Modeling a Network of Heat Exchangers

This research work addresses the problem of building a mathematical model for the given system of heat exchangers and to determine the temperatures, pressures and velocities at the intermediate positions. Such model could be used in nding an optimal design for such a superstructure. To limit the size and computing time a reduced network model was used. The method can be generalized to larger network structures. A mathematical model which includes a system of non-linear equations has been built and solved according to the Newton-Raphson algorithm. The results obtained by the proposed mathematical model were compared with the results obtained by the Paterson approximation and Chen's Approximation. Results of this research work in collaboration with a current ongoing research at the department will optimize the valve positions and hence, minimize the pumping cost and maximize the heat transfer of the system of heat exchangers.

Synergistic control of forearm based on accelerometer data and artificial neural networks

In the present study, we modeled a reaching task as a two-link mechanism. The upper arm and forearm motion trajectories during vertical arm movements were estimated from the measured angular accelerations with dual-axis accelerometers. A data set of reaching synergies from able-bodied individuals was used to train a radial basis function artificial neural network with upper arm/forearm tangential angular accelerations. The trained radial basis function artificial neural network for the specific movements predicted forearm motion from new upper arm trajectories with high correlation (mean, 0.9149-0.941). For all other movements, prediction was low (range, 0.0316-0.8302). Results suggest that the proposed algorithm is successful in generalization over similar motions and subjects. Such networks may be used as a high-level controller that could predict forearm kinematics from voluntary movements of the upper arm. This methodology is suitable for restoring the upper limb functions of individuals with motor disabilities of the forearm, but not of the upper arm. The developed control paradigm is applicable to upper-limb orthotic systems employing functional electrical stimulation. The proposed approach is of great significance particularly for humans with spinal cord injuries in a free-living environment. The implication of a measurement system with dual-axis accelerometers, developed for this study, is further seen in the evaluation of movement during the course of rehabilitation. For this purpose, training-related changes in synergies apparent from movement kinematics during rehabilitation would characterize the extent and the course of recovery. As such, a simple system using this methodology is of particular importance for stroke patients. The results underlie the important issue of upper-limb coordination.

Detection of patients with functional dyspepsia using wavelet transform applied to their electrogastrogram

The aim of the present study was to develop a classifier able to discriminate between healthy controls and dyspeptic patients by analysis of their electrogastrograms. Fifty-six electrogastrograms were analyzed, corresponding to 42 dyspeptic patients and 14 healthy controls. The original signals were subsampled, filtered and divided into the pre-, post-, and prandial stages. A time-frequency transformation based on wavelets was used to extract the signal characteristics, and a special selection procedure based on correlation was used to reduce their number. The analysis was carried out by evaluating different neural network structures to classify the wavelet coefficients into two groups (healthy subjects and dyspeptic patients). The optimization process of the classifier led to a linear model. A dimension reduction that resulted in only 25% of uncorrelated electrogastrogram characteristics gave 24 inputs for the classifier. The prandial stage gave the most significant results. Under these conditions, the classifier achieved 78.6% sensitivity, 92.9% specificity, and an error of 17.9 ± 6% (with a 95% confidence level). These data show that it is possible to establish significant differences between patients and normal controls when time-frequency characteristics are extracted from an electrogastrogram, with an adequate component reduction, outperforming the results obtained with classical Fourier analysis. These findings can contribute to increasing our understanding of the pathophysiological mechanisms involved in functional dyspepsia and perhaps to improving the pharmacological treatment of functional dyspeptic patients.

The transforming network of a foreign company operating in Mongolia. Case: A Finnish firm in Mongolia

In the globalising business environment ever fewer market areas remain unknown. Mongolia is yet only considered as an isolated strip between two power states. The purpose of this study is to put Mongolia on the map of academic business research. This is done by describing the transforming network of a foreign company operating in Mongolia. The objective of the study is approached through a case study, which presents the transformation of a Finnish company operating in Mongolia. This study aims at providing understanding on how the foreign case company observes the transformations of its network. The transformation within the case company is reflected to the transformations that occur in the Mongolian business environment. This study was conducted through a qualitative, intrinsic case study approach. The empirical data was gathered by using the method of network pictures. The network pictures were completed with the assistance of themed interviews. In order to be able to analyse the transformation within a network, three different time periods were observed: the past period around 2000, the present around 2014, and the estimated future around 2020. The data was collected from four executives positioned either in Finland, Russia or Mongolia. The respondents have a long experience within the case company, they hold managerial position, and therefore were able to offer valuable data for this study. The analytical framework used to analyse the collected data was built on the industrial network model, the ARA (actors-resources-activities)-model. The study shows that the changing business environment of Mongolia was utilised by the case company. In order to better meet the transforming customer wishes, the case company transformed from being a retailer to being a manufacturer. The case company was able to become a pioneer in the market. Thus, the case company has undergone similar kind of rapid transformation as the economy of Mongolia in entirety. This study shows that the general nature of the ARA-model makes it usable for new research contexts. The initial ARA-model offers a way to identify the dimensions of a network and a mean to understand these dimensions. The ARA-model can be applied to different contexts and to all time dimensions, past, present and future. The managerial recommendations offered in this study are directed towards the managers that plan to start operations in Mongolia. While this study is the first of its kind, it offers a good starting point for the future research on the change of Mongolian business networks. Valuable information could, for example, be obtained from a comparative study between the case company of this study and a multinational mining company operating in Mongolia.

Modeling the water uptake by chicken carcasses during cooling by immersion

In this study, water uptake by poultry carcasses during cooling by water immersion was modeled using artificial neural networks. Data from twenty-five independent variables and the final mass of the carcass were collected in an industrial plant to train and validate the model. Different network structures with one hidden layer were tested, and the Downhill Simplex method was used to optimize the synaptic weights. In order to accelerate the optimization calculus, Principal Component Analysis (PCA) was used to preprocess the input data. The obtained results were: i) PCA reduced the number of input variables from twenty-five to ten; ii) the neural network structure 4-6-1 was the one with the best result; iii) PCA gave the following order of importance: parameters of mass transfer, heat transfer, and initial characteristics of the carcass. The main contributions of this work were to provide an accurate model for predicting the final content of water in the carcasses and a better understanding of the variables involved.

Artificial neural networks (ANN): prediction of sensory measurements from instrumental data

The objective of this study was to predict by means of Artificial Neural Network (ANN), multilayer perceptrons, the texture attributes of light cheesecurds perceived by trained judges based on instrumental texture measurements. Inputs to the network were the instrumental texture measurements of light cheesecurd (imitative and fundamental parameters). Output variables were the sensory attributes consistency and spreadability. Nine light cheesecurd formulations composed of different combinations of fat and water were evaluated. The measurements obtained by the instrumental and sensory analyses of these formulations constituted the data set used for training and validation of the network. Network training was performed using a back-propagation algorithm. The network architecture selected was composed of 8-3-9-2 neurons in its layers, which quickly and accurately predicted the sensory texture attributes studied, showing a high correlation between the predicted and experimental values for the validation data set and excellent generalization ability, with a validation RMSE of 0.0506.

Behavioural and neural correlates of operant conditioning in Lymnaea stagnalis : role of previous experience during development /

The freshwater mollusc Lymnaea stagnalis was utilized in this study to further the understanding of how network properties change as a result of associative learning, and to determine whether or not this plasticity is dependent on previous experience during development. The respiratory and neural correlates of operant conditioning were first determined in normally reared Lymnaea. The same procedure was then applied to differentially reared Lymnaea, that is, animals that had never experienced aerial respiration during their development. The aim was to determine whether these animals would demonstrate the same responses to the training paradigm. In normally reared animals, a behavioural reduction in aerial respiration was accompanied by numerous changes within the neural network. Specifically, I provide evidence of changes at the level of the respiratory central pattern generator and the motor output. In the differentially reared animals, there was little behavioural data to suggest learning and memory. There were, however, significant differences in the network parameters, similar to those observed in normally reared animals. This demonstrated an effect of operant conditioning on differentially reared animals. In this thesis, I have identified additional correlates of operant conditioning in normally reared animals and provide evidence of associative learning in differentially reared animals. I conclude plasticity is not dependent on previous experience, but is rather ontogenetically programmed within the neural network.

Training deep convolutional architectures for vision

Les tâches de vision artificielle telles que la reconnaissance d’objets demeurent irrésolues à ce jour. Les algorithmes d’apprentissage tels que les Réseaux de Neurones Artificiels (RNA), représentent une approche prometteuse permettant d’apprendre des caractéristiques utiles pour ces tâches. Ce processus d’optimisation est néanmoins difficile. Les réseaux profonds à base de Machine de Boltzmann Restreintes (RBM) ont récemment été proposés afin de guider l’extraction de représentations intermédiaires, grâce à un algorithme d’apprentissage non-supervisé. Ce mémoire présente, par l’entremise de trois articles, des contributions à ce domaine de recherche. Le premier article traite de la RBM convolutionelle. L’usage de champs réceptifs locaux ainsi que le regroupement d’unités cachées en couches partageant les même paramètres, réduit considérablement le nombre de paramètres à apprendre et engendre des détecteurs de caractéristiques locaux et équivariant aux translations. Ceci mène à des modèles ayant une meilleure vraisemblance, comparativement aux RBMs entraînées sur des segments d’images. Le deuxième article est motivé par des découvertes récentes en neurosciences. Il analyse l’impact d’unités quadratiques sur des tâches de classification visuelles, ainsi que celui d’une nouvelle fonction d’activation. Nous observons que les RNAs à base d’unités quadratiques utilisant la fonction softsign, donnent de meilleures performances de généralisation. Le dernière article quand à lui, offre une vision critique des algorithmes populaires d’entraînement de RBMs. Nous montrons que l’algorithme de Divergence Contrastive (CD) et la CD Persistente ne sont pas robustes : tous deux nécessitent une surface d’énergie relativement plate afin que leur chaîne négative puisse mixer. La PCD à "poids rapides" contourne ce problème en perturbant légèrement le modèle, cependant, ceci génère des échantillons bruités. L’usage de chaînes tempérées dans la phase négative est une façon robuste d’adresser ces problèmes et mène à de meilleurs modèles génératifs.

Apprentissage de représentations sur-complètes par entraînement d’auto-encodeurs

Les avancés dans le domaine de l’intelligence artificielle, permettent à des systèmes informatiques de résoudre des tâches de plus en plus complexes liées par exemple à la vision, à la compréhension de signaux sonores ou au traitement de la langue. Parmi les modèles existants, on retrouve les Réseaux de Neurones Artificiels (RNA), dont la popularité a fait un grand bond en avant avec la découverte de Hinton et al. [22], soit l’utilisation de Machines de Boltzmann Restreintes (RBM) pour un pré-entraînement non-supervisé couche après couche, facilitant grandement l’entraînement supervisé du réseau à plusieurs couches cachées (DBN), entraînement qui s’avérait jusqu’alors très difficile à réussir. Depuis cette découverte, des chercheurs ont étudié l’efficacité de nouvelles stratégies de pré-entraînement, telles que l’empilement d’auto-encodeurs traditionnels(SAE) [5, 38], et l’empilement d’auto-encodeur débruiteur (SDAE) [44]. C’est dans ce contexte qu’a débuté la présente étude. Après un bref passage en revue des notions de base du domaine de l’apprentissage machine et des méthodes de pré-entraînement employées jusqu’à présent avec les modules RBM, AE et DAE, nous avons approfondi notre compréhension du pré-entraînement de type SDAE, exploré ses différentes propriétés et étudié des variantes de SDAE comme stratégie d’initialisation d’architecture profonde. Nous avons ainsi pu, entre autres choses, mettre en lumière l’influence du niveau de bruit, du nombre de couches et du nombre d’unités cachées sur l’erreur de généralisation du SDAE. Nous avons constaté une amélioration de la performance sur la tâche supervisée avec l’utilisation des bruits poivre et sel (PS) et gaussien (GS), bruits s’avérant mieux justifiés que celui utilisé jusqu’à présent, soit le masque à zéro (MN). De plus, nous avons démontré que la performance profitait d’une emphase imposée sur la reconstruction des données corrompues durant l’entraînement des différents DAE. Nos travaux ont aussi permis de révéler que le DAE était en mesure d’apprendre, sur des images naturelles, des filtres semblables à ceux retrouvés dans les cellules V1 du cortex visuel, soit des filtres détecteurs de bordures. Nous aurons par ailleurs pu montrer que les représentations apprises du SDAE, composées des caractéristiques ainsi extraites, s’avéraient fort utiles à l’apprentissage d’une machine à vecteurs de support (SVM) linéaire ou à noyau gaussien, améliorant grandement sa performance de généralisation. Aussi, nous aurons observé que similairement au DBN, et contrairement au SAE, le SDAE possédait une bonne capacité en tant que modèle générateur. Nous avons également ouvert la porte à de nouvelles stratégies de pré-entraînement et découvert le potentiel de l’une d’entre elles, soit l’empilement d’auto-encodeurs rebruiteurs (SRAE).

Modèle informatique du coapprentissage des ganglions de la base et du cortex : l'apprentissage par renforcement et le développement de représentations

Tout au long de la vie, le cerveau développe des représentations de son environnement permettant à l’individu d’en tirer meilleur profit. Comment ces représentations se développent-elles pendant la quête de récompenses demeure un mystère. Il est raisonnable de penser que le cortex est le siège de ces représentations et que les ganglions de la base jouent un rôle important dans la maximisation des récompenses. En particulier, les neurones dopaminergiques semblent coder un signal d’erreur de prédiction de récompense. Cette thèse étudie le problème en construisant, à l’aide de l’apprentissage machine, un modèle informatique intégrant de nombreuses évidences neurologiques. Après une introduction au cadre mathématique et à quelques algorithmes de l’apprentissage machine, un survol de l’apprentissage en psychologie et en neuroscience et une revue des modèles de l’apprentissage dans les ganglions de la base, la thèse comporte trois articles. Le premier montre qu’il est possible d’apprendre à maximiser ses récompenses tout en développant de meilleures représentations des entrées. Le second article porte sur l'important problème toujours non résolu de la représentation du temps. Il démontre qu’une représentation du temps peut être acquise automatiquement dans un réseau de neurones artificiels faisant office de mémoire de travail. La représentation développée par le modèle ressemble beaucoup à l’activité de neurones corticaux dans des tâches similaires. De plus, le modèle montre que l’utilisation du signal d’erreur de récompense peut accélérer la construction de ces représentations temporelles. Finalement, il montre qu’une telle représentation acquise automatiquement dans le cortex peut fournir l’information nécessaire aux ganglions de la base pour expliquer le signal dopaminergique. Enfin, le troisième article évalue le pouvoir explicatif et prédictif du modèle sur différentes situations comme la présence ou l’absence d’un stimulus (conditionnement classique ou de trace) pendant l’attente de la récompense. En plus de faire des prédictions très intéressantes en lien avec la littérature sur les intervalles de temps, l’article révèle certaines lacunes du modèle qui devront être améliorées. Bref, cette thèse étend les modèles actuels de l’apprentissage des ganglions de la base et du système dopaminergique au développement concurrent de représentations temporelles dans le cortex et aux interactions de ces deux structures.

Configuration et exploitation d'une machine émotionnelle

Dans ce travail, nous explorons la faisabilité de doter les machines de la capacité de prédire, dans un contexte d'interaction homme-machine (IHM), l'émotion d'un utilisateur, ainsi que son intensité, de manière instantanée pour une grande variété de situations. Plus spécifiquement, une application a été développée, appelée machine émotionnelle, capable de «comprendre» la signification d'une situation en se basant sur le modèle théorique d'évaluation de l'émotion Ortony, Clore et Collins (OCC). Cette machine est apte, également, à prédire les réactions émotionnelles des utilisateurs, en combinant des versions améliorées des k plus proches voisins et des réseaux de neurones. Une procédure empirique a été réalisée pour l'acquisition des données. Ces dernières ont fourni une connaissance consistante aux algorithmes d'apprentissage choisis et ont permis de tester la performance de la machine. Les résultats obtenus montrent que la machine émotionnelle proposée est capable de produire de bonnes prédictions. Une telle réalisation pourrait encourager son utilisation future dans des domaines exploitant la reconnaissance automatique de l'émotion.

Génération et reconnaissance de rythmes au moyen de réseaux de neurones à réservoir

Les fichiers sons qui accompagne mon document sont au format midi. Le programme que nous avons développés pour ce travail est en language Python.

Expérience comportementale et modélisation par réseau neuronal des différences entre les processus de catégorisation par règles logiques et par ressemblance familiale

Notre étude est bipartite. En premier lieu nous avons effectué une étude empirique des différences entre les processus de catégorisation explicite (verbalisable) et implicite (non-verbalisable). Nous avons examiné la difficulté et le temps nécessaire pour apprendre trois tâches de catégorisation dites par air de famille, par règle logique conjonctive et par règle logique disjonctive. Nous avons ensuite utilisé un réseau neuronal pour modéliser la catégorisation en lui faisant compléter les mêmes tâches. La comparaison entre les deux nous permet de juger de l’adéquation du modèle. Les données empiriques ont montré un effet de la typicité et de la familiarité en accord avec la documentation et nous trouvons que la tâche de catégorisation par règle disjonctive est la plus difficile alors que la tâche de catégorisation par air de famille est la plus facile. La modélisation par le réseau est une réussite partielle mais nous présentons des solutions afin qu’un réseau futur puisse modéliser le processus catégoriel humain efficacement

A dynamic sequential route choice model for micro-simulation

Dans les études sur le transport, les modèles de choix de route décrivent la sélection par un utilisateur d’un chemin, depuis son origine jusqu’à sa destination. Plus précisément, il s’agit de trouver dans un réseau composé d’arcs et de sommets la suite d’arcs reliant deux sommets, suivant des critères donnés. Nous considérons dans le présent travail l’application de la programmation dynamique pour représenter le processus de choix, en considérant le choix d’un chemin comme une séquence de choix d’arcs. De plus, nous mettons en œuvre les techniques d’approximation en programmation dynamique afin de représenter la connaissance imparfaite de l’état réseau, en particulier pour les arcs éloignés du point actuel. Plus précisément, à chaque fois qu’un utilisateur atteint une intersection, il considère l’utilité d’un certain nombre d’arcs futurs, puis une estimation est faite pour le restant du chemin jusqu’à la destination. Le modèle de choix de route est implanté dans le cadre d’un modèle de simulation de trafic par événements discrets. Le modèle ainsi construit est testé sur un modèle de réseau routier réel afin d’étudier sa performance.

Évaluation et amélioration du rendement de la formation en entreprise : vers une démarche basée sur la gestion des processus d’affaires.

La formation est une stratégie clé pour le développement des compétences. Les entreprises continuent à investir dans la formation et le développement, mais elles possèdent rarement des données pour évaluer les résultats de cet investissement. La plupart des entreprises utilisent le modèle Kirkpatrick/Phillips pour évaluer la formation en entreprise. Cependant, il ressort de la littérature que les entreprises ont des difficultés à utiliser ce modèle. Les principales barrières sont la difficulté d’isoler l’apprentissage comme un facteur qui a une incidence sur les résultats, l’absence d’un système d’évaluation utile avec le système de gestion de l’apprentissage (Learning Management System - LMS) et le manque de données standardisées pour pouvoir comparer différentes fonctions d’apprentissage. Dans cette thèse, nous proposons un modèle (Analyse, Modélisation, Monitoring et Optimisation - AM2O) de gestion de projets de formation en entreprise, basée sur la gestion des processus d’affaires (Business Process Management - BPM). Un tel scénario suppose que les activités de formation en entreprise doivent être considérées comme des processus d’affaires. Notre modèle est inspiré de cette méthode (BPM), à travers la définition et le suivi des indicateurs de performance pour gérer les projets de formation dans les organisations. Elle est basée sur l’analyse et la modélisation des besoins de formation pour assurer l’alignement entre les activités de formation et les objectifs d’affaires de l’entreprise. Elle permet le suivi des projets de formation ainsi que le calcul des avantages tangibles et intangibles de la formation (sans coût supplémentaire). En outre, elle permet la production d’une classification des projets de formation en fonction de critères relatifs à l’entreprise. Ainsi, avec assez de données, notre approche peut être utilisée pour optimiser le rendement de la formation par une série de simulations utilisant des algorithmes d’apprentissage machine : régression logistique, réseau de neurones, co-apprentissage. Enfin, nous avons conçu un système informatique, Enterprise TRaining programs Evaluation and Optimization System - ETREOSys, pour la gestion des programmes de formation en entreprise et l’aide à la décision. ETREOSys est une plateforme Web utilisant des services en nuage (cloud services) et les bases de données NoSQL. A travers AM2O et ETREOSys nous résolvons les principaux problèmes liés à la gestion et l’évaluation de la formation en entreprise à savoir : la difficulté d’isoler les effets de la formation dans les résultats de l’entreprise et le manque de systèmes informatiques.