A dynamic knowledge-based decision support system to handle solids separation problems in activated sludge systems: development and validation

El sistema de fangs activats és el tractament biològic més àmpliament utilitzat arreu del món per la depuració d'aigües residuals. El seu funcionament depèn de la correcta operació tant del reactor biològic com del decantador secundari. Quan la fase de sedimentació no es realitza correctament, la biomassa no decantada s'escapa amb l'efluent causant un impacte sobre el medi receptor. Els problemes de separació de sòlids, són actualment una de les principals causes d'ineficiència en l'operació dels sistemes de fangs activats arreu del món. Inclouen: bulking filamentós, bulking viscós, escumes biològiques, creixement dispers, flòcul pin-point i desnitrificació incontrolada. L'origen dels problemes de separació generalment es troba en un desequilibri entre les principals comunitats de microorganismes implicades en la sedimentació de la biomassa: els bacteris formadors de flòcul i els bacteris filamentosos. Degut a aquest origen microbiològic, la seva identificació i control no és una tasca fàcil pels caps de planta. Els Sistemes de Suport a la Presa de Decisions basats en el coneixement (KBDSS) són un grup d'eines informàtiques caracteritzades per la seva capacitat de representar coneixement heurístic i tractar grans quantitats de dades. L'objectiu de la present tesi és el desenvolupament i validació d'un KBDSS específicament dissenyat per donar suport als caps de planta en el control dels problemes de separació de sòlids d'orígen microbiològic en els sistemes de fangs activats. Per aconseguir aquest objectiu principal, el KBDSS ha de presentar les següents característiques: (1) la implementació del sistema ha de ser viable i realista per garantir el seu correcte funcionament; (2) el raonament del sistema ha de ser dinàmic i evolutiu per adaptar-se a les necessitats del domini al qual es vol aplicar i (3) el raonament del sistema ha de ser intel·ligent. En primer lloc, a fi de garantir la viabilitat del sistema, s'ha realitzat un estudi a petita escala (Catalunya) que ha permès determinar tant les variables més utilitzades per a la diagnosi i monitorització dels problemes i els mètodes de control més viables, com la detecció de les principals limitacions que el sistema hauria de resoldre. Els resultats d'anteriors aplicacions han demostrat que la principal limitació en el desenvolupament de KBDSSs és l'estructura de la base de coneixement (KB), on es representa tot el coneixement adquirit sobre el domini, juntament amb els processos de raonament a seguir. En el nostre cas, tenint en compte la dinàmica del domini, aquestes limitacions es podrien veure incrementades si aquest disseny no fos òptim. En aquest sentit, s'ha proposat el Domino Model com a eina per dissenyar conceptualment el sistema. Finalment, segons el darrer objectiu referent al seguiment d'un raonament intel·ligent, l'ús d'un Sistema Expert (basat en coneixement expert) i l'ús d'un Sistema de Raonament Basat en Casos (basat en l'experiència) han estat integrats com els principals sistemes intel·ligents encarregats de dur a terme el raonament del KBDSS. Als capítols 5 i 6 respectivament, es presenten el desenvolupament del Sistema Expert dinàmic (ES) i del Sistema de Raonament Basat en Casos temporal, anomenat Sistema de Raonament Basat en Episodis (EBRS). A continuació, al capítol 7, es presenten detalls de la implementació del sistema global (KBDSS) en l'entorn G2. Seguidament, al capítol 8, es mostren els resultats obtinguts durant els 11 mesos de validació del sistema, on aspectes com la precisió, capacitat i utilitat del sistema han estat validats tant experimentalment (prèviament a la implementació) com a partir de la seva implementació real a l'EDAR de Girona. Finalment, al capítol 9 s'enumeren les principals conclusions derivades de la present tesi.

Case based reasoning as an extension of fault dictionary methods for linear electronic analog circuits diagnosis

El test de circuits és una fase del procés de producció que cada vegada pren més importància quan es desenvolupa un nou producte. Les tècniques de test i diagnosi per a circuits digitals han estat desenvolupades i automatitzades amb èxit, mentre que aquest no és encara el cas dels circuits analògics. D'entre tots els mètodes proposats per diagnosticar circuits analògics els més utilitzats són els diccionaris de falles. En aquesta tesi se'n descriuen alguns, tot analitzant-ne els seus avantatges i inconvenients. Durant aquests últims anys, les tècniques d'Intel·ligència Artificial han esdevingut un dels camps de recerca més importants per a la diagnosi de falles. Aquesta tesi desenvolupa dues d'aquestes tècniques per tal de cobrir algunes de les mancances que presenten els diccionaris de falles. La primera proposta es basa en construir un sistema fuzzy com a eina per identificar. Els resultats obtinguts son força bons, ja que s'aconsegueix localitzar la falla en un elevat tant percent dels casos. Per altra banda, el percentatge d'encerts no és prou bo quan a més a més s'intenta esbrinar la desviació. Com que els diccionaris de falles es poden veure com una aproximació simplificada al Raonament Basat en Casos (CBR), la segona proposta fa una extensió dels diccionaris de falles cap a un sistema CBR. El propòsit no és donar una solució general del problema sinó contribuir amb una nova metodologia. Aquesta consisteix en millorar la diagnosis dels diccionaris de falles mitjançant l'addició i l'adaptació dels nous casos per tal d'esdevenir un sistema de Raonament Basat en Casos. Es descriu l'estructura de la base de casos així com les tasques d'extracció, de reutilització, de revisió i de retenció, fent èmfasi al procés d'aprenentatge. En el transcurs del text s'utilitzen diversos circuits per mostrar exemples dels mètodes de test descrits, però en particular el filtre biquadràtic és l'utilitzat per provar les metodologies plantejades, ja que és un dels benchmarks proposats en el context dels circuits analògics. Les falles considerades son paramètriques, permanents, independents i simples, encara que la metodologia pot ser fàcilment extrapolable per a la diagnosi de falles múltiples i catastròfiques. El mètode es centra en el test dels components passius, encara que també es podria extendre per a falles en els actius.

The effect of nonlinear frequency compression and linear frequency transposition on speech perception in school-aged children

The primary objective of this study is to determine whether nonlinear frequency compression and linear transposition algorithms provide speech perception benefit in school-aged children.

Linear amplification of marginally neutral baroclinic waves

Baroclinic wave development is investigated for unstable parallel shear flows in the limit of vanishing normal-mode growth rate. This development is described in terms of the propagation and interaction mechanisms of two coherent structures, called counter-propagating Rossby waves (CRWs). It is shown that, in this limit of vanishing normal-mode growth rate, arbitrary initial conditions produce sustained linear amplification of the marginally neutral normal mode (mNM). This linear excitation of the mNM is subsequently interpreted in terms of a resonance phenomenon. Moreover, while the mathematical character of the normal-mode problem changes abruptly as the bifurcation point in the dispersion diagram is encountered and crossed, it is shown that from an initial-value viewpoint, this transition is smooth. Consequently, the resonance interpretation remains relevant (albeit for a finite time) for wavenumbers slightly different from the ones defining cut-off points. The results are further applied to a two-layer version of the classic Eady model in which the upper rigid lid has been replaced by a simple stratosphere.

Boundary value problems for third-order linear PDEs in time-dependent domains

We present the extension of a methodology to solve moving boundary value problems from the second-order case to the case of the third-order linear evolution PDE qt + qxxx = 0. This extension is the crucial step needed to generalize this methodology to PDEs of arbitrary order. The methodology is based on the derivation of inversion formulae for a class of integral transforms that generalize the Fourier transform and on the analysis of the global relation associated with the PDE. The study of this relation and its inversion using the appropriate generalized transform are the main elements of the proof of our results.

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.

Linear Contributions of Different Time Scales to Teleconnectivity

The contributions of different time scales to extratropical teleconnections are examined. By applying empirical orthogonal functions and correlation analyses to reanalysis data, it is shown that eddies with periods shorter than 10 days have no linear contribution to teleconnectivity. Instead, synoptic variability follows wavelike patterns along the storm tracks, interpreted as propagating baroclinic disturbances. In agreement with preceding studies, it is found that teleconnections such as the North Atlantic Oscillation (NAO) and the Pacific–North America (PNA) pattern occur only at low frequencies, typically for periods more than 20 days. Low-frequency potential vorticity variability is shown to follow patterns analogous to known teleconnections but with shapes that differ considerably from them. It is concluded that the role, if any, of synoptic eddies in determining and forcing teleconnections needs to be sought in nonlinear interactions with the slower transients. The present results demonstrate that daily variability of teleconnection indices cannot be interpreted in terms of the teleconnection patterns, only the slow part of the variability.

Linear and nonlinear generalized Fourier transforms

This article presents an overview of a transform method for solving linear and integrable nonlinear partial differential equations. This new transform method, proposed by Fokas, yields a generalization and unification of various fundamental mathematical techniques and, in particular, it yields an extension of the Fourier transform method.