinear microrheology of dense colloidal suspensions

The length and time scales accessible to optical tweezers make them an ideal tool for the examination of colloidal systems. Embedded high-refractive-index tracer particles in an index-matched hard sphere suspension provide 'handles' within the system to investigate the mechanical behaviour. Passive observations of the motion of a single probe particle give information about the linear response behaviour of the system, which can be linked to the macroscopic frequency-dependent viscous and elastic moduli of the suspension. Separate 'dragging' experiments allow observation of a sample's nonlinear response to an applied stress on a particle-by particle basis. Optical force measurements have given new data about the dynamics of phase transitions and particle interactions; an example in this study is the transition from liquid-like to solid-like behaviour, and the emergence of a yield stress and other effects attributable to nearest-neighbour caging effects. The forces needed to break such cages and the frequency of these cage breaking events are investigated in detail for systems close to the glass transition.

Eddy current testing system with scanning probe head having parallel and normal sensing coils

An eddy current testing system consists of a multi-sensor probe, a computer and a special expansion card and software for data-collection and analysis. The probe incorporates an excitation coil, and sensor coils; at least one sensor coil is a lateral current-normal coil and at least one is a current perturbation coil.

On logarithmic ratio quantities and their units

The use of special units for logarithmic ratio quantities is reviewed. The neper is used with a natural logarithm (logarithm to the base e) to express the logarithm of the amplitude ratio of two pure sinusoidal signals, particularly in the context of linear systems where it is desired to represent the gain or loss in amplitude of a single-frequency signal between the input and output. The bel, and its more commonly used submultiple, the decibel, are used with a decadic logarithm (logarithm to the base 10) to measure the ratio of two power-like quantities, such as a mean square signal or a mean square sound pressure in acoustics. Thus two distinctly different quantities are involved. In this review we define the quantities first, without reference to the units, as is standard practice in any system of quantities and units. We show that two different definitions of the quantity power level, or logarithmic power ratio, are possible. We show that this leads to two different interpretations for the meaning and numerical values of the units bel and decibel. We review the question of which of these alternative definitions is actually used, or is used by implication, by workers in the field. Finally, we discuss the relative advantages of the alternative definitions.

Mapping and controlling molecular processes: The application of control theory and system identification algorithms to ASOPS and other fast pulse spectroscopies

Asynchronous Optical Sampling (ASOPS) [1,2] and frequency comb spectrometry [3] based on dual Ti:saphire resonators operated in a master/slave mode have the potential to improve signal to noise ratio in THz transient and IR sperctrometry. The multimode Brownian oscillator time-domain response function described by state-space models is a mathematically robust framework that can be used to describe the dispersive phenomena governed by Lorentzian, Debye and Drude responses. In addition, the optical properties of an arbitrary medium can be expressed as a linear combination of simple multimode Brownian oscillator functions. The suitability of a range of signal processing schemes adopted from the Systems Identification and Control Theory community for further processing the recorded THz transients in the time or frequency domain will be outlined [4,5]. Since a femtosecond duration pulse is capable of persistent excitation of the medium within which it propagates, such approach is perfectly justifiable. Several de-noising routines based on system identification will be shown. Furthermore, specifically developed apodization structures will be discussed. These are necessary because due to dispersion issues, the time-domain background and sample interferograms are non-symmetrical [6-8]. These procedures can lead to a more precise estimation of the complex insertion loss function. The algorithms are applicable to femtosecond spectroscopies across the EM spectrum. Finally, a methodology for femtosecond pulse shaping using genetic algorithms aiming to map and control molecular relaxation processes will be mentioned.

Alternatives to linear analysis of energy balance data from lactating dairy cows

The current energy requirements system used in the United Kingdom for lactating dairy cows utilizes key parameters such as metabolizable energy intake (MEI) at maintenance (MEm), the efficiency of utilization of MEI for 1) maintenance, 2) milk production (k(l)), 3) growth (k(g)), and the efficiency of utilization of body stores for milk production (k(t)). Traditionally, these have been determined using linear regression methods to analyze energy balance data from calorimetry experiments. Many studies have highlighted a number of concerns over current energy feeding systems particularly in relation to these key parameters, and the linear models used for analyzing. Therefore, a database containing 652 dairy cow observations was assembled from calorimetry studies in the United Kingdom. Five functions for analyzing energy balance data were considered: straight line, two diminishing returns functions, (the Mitscherlich and the rectangular hyperbola), and two sigmoidal functions (the logistic and the Gompertz). Meta-analysis of the data was conducted to estimate k(g) and k(t). Values of 0.83 to 0.86 and 0.66 to 0.69 were obtained for k(g) and k(t) using all the functions (with standard errors of 0.028 and 0.027), respectively, which were considerably different from previous reports of 0.60 to 0.75 for k(g) and 0.82 to 0.84 for k(t). Using the estimated values of k(g) and k(t), the data were corrected to allow for body tissue changes. Based on the definition of k(l) as the derivative of the ratio of milk energy derived from MEI to MEI directed towards milk production, MEm and k(l) were determined. Meta-analysis of the pooled data showed that the average k(l) ranged from 0.50 to 0.58 and MEm ranged between 0.34 and 0.64 MJ/kg of BW0.75 per day. Although the constrained Mitscherlich fitted the data as good as the straight line, more observations at high energy intakes (above 2.4 MJ/kg of BW0.75 per day) are required to determine conclusively whether milk energy is related to MEI linearly or not.

Aggregation of parasitism risk in an aphid-parasitoid system: Effects of plant patch size and aphid density

Few studies have linked density dependence of parasitism and the tritrophic environment within which a parasitoid forages. In the non-crop plant-aphid, Centaurea nigra-Uroleucon jaceae system, mixed patterns of density-dependent parasitism by the parasitoids Aphidius funebris and Trioxys centaureae were observed in a survey of a natural population. Breakdown of density-dependent parasitism revealed that density dependence was inverse in smaller colonies but direct in large colonies (>20 aphids), suggesting there is a threshold effect in parasitoid response to aphid density. The CV2 of searching parasitoids was estimated from parasitism data using a hierarchical generalized linear model, and CV2>1 for A. funebris between plant patches, while for T. centaureae CV2>1 within plant patches. In both cases, density independent heterogeneity was more important than density-dependent heterogeneity in parasitism. Parasitism by T. centaureae increased with increasing plant patch size. Manipulation of aphid colony size and plant patch size revealed that parasitism by A. funebris was directly density dependent at the range of colony sizes tested (50-200 initial aphids), and had a strong positive relationship with plant patch size. The effects of plant patch size detected for both species indicate that the tritrophic environment provides a source of host density independent heterogeneity in parasitism, and can modify density-dependent responses. (c) 2007 Gessellschaft fur Okologie. Published by Elsevier GmbH. All rights reserved.

Influence-matrix diagnostic of a data assimilation system

The influence matrix is used in ordinary least-squares applications for monitoring statistical multiple-regression analyses. Concepts related to the influence matrix provide diagnostics on the influence of individual data on the analysis - the analysis change that would occur by leaving one observation out, and the effective information content (degrees of freedom for signal) in any sub-set of the analysed data. In this paper, the corresponding concepts have been derived in the context of linear statistical data assimilation in numerical weather prediction. An approximate method to compute the diagonal elements of the influence matrix (the self-sensitivities) has been developed for a large-dimension variational data assimilation system (the four-dimensional variational system of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts). Results show that, in the boreal spring 2003 operational system, 15% of the global influence is due to the assimilated observations in any one analysis, and the complementary 85% is the influence of the prior (background) information, a short-range forecast containing information from earlier assimilated observations. About 25% of the observational information is currently provided by surface-based observing systems, and 75% by satellite systems. Low-influence data points usually occur in data-rich areas, while high-influence data points are in data-sparse areas or in dynamically active regions. Background-error correlations also play an important role: high correlation diminishes the observation influence and amplifies the importance of the surrounding real and pseudo observations (prior information in observation space). Incorrect specifications of background and observation-error covariance matrices can be identified, interpreted and better understood by the use of influence-matrix diagnostics for the variety of observation types and observed variables used in the data assimilation system. Copyright © 2004 Royal Meteorological Society