Conceptual design of wastewater treatment plants using multiple objectives

La implementació de la Directiva Europea 91/271/CEE referent a tractament d'aigües residuals urbanes va promoure la construcció de noves instal·lacions al mateix temps que la introducció de noves tecnologies per tractar nutrients en àrees designades com a sensibles. Tant el disseny d'aquestes noves infraestructures com el redisseny de les ja existents es va portar a terme a partir d'aproximacions basades fonamentalment en objectius econòmics degut a la necessitat d'acabar les obres en un període de temps relativament curt. Aquests estudis estaven basats en coneixement heurístic o correlacions numèriques provinents de models determinístics simplificats. Així doncs, moltes de les estacions depuradores d'aigües residuals (EDARs) resultants van estar caracteritzades per una manca de robustesa i flexibilitat, poca controlabilitat, amb freqüents problemes microbiològics de separació de sòlids en el decantador secundari, elevats costos d'operació i eliminació parcial de nutrients allunyant-les de l'òptim de funcionament. Molts d'aquestes problemes van sorgir degut a un disseny inadequat, de manera que la comunitat científica es va adonar de la importància de les etapes inicials de disseny conceptual. Precisament per aquesta raó, els mètodes tradicionals de disseny han d'evolucionar cap a sistemes d'avaluació mes complexos, que tinguin en compte múltiples objectius, assegurant així un millor funcionament de la planta. Tot i la importància del disseny conceptual tenint en compte múltiples objectius, encara hi ha un buit important en la literatura científica tractant aquest camp d'investigació. L'objectiu que persegueix aquesta tesi és el de desenvolupar un mètode de disseny conceptual d'EDARs considerant múltiples objectius, de manera que serveixi d'eina de suport a la presa de decisions al seleccionar la millor alternativa entre diferents opcions de disseny. Aquest treball de recerca contribueix amb un mètode de disseny modular i evolutiu que combina diferent tècniques com: el procés de decisió jeràrquic, anàlisi multicriteri, optimació preliminar multiobjectiu basada en anàlisi de sensibilitat, tècniques d'extracció de coneixement i mineria de dades, anàlisi multivariant i anàlisi d'incertesa a partir de simulacions de Monte Carlo. Això s'ha aconseguit subdividint el mètode de disseny desenvolupat en aquesta tesis en quatre blocs principals: (1) generació jeràrquica i anàlisi multicriteri d'alternatives, (2) anàlisi de decisions crítiques, (3) anàlisi multivariant i (4) anàlisi d'incertesa. El primer dels blocs combina un procés de decisió jeràrquic amb anàlisi multicriteri. El procés de decisió jeràrquic subdivideix el disseny conceptual en una sèrie de qüestions mes fàcilment analitzables i avaluables mentre que l'anàlisi multicriteri permet la consideració de diferent objectius al mateix temps. D'aquesta manera es redueix el nombre d'alternatives a avaluar i fa que el futur disseny i operació de la planta estigui influenciat per aspectes ambientals, econòmics, tècnics i legals. Finalment aquest bloc inclou una anàlisi de sensibilitat dels pesos que proporciona informació de com varien les diferents alternatives al mateix temps que canvia la importància relativa del objectius de disseny. El segon bloc engloba tècniques d'anàlisi de sensibilitat, optimització preliminar multiobjectiu i extracció de coneixement per donar suport al disseny conceptual d'EDAR, seleccionant la millor alternativa un cop s'han identificat decisions crítiques. Les decisions crítiques són aquelles en les que s'ha de seleccionar entre alternatives que compleixen de forma similar els objectius de disseny però amb diferents implicacions pel que respecte a la futura estructura i operació de la planta. Aquest tipus d'anàlisi proporciona una visió més àmplia de l'espai de disseny i permet identificar direccions desitjables (o indesitjables) cap on el procés de disseny pot derivar. El tercer bloc de la tesi proporciona l'anàlisi multivariant de les matrius multicriteri obtingudes durant l'avaluació de les alternatives de disseny. Específicament, les tècniques utilitzades en aquest treball de recerca engloben: 1) anàlisi de conglomerats, 2) anàlisi de components principals/anàlisi factorial i 3) anàlisi discriminant. Com a resultat és possible un millor accés a les dades per realitzar la selecció de les alternatives, proporcionant més informació per a una avaluació mes efectiva, i finalment incrementant el coneixement del procés d'avaluació de les alternatives de disseny generades. En el quart i últim bloc desenvolupat en aquesta tesi, les diferents alternatives de disseny són avaluades amb incertesa. L'objectiu d'aquest bloc és el d'estudiar el canvi en la presa de decisions quan una alternativa és avaluada incloent o no incertesa en els paràmetres dels models que descriuen el seu comportament. La incertesa en el paràmetres del model s'introdueix a partir de funcions de probabilitat. Desprès es porten a terme simulacions Monte Carlo, on d'aquestes distribucions se n'extrauen números aleatoris que es subsisteixen pels paràmetres del model i permeten estudiar com la incertesa es propaga a través del model. Així és possible analitzar la variació en l'acompliment global dels objectius de disseny per a cada una de les alternatives, quines són les contribucions en aquesta variació que hi tenen els aspectes ambientals, legals, econòmics i tècnics, i finalment el canvi en la selecció d'alternatives quan hi ha una variació de la importància relativa dels objectius de disseny. En comparació amb les aproximacions tradicionals de disseny, el mètode desenvolupat en aquesta tesi adreça problemes de disseny/redisseny tenint en compte múltiples objectius i múltiples criteris. Al mateix temps, el procés de presa de decisions mostra de forma objectiva, transparent i sistemàtica el perquè una alternativa és seleccionada en front de les altres, proporcionant l'opció que més bé acompleix els objectius marcats, mostrant els punts forts i febles, les principals correlacions entre objectius i alternatives, i finalment tenint en compte la possible incertesa inherent en els paràmetres del model que es fan servir durant les anàlisis. Les possibilitats del mètode desenvolupat es demostren en aquesta tesi a partir de diferents casos d'estudi: selecció del tipus d'eliminació biològica de nitrogen (cas d'estudi # 1), optimització d'una estratègia de control (cas d'estudi # 2), redisseny d'una planta per aconseguir eliminació simultània de carboni, nitrogen i fòsfor (cas d'estudi # 3) i finalment anàlisi d'estratègies control a nivell de planta (casos d'estudi # 4 i # 5).

A proposal to estimate the motion of an underwater vehicle through visual mosaicking

This thesis proposes a solution to the problem of estimating the motion of an Unmanned Underwater Vehicle (UUV). Our approach is based on the integration of the incremental measurements which are provided by a vision system. When the vehicle is close to the underwater terrain, it constructs a visual map (so called "mosaic") of the area where the mission takes place while, at the same time, it localizes itself on this map, following the Concurrent Mapping and Localization strategy. The proposed methodology to achieve this goal is based on a feature-based mosaicking algorithm. A down-looking camera is attached to the underwater vehicle. As the vehicle moves, a sequence of images of the sea-floor is acquired by the camera. For every image of the sequence, a set of characteristic features is detected by means of a corner detector. Then, their correspondences are found in the next image of the sequence. Solving the correspondence problem in an accurate and reliable way is a difficult task in computer vision. We consider different alternatives to solve this problem by introducing a detailed analysis of the textural characteristics of the image. This is done in two phases: first comparing different texture operators individually, and next selecting those that best characterize the point/matching pair and using them together to obtain a more robust characterization. Various alternatives are also studied to merge the information provided by the individual texture operators. Finally, the best approach in terms of robustness and efficiency is proposed. After the correspondences have been solved, for every pair of consecutive images we obtain a list of image features in the first image and their matchings in the next frame. Our aim is now to recover the apparent motion of the camera from these features. Although an accurate texture analysis is devoted to the matching pro-cedure, some false matches (known as outliers) could still appear among the right correspon-dences. For this reason, a robust estimation technique is used to estimate the planar transformation (homography) which explains the dominant motion of the image. Next, this homography is used to warp the processed image to the common mosaic frame, constructing a composite image formed by every frame of the sequence. With the aim of estimating the position of the vehicle as the mosaic is being constructed, the 3D motion of the vehicle can be computed from the measurements obtained by a sonar altimeter and the incremental motion computed from the homography. Unfortunately, as the mosaic increases in size, image local alignment errors increase the inaccuracies associated to the position of the vehicle. Occasionally, the trajectory described by the vehicle may cross over itself. In this situation new information is available, and the system can readjust the position estimates. Our proposal consists not only in localizing the vehicle, but also in readjusting the trajectory described by the vehicle when crossover information is obtained. This is achieved by implementing an Augmented State Kalman Filter (ASKF). Kalman filtering appears as an adequate framework to deal with position estimates and their associated covariances. Finally, some experimental results are shown. A laboratory setup has been used to analyze and evaluate the accuracy of the mosaicking system. This setup enables a quantitative measurement of the accumulated errors of the mosaics created in the lab. Then, the results obtained from real sea trials using the URIS underwater vehicle are shown.

Dynamic management and restoration of virtual paths in broadband networks based on distributed software agents

La gestió de xarxes és un camp molt ampli i inclou molts aspectes diferents. Aquesta tesi doctoral està centrada en la gestió dels recursos en les xarxes de banda ampla que disposin de mecanismes per fer reserves de recursos, com per exemple Asynchronous Transfer Mode (ATM) o Multi-Protocol Label Switching (MPLS). Es poden establir xarxes lògiques utilitzant els Virtual Paths (VP) d'ATM o els Label Switched Paths (LSP) de MPLS, als que anomenem genèricament camins lògics. Els usuaris de la xarxa utilitzen doncs aquests camins lògics, que poden tenir recursos assignats, per establir les seves comunicacions. A més, els camins lògics són molt flexibles i les seves característiques es poden canviar dinàmicament. Aquest treball, se centra, en particular, en la gestió dinàmica d'aquesta xarxa lògica per tal de maximitzar-ne el rendiment i adaptar-la a les connexions ofertes. En aquest escenari, hi ha diversos mecanismes que poden afectar i modificar les característiques dels camins lògics (ample de banda, ruta, etc.). Aquests mecanismes inclouen els de balanceig de la càrrega (reassignació d'ample de banda i reencaminament) i els de restauració de fallades (ús de camins lògics de backup). Aquests dos mecanismes poden modificar la xarxa lògica i gestionar els recursos (ample de banda) dels enllaços físics. Per tant, existeix la necessitat de coordinar aquests mecanismes per evitar possibles interferències. La gestió de recursos convencional que fa ús de la xarxa lògica, recalcula periòdicament (per exemple cada hora o cada dia) tota la xarxa lògica d'una forma centralitzada. Això introdueix el problema que els reajustaments de la xarxa lògica no es realitzen en el moment en què realment hi ha problemes. D'altra banda també introdueix la necessitat de mantenir una visió centralitzada de tota la xarxa. En aquesta tesi, es proposa una arquitectura distribuïda basada en un sistema multi agent. L'objectiu principal d'aquesta arquitectura és realitzar de forma conjunta i coordinada la gestió de recursos a nivell de xarxa lògica, integrant els mecanismes de reajustament d'ample de banda amb els mecanismes de restauració preplanejada, inclosa la gestió de l'ample de banda reservada per a la restauració. Es proposa que aquesta gestió es porti a terme d'una forma contínua, no periòdica, actuant quan es detecta el problema (quan un camí lògic està congestionat, o sigui, quan està rebutjant peticions de connexió dels usuaris perquè està saturat) i d'una forma completament distribuïda, o sigui, sense mantenir una visió global de la xarxa. Així doncs, l'arquitectura proposada realitza petits rearranjaments a la xarxa lògica adaptant-la d'una forma contínua a la demanda dels usuaris. L'arquitectura proposada també té en consideració altres objectius com l'escalabilitat, la modularitat, la robustesa, la flexibilitat i la simplicitat. El sistema multi agent proposat està estructurat en dues capes d'agents: els agents de monitorització (M) i els de rendiment (P). Aquests agents estan situats en els diferents nodes de la xarxa: hi ha un agent P i diversos agents M a cada node; aquests últims subordinats als P. Per tant l'arquitectura proposada es pot veure com una jerarquia d'agents. Cada agent és responsable de monitoritzar i controlar els recursos als que està assignat. S'han realitzat diferents experiments utilitzant un simulador distribuït a nivell de connexió proposat per nosaltres mateixos. Els resultats mostren que l'arquitectura proposada és capaç de realitzar les tasques assignades de detecció de la congestió, reassignació dinàmica d'ample de banda i reencaminament d'una forma coordinada amb els mecanismes de restauració preplanejada i gestió de l'ample de banda reservat per la restauració. L'arquitectura distribuïda ofereix una escalabilitat i robustesa acceptables gràcies a la seva flexibilitat i modularitat.

Image segmentation integrating colour, texture and boundary information

La tesis se centra en la Visión por Computador y, más concretamente, en la segmentación de imágenes, la cual es una de las etapas básicas en el análisis de imágenes y consiste en la división de la imagen en un conjunto de regiones visualmente distintas y uniformes considerando su intensidad, color o textura. Se propone una estrategia basada en el uso complementario de la información de región y de frontera durante el proceso de segmentación, integración que permite paliar algunos de los problemas básicos de la segmentación tradicional. La información de frontera permite inicialmente identificar el número de regiones presentes en la imagen y colocar en el interior de cada una de ellas una semilla, con el objetivo de modelar estadísticamente las características de las regiones y definir de esta forma la información de región. Esta información, conjuntamente con la información de frontera, es utilizada en la definición de una función de energía que expresa las propiedades requeridas a la segmentación deseada: uniformidad en el interior de las regiones y contraste con las regiones vecinas en los límites. Un conjunto de regiones activas inician entonces su crecimiento, compitiendo por los píxeles de la imagen, con el objetivo de optimizar la función de energía o, en otras palabras, encontrar la segmentación que mejor se adecua a los requerimientos exprsados en dicha función. Finalmente, todo esta proceso ha sido considerado en una estructura piramidal, lo que nos permite refinar progresivamente el resultado de la segmentación y mejorar su coste computacional. La estrategia ha sido extendida al problema de segmentación de texturas, lo que implica algunas consideraciones básicas como el modelaje de las regiones a partir de un conjunto de características de textura y la extracción de la información de frontera cuando la textura es presente en la imagen. Finalmente, se ha llevado a cabo la extensión a la segmentación de imágenes teniendo en cuenta las propiedades de color y textura. En este sentido, el uso conjunto de técnicas no-paramétricas de estimación de la función de densidad para la descripción del color, y de características textuales basadas en la matriz de co-ocurrencia, ha sido propuesto para modelar adecuadamente y de forma completa las regiones de la imagen. La propuesta ha sido evaluada de forma objetiva y comparada con distintas técnicas de integración utilizando imágenes sintéticas. Además, se han incluido experimentos con imágenes reales con resultados muy positivos.

The impact of targeted observations made during the Greenland Flow Distortion Experiment

The impact of targeted sonde observations on the 1-3 day forecasts for northern Europe is evaluated using the Met Office four-dimensional variational data assimilation scheme and a 24 km gridlength limited-area version of the Unified Model (MetUM). The targeted observations were carried out during February and March 2007 as part of the Greenland Flow Distortion Experiment, using a research aircraft based in Iceland. Sensitive area predictions using either total energy singular vectors or an ensemble transform Kalman filter were used to predict where additional observations should be made to reduce errors in the initial conditions of forecasts for northern Europe. Targeted sonde data was assimilated operationally into the MetUM. Hindcasts show that the impact of the sondes was mixed. Only two out of the five cases showed clear forecast improvement; the maximum forecast improvement seen over the verifying region was approximately 5% of the forecast error 24 hours into the forecast. These two cases are presented in more detail: in the first the improvement propagates into the verification region with a developing polar low; and in the second the improvement is associated with an upper-level trough. The impact of cycling targeted data in the background of the forecast (including the memory of previous targeted observations) is investigated. This is shown to cause a greater forecast impact, but does not necessarily lead to a greater forecast improvement. Finally, the robustness of the results is assessed using a small ensemble of forecasts.

Development and illustrative outputs of the Community Integrated Assessment System (CIAS), a multi-institutional modular integrated assessment approach for modelling climate change.

This paper describes the development and first results of the “Community Integrated Assessment System” (CIAS), a unique multi-institutional modular and flexible integrated assessment system for modelling climate change. Key to this development is the supporting software infrastructure, SoftIAM. Through it, CIAS is distributed between the community of institutions which has each contributed modules to the CIAS system. At the heart of SoftIAM is the Bespoke Framework Generator (BFG) which enables flexibility in the assembly and composition of individual modules from a pool to form coupled models within CIAS, and flexibility in their deployment onto the available software and hardware resources. Such flexibility greatly enhances modellers’ ability to re-configure the CIAS coupled models to answer different questions, thus tracking evolving policy needs. It also allows rigorous testing of the robustness of IA modelling results to the use of different component modules representing the same processes (for example, the economy). Such processes are often modelled in very different ways, using different paradigms, at the participating institutions. An illustrative application to the study of the relationship between the economy and the earth’s climate system is provided.

Deeper model endgame analysis

A reference model of Fallible Endgame Play has been implemented and exercised with the chess-engine WILHELM. Past experiments have demonstrated the value of the model and the robustness of decisions based on it: experiments agree well with a Markov Model theory. Here, the reference model is exercised on the well-known endgame KBBKN.

Model endgame analysis

A reference model of Fallible Endgame Play has been implemented and exercised with the chess engine WILHELM. Various experiments have demonstrated the value of the model and the robustness of decisions based on it. Experimental results have also been compared with the theoretical predictions of a Markov model of the endgame and found to be in close agreement.

DTM generation from LIDAR data using skewness balancing

LIght Detection And Ranging (LIDAR) data for terrain and land surveying has contributed to many environmental, engineering and civil applications. However, the analysis of Digital Surface Models (DSMs) from complex LIDAR data is still challenging. Commonly, the first task to investigate LIDAR data point clouds is to separate ground and object points as a preparatory step for further object classification. In this paper, the authors present a novel unsupervised segmentation algorithm-skewness balancing to separate object and ground points efficiently from high resolution LIDAR point clouds by exploiting statistical moments. The results presented in this paper have shown its robustness and its potential for commercial applications.

Observational constraints on past attributable warming and predictions of future global warming

This paper investigates the impact of aerosol forcing uncertainty on the robustness of estimates of the twentieth-century warming attributable to anthropogenic greenhouse gas emissions. Attribution analyses on three coupled climate models with very different sensitivities and aerosol forcing are carried out. The Third Hadley Centre Coupled Ocean - Atmosphere GCM (HadCM3), Parallel Climate Model (PCM), and GFDL R30 models all provide good simulations of twentieth-century global mean temperature changes when they include both anthropogenic and natural forcings. Such good agreement could result from a fortuitous cancellation of errors, for example, by balancing too much ( or too little) greenhouse warming by too much ( or too little) aerosol cooling. Despite a very large uncertainty for estimates of the possible range of sulfate aerosol forcing obtained from measurement campaigns, results show that the spatial and temporal nature of observed twentieth-century temperature change constrains the component of past warming attributable to anthropogenic greenhouse gases to be significantly greater ( at the 5% level) than the observed warming over the twentieth century. The cooling effects of aerosols are detected in all three models. Both spatial and temporal aspects of observed temperature change are responsible for constraining the relative roles of greenhouse warming and sulfate cooling over the twentieth century. This is because there are distinctive temporal structures in differential warming rates between the hemispheres, between land and ocean, and between mid- and low latitudes. As a result, consistent estimates of warming attributable to greenhouse gas emissions are obtained from all three models, and predictions are relatively robust to the use of more or less sensitive models. The transient climate response following a 1% yr(-1) increase in CO2 is estimated to lie between 2.2 and 4 K century(-1) (5-95 percentiles).

Investigating the causes of the response of the thermohaline circulation to past and future climate changes

The Atlantic thermohaline circulation (THC) is an important part of the earth's climate system. Previous research has shown large uncertainties in simulating future changes in this critical system. The simulated THC response to idealized freshwater perturbations and the associated climate changes have been intercompared as an activity of World Climate Research Program (WCRP) Coupled Model Intercomparison Project/Paleo-Modeling Intercomparison Project (CMIP/PMIP) committees. This intercomparison among models ranging from the earth system models of intermediate complexity (EMICs) to the fully coupled atmosphere-ocean general circulation models (AOGCMs) seeks to document and improve understanding of the causes of the wide variations in the modeled THC response. The robustness of particular simulation features has been evaluated across the model results. In response to 0.1-Sv (1 Sv equivalent to 10(6) ms(3) s(-1)) freshwater input in the northern North Atlantic, the multimodel ensemble mean THC weakens by 30% after 100 yr. All models simulate sonic weakening of the THC, but no model simulates a complete shutdown of the THC. The multimodel ensemble indicates that the surface air temperature could present a complex anomaly pattern with cooling south of Greenland and warming over the Barents and Nordic Seas. The Atlantic ITCZ tends to shift southward. In response to 1.0-Sv freshwater input, the THC switches off rapidly in all model simulations. A large cooling occurs over the North Atlantic. The annual mean Atlantic ITCZ moves into the Southern Hemisphere. Models disagree in terms of the reversibility of the THC after its shutdown. In general, the EMICs and AOGCMs obtain similar THC responses and climate changes with more pronounced and sharper patterns in the AOGCMs.

Interannual to decadal climate predictability in the North Atlantic: A multimodel-ensemble study

Ensemble experiments are performed with five coupled atmosphere-ocean models to investigate the potential for initial-value climate forecasts on interannual to decadal time scales. Experiments are started from similar model-generated initial states, and common diagnostics of predictability are used. We find that variations in the ocean meridional overturning circulation (MOC) are potentially predictable on interannual to decadal time scales, a more consistent picture of the surface temperature impact of decadal variations in the MOC is now apparent, and variations of surface air temperatures in the North Atlantic Ocean are also potentially predictable on interannual to decadal time scales. albeit with potential skill levels that are less than those seen for MOC variations. This intercomparison represents a step forward in assessing the robustness of model estimates of potential skill and is a prerequisite for the development of any operational forecasting system.

Alternatives to cyanide in the gold mining industry: what prospects for the future

This paper reviews a series of alternative lixiviant systems for the recovery of gold from ores and concentrates. For over 100 years, cyanide has been the leach reagent of choice in gold mining because of its high gold recoveries, robustness and relatively low costs. The environmental damages resulting from its mismanagement, however, have initiated widespread research aimed at identifying and developing less toxic leaching agents. The most widely-researched alternative lixiviants for gold ores are examined in this paper, but it is evident that none has yet made any significant inroad into the dominant position of cyanide as the reagent of choice at the vast majority of gold mines worldwide. (c) 2005 Published by Elsevier Ltd.

Senescence rates are determined by ranking on the fast-slow life-history continuum

Comparative analyses of survival senescence by using life tables have identified generalizations including the observation that mammals senesce faster than similar-sized birds. These generalizations have been challenged because of limitations of life-table approaches and the growing appreciation that senescence is more than an increasing probability of death. Without using life tables, we examine senescence rates in annual individual fitness using 20 individual-based data sets of terrestrial vertebrates with contrasting life histories and body size. We find that senescence is widespread in the wild and equally likely to occur in survival and reproduction. Additionally, mammals senesce faster than birds because they have a faster life history for a given body size. By allowing us to disentangle the effects of two major fitness components our methods allow an assessment of the robustness of the prevalent life-table approach. Focusing on one aspect of life history - survival or recruitment - can provide reliable information on overall senescence.

Evaluating the role of environmental quality in the sustainable rural economic development of England

The issue of the sustainable development of rural economies in England has recently received considerable attention. This is because many of the poorest areas in the country are rural, often of high environmental quality, but suffering from high unemployment and a lack of services and facilities. The rapid decline in agricultural incomes and in-migration of affluent urban workers since 1990 has exacerbated economic inequality in such areas. A number of factors have the potential to drive rural development and this paper applies, and considers, the feasibility of a method from the USA for combining economic and environmental variables in a regional growth model to examine the hypothesis that environmental quality is an important determinant of sustainable rural development in England. The model output suggests that, although environmental quality does play a role in sustainable rural development in England there are other, more important, factors driving development. These include business and communications infra-structure, the degree and opportunities for commuting and underlying employment prospects. The robustness and limitations of the method for combining economic and environmental variables is discussed in relation to the spatial interrelatedness of Local Authority Districts in England, and conclusions are drawn about areas for refinement and improvement of the method.