Change points detection in crime-related time series: an on-line fuzzy approach based on a shape space representation

The extension of traditional data mining methods to time series has been effectively applied to a wide range of domains such as finance, econometrics, biology, security, and medicine. Many existing mining methods deal with the task of change points detection, but very few provide a flexible approach. Querying specific change points with linguistic variables is particularly useful in crime analysis, where intuitive, understandable, and appropriate detection of changes can significantly improve the allocation of resources for timely and concise operations. In this paper, we propose an on-line method for detecting and querying change points in crime-related time series with the use of a meaningful representation and a fuzzy inference system. Change points detection is based on a shape space representation, and linguistic terms describing geometric properties of the change points are used to express queries, offering the advantage of intuitiveness and flexibility. An empirical evaluation is first conducted on a crime data set to confirm the validity of the proposed method and then on a financial data set to test its general applicability. A comparison to a similar change-point detection algorithm and a sensitivity analysis are also conducted. Results show that the method is able to accurately detect change points at very low computational costs. More broadly, the detection of specific change points within time series of virtually any domain is made more intuitive and more understandable, even for experts not related to data mining.

Characterizing major avalanche episodes in space and time in the twentieth and early twentyfirst centuries in the Catalan Pyrenees

With the aim of better understanding avalanche risk in the Catalan Pyrenees, the present work focuses on the analysis of major (or destructive) avalanches. For such purpose major avalanche cartography was made by an exhaustive photointerpretation of several flights, winter and summer field surveys and inquiries to local population. Major avalanche events were used to quantify the magnitude of the episodes during which they occurred, and a Major Avalanche Activity Magnitude Index (MAAMI) was developed. This index is based on the number of major avalanches registered and its estimated frequency in a given time period, hence it quantifies the magnitude of a major avalanche episode or winter. Furthermore, it permits a comparison of the magnitude between major avalanche episodes in a given mountain range, or between mountain ranges, and for a long enough period, it should allow analysis of temporal trends. Major episodes from winter 1995/96 to 2013/14 were reconstructed. Their magnitude, frequency and extent were also assessed. During the last 19 winters, the episodes of January 22-23 and February 6-8 in 1996 were those with highest MAAMI values,followed by January 30-31, 2003, January 29, 2006, and January 24-25, 2014. To analyze the whole twentieth century, a simplified MAAMI was defined in order to attain the same purpose with a less complete dataset. With less accuracy, the same parameters were obtained at winter time resolution throughout the twentieth century. Again, 1995/96 winter had the highest MAAMI value followed by 1971/72, 1974/75 and 1937/38 winter seasons. The analysis of the spatial extent of the different episodes allowed refining the demarcation of nivological regions, and improving our knowledge about the atmospheric patterns that cause major episodes and their climatic interpretation. In some cases, the importance of considering a major avalanche episode as the result of a previous preparatory period, followed by a triggering one was revealed.

Estimation of State Space Models and Stochastic Volatility

Ma thèse est composée de trois chapitres reliés à l'estimation des modèles espace-état et volatilité stochastique. Dans le première article, nous développons une procédure de lissage de l'état, avec efficacité computationnelle, dans un modèle espace-état linéaire et gaussien. Nous montrons comment exploiter la structure particulière des modèles espace-état pour tirer les états latents efficacement. Nous analysons l'efficacité computationnelle des méthodes basées sur le filtre de Kalman, l'algorithme facteur de Cholesky et notre nouvelle méthode utilisant le compte d'opérations et d'expériences de calcul. Nous montrons que pour de nombreux cas importants, notre méthode est plus efficace. Les gains sont particulièrement grands pour les cas où la dimension des variables observées est grande ou dans les cas où il faut faire des tirages répétés des états pour les mêmes valeurs de paramètres. Comme application, on considère un modèle multivarié de Poisson avec le temps des intensités variables, lequel est utilisé pour analyser le compte de données des transactions sur les marchés financières. Dans le deuxième chapitre, nous proposons une nouvelle technique pour analyser des modèles multivariés à volatilité stochastique. La méthode proposée est basée sur le tirage efficace de la volatilité de son densité conditionnelle sachant les paramètres et les données. Notre méthodologie s'applique aux modèles avec plusieurs types de dépendance dans la coupe transversale. Nous pouvons modeler des matrices de corrélation conditionnelles variant dans le temps en incorporant des facteurs dans l'équation de rendements, où les facteurs sont des processus de volatilité stochastique indépendants. Nous pouvons incorporer des copules pour permettre la dépendance conditionnelle des rendements sachant la volatilité, permettant avoir différent lois marginaux de Student avec des degrés de liberté spécifiques pour capturer l'hétérogénéité des rendements. On tire la volatilité comme un bloc dans la dimension du temps et un à la fois dans la dimension de la coupe transversale. Nous appliquons la méthode introduite par McCausland (2012) pour obtenir une bonne approximation de la distribution conditionnelle à posteriori de la volatilité d'un rendement sachant les volatilités d'autres rendements, les paramètres et les corrélations dynamiques. Le modèle est évalué en utilisant des données réelles pour dix taux de change. Nous rapportons des résultats pour des modèles univariés de volatilité stochastique et deux modèles multivariés. Dans le troisième chapitre, nous évaluons l'information contribuée par des variations de volatilite réalisée à l'évaluation et prévision de la volatilité quand des prix sont mesurés avec et sans erreur. Nous utilisons de modèles de volatilité stochastique. Nous considérons le point de vue d'un investisseur pour qui la volatilité est une variable latent inconnu et la volatilité réalisée est une quantité d'échantillon qui contient des informations sur lui. Nous employons des méthodes bayésiennes de Monte Carlo par chaîne de Markov pour estimer les modèles, qui permettent la formulation, non seulement des densités a posteriori de la volatilité, mais aussi les densités prédictives de la volatilité future. Nous comparons les prévisions de volatilité et les taux de succès des prévisions qui emploient et n'emploient pas l'information contenue dans la volatilité réalisée. Cette approche se distingue de celles existantes dans la littérature empirique en ce sens que ces dernières se limitent le plus souvent à documenter la capacité de la volatilité réalisée à se prévoir à elle-même. Nous présentons des applications empiriques en utilisant les rendements journaliers des indices et de taux de change. Les différents modèles concurrents sont appliqués à la seconde moitié de 2008, une période marquante dans la récente crise financière.

Space and time characterization of laser-induced plasmas for applications in chemical analysis and thin film deposition

Après des décennies de développement, l'ablation laser est devenue une technique importante pour un grand nombre d'applications telles que le dépôt de couches minces, la synthèse de nanoparticules, le micro-usinage, l’analyse chimique, etc. Des études expérimentales ainsi que théoriques ont été menées pour comprendre les mécanismes physiques fondamentaux mis en jeu pendant l'ablation et pour déterminer l’effet de la longueur d'onde, de la durée d'impulsion, de la nature de gaz ambiant et du matériau de la cible. La présente thèse décrit et examine l'importance relative des mécanismes physiques qui influencent les caractéristiques des plasmas d’aluminium induits par laser. Le cadre général de cette recherche forme une étude approfondie de l'interaction entre la dynamique de la plume-plasma et l’atmosphère gazeuse dans laquelle elle se développe. Ceci a été réalisé par imagerie résolue temporellement et spatialement de la plume du plasma en termes d'intensité spectrale, de densité électronique et de température d'excitation dans différentes atmosphères de gaz inertes tel que l’Ar et l’He et réactifs tel que le N2 et ce à des pressions s’étendant de 10‾7 Torr (vide) jusqu’à 760 Torr (pression atmosphérique). Nos résultats montrent que l'intensité d'émission de plasma dépend généralement de la nature de gaz et qu’elle est fortement affectée par sa pression. En outre, pour un délai temporel donné par rapport à l'impulsion laser, la densité électronique ainsi que la température augmentent avec la pression de gaz, ce qui peut être attribué au confinement inertiel du plasma. De plus, on observe que la densité électronique est maximale à proximité de la surface de la cible où le laser est focalisé et qu’elle diminue en s’éloignant (axialement et radialement) de cette position. Malgré la variation axiale importante de la température le long du plasma, on trouve que sa variation radiale est négligeable. La densité électronique et la température ont été trouvées maximales lorsque le gaz est de l’argon et minimales pour l’hélium, tandis que les valeurs sont intermédiaires dans le cas de l’azote. Ceci tient surtout aux propriétés physiques et chimiques du gaz telles que la masse des espèces, leur énergie d'excitation et d'ionisation, la conductivité thermique et la réactivité chimique. L'expansion de la plume du plasma a été étudiée par imagerie résolue spatio-temporellement. Les résultats montrent que la nature de gaz n’affecte pas la dynamique de la plume pour des pressions inférieures à 20 Torr et pour un délai temporel inférieur à 200 ns. Cependant, pour des pressions supérieures à 20 Torr, l'effet de la nature du gaz devient important et la plume la plus courte est obtenue lorsque la masse des espèces du gaz est élevée et lorsque sa conductivité thermique est relativement faible. Ces résultats sont confirmés par la mesure de temps de vol de l’ion Al+ émettant à 281,6 nm. D’autre part, on trouve que la vitesse de propagation des ions d’aluminium est bien définie juste après l’ablation et près de la surface de la cible. Toutefois, pour un délai temporel important, les ions, en traversant la plume, se thermalisent grâce aux collisions avec les espèces du plasma et du gaz.

Risk of foot and mouth disease associated with proximity in space and time to infected premises and the implications for control policy during the 2001 epidemic in Cumbria

An analysis was made that calculated the risk of disease for premises in the most heavily affected parts of the county of Cumbria during the foot-and-mouth disease epidemic in the UK in 2001. In over half the cases the occurrence of the disease was not directly attributable to a recently infected premises being located within 1.5 km. Premises more than 1.5 km from recently infected premises faced sufficiently high infection risks that culling within a 1.5 km radius of the infected premises alone could not have prevented the progress of the epidemic. A comparison of the final outcome in two areas of the county, south Penrith and north Cumbria, indicated that focusing on controlling the potential spread of the disease over short distances by culling premises contiguous to infected premises, while the disease continued to spread over longer distances, may have resulted in excessive numbers of premises being culled. Even though the contiguous cull in south Penrith appeared to have resulted in a smaller proportion of premises becoming infected, the overall proportion of premises culled was considerably greater than in north Cumbria, where, because of staff and resource limitations, a smaller proportion of premises contiguous to infected premises was culled

Coding of visual space during motor preparation: approaching objects rapidly modulate corticospinal excitability in hand-centered coordinates

Defensive behaviors, such as withdrawing your hand to avoid potentially harmful approaching objects, rely on rapid sensorimotor transformations between visual and motor coordinates. We examined the reference frame for coding visual information about objects approaching the hand during motor preparation. Subjects performed a simple visuomanual task while a task-irrelevant distractor ball rapidly approached a location either near to or far from their hand. After the distractor ball appearance, single pulses of transcranial magnetic stimulation were delivered over the subject's primary motor cortex, eliciting motor evoked potentials (MEPs) in their responding hand. MEP amplitude was reduced when the ball approached near the responding hand, both when the hand was on the left and the right of the midline. Strikingly, this suppression occurred very early, at 70-80ms after ball appearance, and was not modified by visual fixation location. Furthermore, it was selective for approaching balls, since static visual distractors did not modulate MEP amplitude. Together with additional behavioral measurements, we provide converging evidence for automatic hand-centered coding of visual space in the human brain.

A block coprocessor for user data rate improvements to GPRS coding scheme 4

The general packet radio service (GPRS) has been developed to allow packet data to be transported efficiently over an existing circuit-switched radio network, such as GSM. The main application of GPRS are in transporting Internet protocol (IP) datagrams from web servers (for telemetry or for mobile Internet browsers). Four GPRS baseband coding schemes are defined to offer a trade-off in requested data rates versus propagation channel conditions. However, data rates in the order of > 100 kbits/s are only achievable if the simplest coding scheme is used (CS-4) which offers little error detection and correction (EDC) (requiring excellent SNR) and the receiver hardware is capable of full duplex which is not currently available in the consumer market. A simple EDC scheme to improve the GPRS block error rate (BLER) performance is presented, particularly for CS-4, however gains in other coding schemes are seen. For every GPRS radio block that is corrected by the EDC scheme, the block does not need to be retransmitted releasing bandwidth in the channel and improving the user's application data rate. As GPRS requires intensive processing in the baseband, a viable field programmable gate array (FPGA) solution is presented in this paper.

Spatial interaction among nontoxic phytoplankton, toxic phytoplankton and zooplankton: emergence in space and time

In homogeneous environments, by overturning the possibility of competitive exclusion among phytoplankton species, and by regulating the dynamics of overall plankton population, toxin-producing phytoplankton (TPP) potentially help in maintaining plankton diversity—a result shown recently. Here, I explore the competitive effects of TPP on phytoplankton and zooplankton species undergoing spatial movements in the subsurface water. The spatial interactions among the species are represented in the form of reaction-diffusion equations. Suitable parametric conditions under which Turing patterns may or may not evolve are investigated. Spatiotemporal distributions of species biomass are simulated using the diffusivity assumptions realistic for natural planktonic systems. The study demonstrates that spatial movements of planktonic systems in the presence of TPP generate and maintain inhomogeneous biomass distribution of competing phytoplankton, as well as grazer zooplankton, thereby ensuring the persistence of multiple species in space and time. The overall results may potentially explain the sustainability of biodiversity and the spatiotemporal emergence of phytoplankton and zooplankton species under the influence of TPP combined with their physical movement in the subsurface water.

The first real-time worldwide ionospheric predictions network: an advance in support of spaceborne experimentation, on-line model validation, and space weather

We report on the first realtime ionospheric predictions network and its capabilities to ingest a global database and forecast F-layer characteristics and "in situ" electron densities along the track of an orbiting spacecraft. A global network of ionosonde stations reported around-the-clock observations of F-region heights and densities, and an on-line library of models provided forecasting capabilities. Each model was tested against the incoming data; relative accuracies were intercompared to determine the best overall fit to the prevailing conditions; and the best-fit model was used to predict ionospheric conditions on an orbit-to-orbit basis for the 12-hour period following a twice-daily model test and validation procedure. It was found that the best-fit model often provided averaged (i.e., climatologically-based) accuracies better than 5% in predicting the heights and critical frequencies of the F-region peaks in the latitudinal domain of the TSS-1R flight path. There was a sharp contrast however, in model-measurement comparisons involving predictions of actual, unaveraged, along-track densities at the 295 km orbital altitude of TSS-1R In this case, extrema in the first-principle models varied by as much as an order of magnitude in density predictions, and the best-fit models were found to disagree with the "in situ" observations of Ne by as much as 140%. The discrepancies are interpreted as a manifestation of difficulties in accurately and self-consistently modeling the external controls of solar and magnetospheric inputs and the spatial and temporal variabilities in electric fields, thermospheric winds, plasmaspheric fluxes, and chemistry.