Modelling of crowded polymers elucidate effects of double-strand breaks in topological domains of bacterial chromosomes.

Using numerical simulations of pairs of long polymeric chains confined in microscopic cylinders, we investigate consequences of double-strand DNA breaks occurring in independent topological domains, such as these constituting bacterial chromosomes. Our simulations show a transition between segregated and mixed state upon linearization of one of the modelled topological domains. Our results explain how chromosomal organization into topological domains can fulfil two opposite conditions: (i) effectively repulse various loops from each other thus promoting chromosome separation and (ii) permit local DNA intermingling when one or more loops are broken and need to be repaired in a process that requires homology search between broken ends and their homologous sequences in closely positioned sister chromatid.

Linear prediction application for modelling the relationships between a large number of stand characteristics of Norway spruce stands

Abstract

Individual-based modelling and simulation: towards a better understanding of growth dynamics from small inocula

Postprint (published version)

Energy-based modelling and simulation of the interconnection of a back-to-back converter and a doubly-fed induction machine

This paper describes the port interconnection of two subsystems: a power electronics subsystem (a back-to-back AC/CA converter (B2B), coupled to a phase of the power grid), and an electromechanical subsystem (a doubly-fed induction machine (DFIM). The B2B is a variable structure system (VSS), due to presence of control-actuated switches: however, from a modelling simulation, as well as a control-design, point of view, it is sensible to consider modulated transformers (MTF in the bond graph language) instead of the pairs of complementary switches. The port-Hamiltonian models of both subsystems are presented and, using a power-preserving interconnection, the Hamiltonian description of the whole system is obtained; detailed bond graphs of all subsystems and the complete system are also provided. Using passivity-based controllers computed in the Hamiltonian formalism for both subsystems, the whole model is simulated; simulations are run to rest the correctness and efficiency of the Hamiltonian network modelling approach used in this work.

Quantitative modelling of transcription factor binding sites

Abstract One of the most important issues in molecular biology is to understand regulatory mechanisms that control gene expression. Gene expression is often regulated by proteins, called transcription factors which bind to short (5 to 20 base pairs),degenerate segments of DNA. Experimental efforts towards understanding the sequence specificity of transcription factors is laborious and expensive, but can be substantially accelerated with the use of computational predictions. This thesis describes the use of algorithms and resources for transcriptionfactor binding site analysis in addressing quantitative modelling, where probabilitic models are built to represent binding properties of a transcription factor and can be used to find new functional binding sites in genomes. Initially, an open-access database(HTPSELEX) was created, holding high quality binding sequences for two eukaryotic families of transcription factors namely CTF/NF1 and LEFT/TCF. The binding sequences were elucidated using a recently described experimental procedure called HTP-SELEX, that allows generation of large number (> 1000) of binding sites using mass sequencing technology. For each HTP-SELEX experiments we also provide accurate primary experimental information about the protein material used, details of the wet lab protocol, an archive of sequencing trace files, and assembled clone sequences of binding sequences. The database also offers reasonably large SELEX libraries obtained with conventional low-throughput protocols.The database is available at http://wwwisrec.isb-sib.ch/htpselex/ and and ftp://ftp.isrec.isb-sib.ch/pub/databases/htpselex. The Expectation-Maximisation(EM) algorithm is one the frequently used methods to estimate probabilistic models to represent the sequence specificity of transcription factors. We present computer simulations in order to estimate the precision of EM estimated models as a function of data set parameters(like length of initial sequences, number of initial sequences, percentage of nonbinding sequences). We observed a remarkable robustness of the EM algorithm with regard to length of training sequences and the degree of contamination. The HTPSELEX database and the benchmarked results of the EM algorithm formed part of the foundation for the subsequent project, where a statistical framework called hidden Markov model has been developed to represent sequence specificity of the transcription factors CTF/NF1 and LEF1/TCF using the HTP-SELEX experiment data. The hidden Markov model framework is capable of both predicting and classifying CTF/NF1 and LEF1/TCF binding sites. A covariance analysis of the binding sites revealed non-independent base preferences at different nucleotide positions, providing insight into the binding mechanism. We next tested the LEF1/TCF model by computing binding scores for a set of LEF1/TCF binding sequences for which relative affinities were determined experimentally using non-linear regression. The predicted and experimentally determined binding affinities were in good correlation.

On the inverse windowed Fourier transform

The inversion problem concerning the windowed Fourier transform is considered. It is shown that, out of the infinite solutions that the problem admits, the windowed Fourier transform is the "optimal" solution according to a maximum-entropy selection criterion.

The continuous wavelet transform as a maximum entropy solution of the corresponding inverse problem

The continuous wavelet transform is obtained as a maximumentropy solution of the corresponding inverse problem. It is well knownthat although a signal can be reconstructed from its wavelet transform,the expansion is not unique due to the redundancy of continuous wavelets.Hence, the inverse problem has no unique solution. If we want to recognizeone solution as "optimal", then an appropriate decision criterion hasto be adopted. We show here that the continuous wavelet transform is an"optimal" solution in a maximum entropy sense.

A non-extensive maximum entropy based regulations method for bad conditioned inverse problems

A regularization method based on the non-extensive maximum entropy principle is devised. Special emphasis is given to the q=1/2 case. We show that, when the residual principle is considered as constraint, the q=1/2 generalized distribution of Tsallis yields a regularized solution for bad-conditioned problems. The so devised regularized distribution is endowed with a component which corresponds to the well known regularized solution of Tikhonov (1977).

Frames: a maximum entropy statistical estimate of the inverse problem

A maximum entropy statistical treatment of an inverse problem concerning frame theory is presented. The problem arises from the fact that a frame is an overcomplete set of vectors that defines a mapping with no unique inverse. Although any vector in the concomitant space can be expressed as a linear combination of frame elements, the coefficients of the expansion are not unique. Frame theory guarantees the existence of a set of coefficients which is “optimal” in a minimum norm sense. We show here that these coefficients are also “optimal” from a maximum entropy viewpoint.

Methods for the analysis of two dimensional measurement data of paper web

This work is devoted to the problem of reconstructing the basis weight structure at paper web with black{box techniques. The data that is analyzed comes from a real paper machine and is collected by an o®-line scanner. The principal mathematical tool used in this work is Autoregressive Moving Average (ARMA) modelling. When coupled with the Discrete Fourier Transform (DFT), it gives a very flexible and interesting tool for analyzing properties of the paper web. Both ARMA and DFT are independently used to represent the given signal in a simplified version of our algorithm, but the final goal is to combine the two together. Ljung-Box Q-statistic lack-of-fit test combined with the Root Mean Squared Error coefficient gives a tool to separate significant signals from noise.

Use of anisotropic modelling in electrical impedance tomography: description of method and preliminary assessment of utility in imaging brain function in the adult human head.

Electrical Impedance Tomography (EIT) is an imaging method which enables a volume conductivity map of a subject to be produced from multiple impedance measurements. It has the potential to become a portable non-invasive imaging technique of particular use in imaging brain function. Accurate numerical forward models may be used to improve image reconstruction but, until now, have employed an assumption of isotropic tissue conductivity. This may be expected to introduce inaccuracy, as body tissues, especially those such as white matter and the skull in head imaging, are highly anisotropic. The purpose of this study was, for the first time, to develop a method for incorporating anisotropy in a forward numerical model for EIT of the head and assess the resulting improvement in image quality in the case of linear reconstruction of one example of the human head. A realistic Finite Element Model (FEM) of an adult human head with segments for the scalp, skull, CSF, and brain was produced from a structural MRI. Anisotropy of the brain was estimated from a diffusion tensor-MRI of the same subject and anisotropy of the skull was approximated from the structural information. A method for incorporation of anisotropy in the forward model and its use in image reconstruction was produced. The improvement in reconstructed image quality was assessed in computer simulation by producing forward data, and then linear reconstruction using a sensitivity matrix approach. The mean boundary data difference between anisotropic and isotropic forward models for a reference conductivity was 50%. Use of the correct anisotropic FEM in image reconstruction, as opposed to an isotropic one, corrected an error of 24 mm in imaging a 10% conductivity decrease located in the hippocampus, improved localisation for conductivity changes deep in the brain and due to epilepsy by 4-17 mm, and, overall, led to a substantial improvement on image quality. This suggests that incorporation of anisotropy in numerical models used for image reconstruction is likely to improve EIT image quality.

Modelling tourist itineraries in heritage cities: Routes around Old The District of Girona

Tourists do not follow random behavior in heritage cities, but they are consciously or unconsciously guided by socially constructed itineraries. This article studies the shaping of these itineraries in a heritage city (Girona), using the direct observation methodology during the visit (following the tourists from a prudent distance and gathering all the information about their visits) and the conventional questionnaire at the end of the visit. It also establishes which the sociodemographic, environmental and informative factors are that explain this behavior. The simultaneous use of the observation method and a questionnaire was found to be a useful technique for analyzing tourists' behavior and the factors that explain this behavior

Innovation Process Management and System Modelling

Työn tavoitteena oli perehtyä innovaatiojohtamisen ja järjestelmän soveltamiseen prosessiteollisuuden toimintaympäristöön. Kirjallisuuslähteitä apuna käyttäen perehdyttiin liiketoimintaympäristön innovaatiojohtamiselle asettamiin vaatimuksiin ja erilaisiin innovaatiojärjestelmiin. Olennaisena osana innovaatiojohtamiseen liittyy sidosryhmien tarpeiden ja niiden tarjoamien resurssien huomioiminen toiminnassa. Myöskin tuotekehityksen menetelmät ja työkalut ovat omalta osaltaan merkittävässä asemassa toiminnan tehokkuutta arvioitaessa. Innovaatiojärjestelmä tulee sopeuttaa yrityksen toimintoihin ja sen erityispiirteet huomioonottaen siten, että toiminnan johtaminen prosessina tuo yritykselle ja sen sidosryhmille lisäarvoa. Innovaatiojärjestelmän luominen yritykselle on ainayksilöllinen prosessi ja siihen ei ole olemassa yleispätevää menetelmää, joka voitaisiin ottaa käyttöön sellaisenaan. Yritys, jonka liiketoiminta keskittyy kuitupohjaisten pakkausmateriaalien valmistamiseen, joutuu täyttämään toiminnassaan materiaalintoimittajien, omien tuotantoprosessiensa ja asiakkaiden sekä jopa loppukäyttäjien uusille tuotteille luomat odotukset. Innovaatiojohtamista sävyttää toiminnan tulosten suuri epävarmuus ja sen vaativien aineellisten ja henkisten resurssien mittavuus. Innovaatiotoiminnan johtaminen prosessina, käyttäen hyväksi järjestelmämallia, tavoittelee systemaattista ja asetettujen kriteerien täyttämää lähestymistapaa tuotekehityksen ja uusien liiketoimintainnovaatioiden alueella. Kehitetyn mallin tulee palvella monimutkaista liiketoimintaympäristöä, jokatoisaalta perustuu tehokkaaseen massatuotantoon ja toisaalta pyrkii erilaistumaan palvelemalla sekä huomioimalla asiakkaidensa tuotteille asettamat vaatimukset.

Modelling of a Hydrogen Catalytic Recombiner for Nuclear Power Plant Containment Studies; Case: Siemens FR90/1-150 Recombiner in TONUS OD Code

Ydinvoimalaitokset on suunniteltu ja rakennettu niin, että niillä on kyky selviytyä erilaisista käyttöhäiriöistä ja onnettomuuksista ilman laitoksen vahingoittumista sekä väestön ja ympäristön vaarantumista. On erittäin epätodennäköistä, että ydinvoimalaitosonnettomuus etenee reaktorisydämen vaurioitumiseen asti, minkä seurauksena sydänmateriaalien hapettuminen voi tuottaa vetyä. Jäädytyspiirin rikkoutumisen myötä vety saattaa kulkeutua ydinvoimalaitoksen suojarakennukseen, jossa se voi muodostaa palavan seoksen ilman hapen kanssa ja palaa tai jopa räjähtää. Vetypalosta aiheutuvat lämpötila- ja painekuormitukset vaarantavat suojarakennuksen eheyden ja suojarakennuksen sisällä olevien turvajärjestelmien toimivuuden, joten tehokas ja luotettava vedynhallintajärjestelmä on tarpeellinen. Passiivisia autokatalyyttisiä vetyrekombinaattoreita käytetäänyhä useammissa Euroopan ydinvoimaitoksissa vedynhallintaan. Nämä rekombinaattorit poistavat vetyä katalyyttisellä reaktiolla vedyn reagoidessa katalyytin pinnalla hapen kanssa muodostaen vesihöyryä. Rekombinaattorit ovat täysin passiivisiaeivätkä tarvitse ulkoista energiaa tai operaattoritoimintaa käynnistyäkseen taitoimiakseen. Rekombinaattoreiden käyttäytymisen tutkimisellatähdätään niiden toimivuuden selvittämiseen kaikissa mahdollisissa onnettomuustilanteissa, niiden suunnittelun optimoimiseen sekä niiden optimaalisen lukumäärän ja sijainnin määrittämiseen suojarakennuksessa. Suojarakennuksen mallintamiseen käytetään joko keskiarvoistavia ohjelmia (Lumped parameter (LP) code), moniulotteisia virtausmalliohjelmia (Computational Fluid Dynamics, CFD) tai näiden yhdistelmiä. Rekombinaattoreiden mallintaminen on toteutettu näissä ohjelmissa joko kokeellisella, teoreettisella tai yleisellä (eng. Global Approach) mallilla. Tämä diplomityö sisältää tulokset TONUS OD-ohjelman sisältämän Siemens FR90/1-150 rekombinaattorin mallin vedynkulutuksen tarkistuslaskuista ja TONUS OD-ohjelmalla suoritettujen laskujen tulokset Siemens rekombinaattoreiden vuorovaikutuksista. TONUS on CEA:n (Commissariat à 1'En¬ergie Atomique) kehittämä LP (OD) ja CFD -vetyanalyysiohjelma, jota käytetään vedyn jakautumisen, palamisenja detonaation mallintamiseen. TONUS:sta käytetään myös vedynpoiston mallintamiseen passiivisilla autokatalyyttisillä rekombinaattoreilla. Vedynkulutukseen vaikuttavat tekijät eroteltiin ja tutkittiin yksi kerrallaan. Rekombinaattoreiden vuorovaikutuksia tutkittaessa samaan tilavuuteen sijoitettiin eri kokoisia ja eri lukumäärä rekombinaattoreita. Siemens rekombinaattorimalli TONUS OD-ohjelmassa laskee vedynkulutuksen kuten oletettiin ja tulokset vahvistavat TONUS OD-ohjelman fysikaalisen laskennan luotettavuuden. Mahdollisia paikallisia jakautumia tutkitussa tilavuudessa ei voitu havaita LP-ohjelmalla, koska se käyttäälaskennassa suureiden tilavuuskeskiarvoja. Paikallisten jakautumien tutkintaan tarvitaan CFD -laskentaohjelma.

Numerical Modelling of Combustion and Emission Formation in a Diesel Engine with Different Fuel Injection Characteristics

Päästöjen vähentäminen on ollut viime vuosina tärkeässä osassa polttomoottoreita kehitettäessä.Monet viralliset tahot asettavat uusia tiukempia päästörajoituksia. Päästörajatovat tyypillisesti olleet tiukimmat autoteollisuuden valmistamille pienille nopeakäyntisille diesel-moottoreille, mutta viime aikoina paineita on kohdistunut myös suurempiin keskinopeisiin ja hidaskäyntisiin diesel-moottoreihin. Päästörajat ovat erilaisia riippuen moottorin tyypistä, käytetystä polttoaineesta ja paikasta missä moottoria käytetään johtuen erilaisista paikallisista laeista ja asetuksista. Eniten huomiota diesel-moottorin päästöissä täytyy kohdistaa typen oksideihin, savun muodostukseen sekä partikkeleihin. Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) avulla on hyvät mahdollisuudet tutkia diesel-moottorin sylinterissä tapahtuvia ilmiöitä palamisen aikana. CFD on hyödyllinen työkalu arvioitaessa moottorin suorituskykyä ja päästöjen muodostumista. CFD:llä on mahdollista testata erilaisten parametrien ja geometrioiden vaikutusta ilman kalliita moottorinkoeajoja. CFD:tä voidaan käyttää myös opetustarkoituksessa lisäämään paloprosessin tuntemusta. Tulevaisuudessa palamissimuloinnit CFD:llä tulevat epäilemättä olemaan tärkeä osa moottorin kehityksessä. Tässä diplomityössä on tehty palamissimuloinnit kahteen erilaisilla poittoaineenruiskutuslaitteistoilla varustettuun Wärtsilän keskinopeaan diesel-moottoriin. W46 moottorin ruiskutuslaitteisto on perinteinen mekaanisesti ohjattu pumppusuutin ja W46-CR moottorissa on elektronisesti ohjattu 'common rail' ruiskutuslaitteisto. Näiden moottorien ja käytössä olevien ruiskutusprofiilien lisäksi on simuloinneilla testattu erilaisia uusia ruiskutusprofiileja, jotta erityyppisten profiilien hyvät ja huonot ominaisuudet tulisivat selville. Matalalla kuormalla kiinnostuksen kohteena on nokipäästöjen muodostus ja täydellä kuormalla NOx-päästöjen muodostus ja polttoaineen kulutus. Simulointien tulokset osoittivat, että noen muodostusta matalalla kuormalla voidaan selvästi vähentää monivaiheisella ruiskutuksella, jossa yksi ruiskutusjakso jaetaan kahteen tai useampaan jaksoon. Erityisen tehokas noen vähentämisessä vaikuttaa olevan ns. jälkiruiskutus (post injection). Matalat NOx-päästöt ja hyvä polttoaineen kulutus täydellä kuormalla on mahdollista saavuttaaasteittain nostettavalla ruiskutusnopeudella.