Simulations of glacial/interglacial cycles with simple box-models. The ocean CO2 source during deglaciations

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Engineering knowledge-based variance-reduction simulation and G-dominance for structural frame robust optimization

[EN] This paper proposes the incorporation of engineering knowledge through both (a) advanced state-of-the-art preference handling decision-making tools integrated in multiobjective evolutionary algorithms and (b) engineering knowledge-based variance reduction simulation as enhancing tools for the robust optimum design of structural frames taking uncertainties into consideration in the design variables.The simultaneous minimization of the constrained weight (adding structuralweight and average distribution of constraint violations) on the one hand and the standard deviation of the distribution of constraint violation on the other are handled with multiobjective optimization-based evolutionary computation in two different multiobjective algorithms. The optimum design values of the deterministic structural problem in question are proposed as a reference point (the aspiration level) in reference-point-based evolutionary multiobjective algorithms (here g-dominance is used). Results including

Caratterizzazione dinamica sperimentale del rinforzo di pavimentazioni stradali con geogriglie tramite box test

Nella presente tesi viene affrontato il comportamento di materiali granulari sotto carico dinamico. In particolare, viene presentata la sperimentazione di laboratorio seguita presso il Nottingham Transportation Engineering Centre dell'Università di Nottingham, la costruzione del box test e le prove dinamiche eseguite sul materiale granulare rinforzato e non.

A generalization of the Moore-Penrose inverse related to matrix subspaces of C(nxm)

[EN]A natural generalization of the classical Moore-Penrose inverse is presented. The so-called S-Moore-Penrose inverse of a m x n complex matrix A, denoted by As, is defined for any linear subspace S of the matrix vector space Cnxm. The S-Moore-Penrose inverse As is characterized using either the singular value decomposition or (for the nonsingular square case) the orthogonal complements with respect to the Frobenius inner product. These results are applied to the preconditioning of linear systems based on Frobenius norm minimization and to the linearly constrained linear least squares problem.

Improving approximate inverses based on Frobenius norm minimization

[EN]Approximate inverses, based on Frobenius norm minimization, of real nonsingular matrices are analyzed from a purely theoretical point of view. In this context, this paper provides several sufficient conditions, that assure us the possibility of improving (in the sense of the Frobenius norm) some given approximate inverses. Moreover, the optimal approximate inverses of matrix A ∈ R n×n , among all matrices belonging to certain subspaces of R n×n , are obtained. Particularly, a natural generalization of the classical normal equations of the system Ax = b is given, when searching for approximate inverses N 6= AT such that AN is symmetric and kAN − IkF < AAT − I F …

Background minimization issues for next generation hard X-ray focusing telescopes

The hard X-ray band (10 - 100 keV) has been only observed so far by collimated and coded aperture mask instruments, with a sensitivity and an angular resolution lower than two orders of magnitude as respects the current X-ray focusing telescopes operating below 10 - 15 keV. The technological advance in X-ray mirrors and detection systems is now able to extend the X-ray focusing technique to the hard X-ray domain, filling the gap in terms of observational performances and providing a totally new deep view on some of the most energetic phenomena of the Universe. In order to reach a sensitivity of 1 muCrab in the 10 - 40 keV energy range, a great care in the background minimization is required, a common issue for all the hard X-ray focusing telescopes. In the present PhD thesis, a comprehensive analysis of the space radiation environment, the payload design and the resulting prompt X-ray background level is presented, with the aim of driving the feasibility study of the shielding system and assessing the scientific requirements of the future hard X-ray missions. A Geant4 based multi-mission background simulator, BoGEMMS, is developed to be applied to any high energy mission for which the shielding and instruments performances are required. It allows to interactively create a virtual model of the telescope and expose it to the space radiation environment, tracking the particles along their path and filtering the simulated background counts as a real observation in space. Its flexibility is exploited to evaluate the background spectra of the Simbol-X and NHXM mission, as well as the soft proton scattering by the X-ray optics and the selection of the best shielding configuration. Altough the Simbol-X and NHXM missions are the case studies of the background analysis, the obtained results can be generalized to any future hard X-ray telescope. For this reason, a simplified, ideal payload model is also used to select the major sources of background in LEO. All the results are original contributions to the assessment studies of the cited missions, as part of the background groups activities.

A Phase Space Box-counting based Method for Arrhythmia Prediction from Electrocardiogram Time Series

Arrhythmia is one kind of cardiovascular diseases that give rise to the number of deaths and potentially yields immedicable danger. Arrhythmia is a life threatening condition originating from disorganized propagation of electrical signals in heart resulting in desynchronization among different chambers of the heart. Fundamentally, the synchronization process means that the phase relationship of electrical activities between the chambers remains coherent, maintaining a constant phase difference over time. If desynchronization occurs due to arrhythmia, the coherent phase relationship breaks down resulting in chaotic rhythm affecting the regular pumping mechanism of heart. This phenomenon was explored by using the phase space reconstruction technique which is a standard analysis technique of time series data generated from nonlinear dynamical system. In this project a novel index is presented for predicting the onset of ventricular arrhythmias. Analysis of continuously captured long-term ECG data recordings was conducted up to the onset of arrhythmia by the phase space reconstruction method, obtaining 2-dimensional images, analysed by the box counting method. The method was tested using the ECG data set of three different kinds including normal (NR), Ventricular Tachycardia (VT), Ventricular Fibrillation (VF), extracted from the Physionet ECG database. Statistical measures like mean (μ), standard deviation (σ) and coefficient of variation (σ/μ) for the box-counting in phase space diagrams are derived for a sliding window of 10 beats of ECG signal. From the results of these statistical analyses, a threshold was derived as an upper bound of Coefficient of Variation (CV) for box-counting of ECG phase portraits which is capable of reliably predicting the impeding arrhythmia long before its actual occurrence. As future work of research, it was planned to validate this prediction tool over a wider population of patients affected by different kind of arrhythmia, like atrial fibrillation, bundle and brunch block, and set different thresholds for them, in order to confirm its clinical applicability.

Analysis of optimal control problems for the incompressible MHD equations and implementation in a finite element multiphysics code

This thesis deals with the study of optimal control problems for the incompressible Magnetohydrodynamics (MHD) equations. Particular attention to these problems arises from several applications in science and engineering, such as fission nuclear reactors with liquid metal coolant and aluminum casting in metallurgy. In such applications it is of great interest to achieve the control on the fluid state variables through the action of the magnetic Lorentz force. In this thesis we investigate a class of boundary optimal control problems, in which the flow is controlled through the boundary conditions of the magnetic field. Due to their complexity, these problems present various challenges in the definition of an adequate solution approach, both from a theoretical and from a computational point of view. In this thesis we propose a new boundary control approach, based on lifting functions of the boundary conditions, which yields both theoretical and numerical advantages. With the introduction of lifting functions, boundary control problems can be formulated as extended distributed problems. We consider a systematic mathematical formulation of these problems in terms of the minimization of a cost functional constrained by the MHD equations. The existence of a solution to the flow equations and to the optimal control problem are shown. The Lagrange multiplier technique is used to derive an optimality system from which candidate solutions for the control problem can be obtained. In order to achieve the numerical solution of this system, a finite element approximation is considered for the discretization together with an appropriate gradient-type algorithm. A finite element object-oriented library has been developed to obtain a parallel and multigrid computational implementation of the optimality system based on a multiphysics approach. Numerical results of two- and three-dimensional computations show that a possible minimum for the control problem can be computed in a robust and accurate manner.

Cis- und trans-Regulation bei Drosophila-T-Box-Genen

Die räumliche und zeitliche Organisation von Genexpression ist für die Entwicklung und das Funktionieren eines jeden Lebewesens von immenser Bedeutung. Dazu laufen eine Vielzahl von Regulationsprozessen auf unterschiedlichen Ebenen ab. In dieser Arbeit wurden im ersten Teil Untersuchungen zur Genregulation des Drosophila optomotor-blind Genes und zur Funktion des Omb Proteins durchgeführt. Eine Mutante, der ein großer Teil der upstream regulatory region (URR) fehlt wurde erzeugt, aus einer Vielzahl von Linien isoliert und molekular charakterisiert. Die biologischen Auswirkungen dieser Deletion werden in Shen et al. (2008) beschrieben. Plasmide zur Erzeugung transgener Fliegen, mit deren Hilfe eine bereits von Sivasankaran et al. (2000) durchgeführte Enhancer-reporter-Analyse vervollständigt werden sollte, wurden hergestellt. Die bereits bekannte Inversion In(1)ombH31 wurde molekular kartiert. Eine Reihe von Konstrukten mit Punktmutationen in der Omb T-Domäne wurden generiert, die unter anderem über deren Funktion hinsichtlich DNA-Protein Interaktion und einer potentiellen Metallionenbindefähigkeit (ATCUN) hin Aufschluss geben sollen. Des Weiteren wurde eine Reihe von P-Element-Deletionslinien auf den Verlust eines alternativen omb Transkriptionsstartpunktes hin untersucht, mit dem Ziel eine vollständige Protein-Nullmutante zur Verfügung zu haben. Der zweite Abschnitt dieser Arbeit befasste sich mit der Erzeugung von Dpp-GFP-Fusionskonstrukten, mit deren Hilfe weitere Erkenntnisse über den Dpp-Langstreckentransport erhofft werden. Es wurde außerdem damit begonnen bei einem weitern Drosophila T-Box Transkriptionsfaktor, Optomotor-blind related gene-1 (Org-1), eine Reihe von Varianten mit homopolymeren polyAlanin und polyGlutamin Expansionen unterschiedlicher Länge herzustellen. Durch Experimente mit diesen Konstrukten soll Aufschluss darüber gewonnen werden, ob Glutamin-Expansionen, wie in der Literatur vorgeschlagen, aktivierend und Alanin-Expansionen in Transkriptionsfaktoren vielleicht reprimierend auf Genaktivität wirken. Letztlich wurden in dieser Arbeit im Rahmen des DROSDEL Projektes (Ryder et al., 2004, 2007) Deletionen in der distalen Hälfte des Chromosomenarms 3R hergestellt. Der DROSDEL Deletionskit, der durch eine Kooperation europäischer Labore entstand stellt der Drosophila Forschung einen umfassenden Satz molekular basengenau definierter Defizienzen zur Verfügung.

Nonlinear constrained and saturated control of power electronics and electromechanical systems

Power electronic converters are extensively adopted for the solution of timely issues, such as power quality improvement in industrial plants, energy management in hybrid electrical systems, and control of electrical generators for renewables. Beside nonlinearity, this systems are typically characterized by hard constraints on the control inputs, and sometimes the state variables. In this respect, control laws able to handle input saturation are crucial to formally characterize the systems stability and performance properties. From a practical viewpoint, a proper saturation management allows to extend the systems transient and steady-state operating ranges, improving their reliability and availability. The main topic of this thesis concern saturated control methodologies, based on modern approaches, applied to power electronics and electromechanical systems. The pursued objective is to provide formal results under any saturation scenario, overcoming the drawbacks of the classic solution commonly applied to cope with saturation of power converters, and enhancing performance. For this purpose two main approaches are exploited and extended to deal with power electronic applications: modern anti-windup strategies, providing formal results and systematic design rules for the anti-windup compensator, devoted to handle control saturation, and “one step” saturated feedback design techniques, relying on a suitable characterization of the saturation nonlinearity and less conservative extensions of standard absolute stability theory results. The first part of the thesis is devoted to present and develop a novel general anti-windup scheme, which is then specifically applied to a class of power converters adopted for power quality enhancement in industrial plants. In the second part a polytopic differential inclusion representation of saturation nonlinearity is presented and extended to deal with a class of multiple input power converters, used to manage hybrid electrical energy sources. The third part regards adaptive observers design for robust estimation of the parameters required for high performance control of power systems.

OH- und HO 2-Radikale über dem tropischen Regenwald

Beständig werden Spurenstoffe in die Atmosphäre emittiert, die ihren Ursprung in biogenen oder anthropogenen Quellen haben. Daß es dennoch im allgemeinen nicht zu einer Anreicherung bis hin zu toxischen Konzentrationen kommt, liegt an dem Vermögen der Atmosphäre sich durch Oxidationsprozesse selbst zu reinigen. Eine wichtige Aufgabe kommt dabei dem Hydroxylradikal OH zu, welches tagsüber die Oxidationskapazität der Atmosphäre bestimmt. Hierbei spielen die tropischen Regionen mit einer der höchsten OH-Produktionsraten eine zentrale Rolle. Gleichzeitig sind die tropischen Regenwälder eine bedeutende globale Quelle für Kohlenwasserstoffe, die durch Reaktion mit OH-Radikalen dessen Konzentration und damit die Oxidationskapazität der Atmosphäre herabsetzen. Während der GABRIEL-Meßkampagne 2005 im äquatorialen Südamerika wurde der Einfluß der Regenwaldemissionen auf das HOx-Budget (HOx = OH+HO2) untersucht. Zu diesem Zweck wurde das Radikalmeßinstrument HORUS entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Komponenten des Gerätes optimiert, der Meßaufbau ins Flugzeug integriert und Methoden zur Kalibrierung entwickelt. Bei der internationalen Vergleichskampagne HOxComp2005 zeigte HORUS seine Eignung zur Messung von troposphärischen OH- und HO2-Radikalen.rnrnDie durchgeführten HOx-Messungen während der GABRIEL-Meßkampagne sind die ersten ihrer Art, die über einem tropischen Regenwald stattgefunden haben. Im Gegensatz zu den Vorhersagen globaler Modelle wurden unerwartet hohe OH- und HO2-Konzentrationen in der planetaren Grenzschicht des tropischen Regenwalds beobachtet. Der Vergleich der berechneten OH-Produktions- und Verlustraten, die aus dem umfangreichen Datensatz von GABRIEL ermittelt wurden, zeigte, daß hierbei eine wichtige OH-Quelle unberücksichtigt blieb. Mit Hilfe des Boxmodells MECCA, in welchem die gemessenen Daten als Randbedingungen in die Simulationen eingingen, wurden die modellierten OH- und HO2- Konzentrationen im Gleichgewichtszustand den beobachteten Konzentrationen gegenübergestellt. Luftmassen der freien Troposphäre und der maritimen Grenzschicht zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Modell. Über dem tropischen Regenwald jedoch wurden die beobachteten HOx-Konzentrationen in der planetaren Grenzschicht durch das Modell, vor allem am Nachmittag, signifikant unterschätzt. Dabei lag die Diskrepanz zwischen den beobachteten und simulierten Konzentrationen bei einem mittleren Wert von OHobs/OHmod = 12.2 ± 3.5 und HO2obs/HO2mod = 4.1 ± 1.4. Die Abweichung zwischen Messung und Modell korrelieren hierbei mit der Isoprenkonzentration. Während für niedrige Isoprenmischungsverhältnisse, wie sie über dem Ozean oder in Höhen > 3 km vorherrschten, die Beobachtungen mit den Simulationen innerhalb eines Faktors 1.6±0.7 übereinstimmten, nahm die Unterschätzung durch das Modell für steigende Isoprenmischungsverhältnisse > 200 pptV über dem tropischen Regenwald zu.rnrnDer kondensierte chemische Mechanismus von MECCA wurde mit der ausführlichen Isoprenchemie des ”Master Chemical Mechanism“ überprüft, welches vergleichbare HOx-Konzentrationen lieferte. OH-Simulationen, durchgeführt mit der gemessenen HO2-Konzentration als zusätzliche Randbedingung, zeigten, daß die Konversion zwischen HO2 und OH innerhalb des Modells nicht ausreichend ist. Durch Vernachlässigung der gesamten Isoprenchemie konnte dagegen eine Übereinstimmung zwischen Modell und Messung erreicht werden. Eine OH-Quelle in der gleichen Größenordnung wie die OH-Senke durch Isopren, ist somit zur Beschreibung der beobachteten OH-Konzentration notwendig. Reaktionsmechanismen, die innerhalb der Isoprenchemie die gleiche Anzahl an OH-Radikalen erzeugen wie sie verbrauchen, könnten eine mögliche Ursache sein. Unterschiedliche zusätzliche Reaktionen wurden in die Isoprenabbaumechanismen des Modells implementiert, die zur Erhöhung der OH-Quellstärke führen sollten. Diese bewirkten eine Zunahme der simulierten HO2-Konzentrationen um einen maximalen Faktor von 5 für OH und 2 für HO2. Es wird eine OH-Zyklierungswahrscheinlichkeit r von bis zu 94% gefordert, wie sie für die GABRIEL-Messungen erreicht wurde. Die geringe OH-Zyklierungswahrscheinlichkeit von 38% des Modells zeigte, daß wichtige Zyklierungsvorgänge im chemischen Mechanismus bislang nicht berücksichtigt werden. Zusätzliche Zyklierungsreaktionen innerhalb des Isoprenmechanismus, die auch unter niedrigen NO-Konzentrationen zur Rückbildung von OHRadikalen führen, könnten eine Erklärung für die über dem Regenwald beobachteten hohen OH-Konzentration liefern.rn