The effect of randomness for dependency map on the robustness of interdependent lattices

ACKNOWLEDGMENTS This paper is supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61573067 and 61472045), the Beijing Higher Education Young Elite Teacher Project (Grant No. YETP0449), the Asia Foresight Program under NSFC Grant (Grant No. 61411146001), and the Beijing Natural Science Foundation (Grant No. 4142016).

Severity-Sensitive Robustness Analysis in Normative Systems

Postprint

Robust Uncertainty Quantification and Scalable Computation for Computer Models with Massive Output

Uncertainty quantification (UQ) is both an old and new concept. The current novelty lies in the interactions and synthesis of mathematical models, computer experiments, statistics, field/real experiments, and probability theory, with a particular emphasize on the large-scale simulations by computer models. The challenges not only come from the complication of scientific questions, but also from the size of the information. It is the focus in this thesis to provide statistical models that are scalable to massive data produced in computer experiments and real experiments, through fast and robust statistical inference.

Chapter 2 provides a practical approach for simultaneously emulating/approximating massive number of functions, with the application on hazard quantification of Soufri\`{e}re Hills volcano in Montserrate island. Chapter 3 discusses another problem with massive data, in which the number of observations of a function is large. An exact algorithm that is linear in time is developed for the problem of interpolation of Methylation levels. Chapter 4 and Chapter 5 are both about the robust inference of the models. Chapter 4 provides a new criteria robustness parameter estimation criteria and several ways of inference have been shown to satisfy such criteria. Chapter 5 develops a new prior that satisfies some more criteria and is thus proposed to use in practice.

Improving the use of G-CSF during chemotherapy using physiological mathematical modelling : a quantitative systems pharmacology approach

La diminution des doses administrées ou même la cessation complète d'un traitement chimiothérapeutique est souvent la conséquence de la réduction du nombre de neutrophiles, qui sont les globules blancs les plus fréquents dans le sang. Cette réduction dans le nombre absolu des neutrophiles, aussi connue sous le nom de myélosuppression, est précipitée par les effets létaux non spécifiques des médicaments anti-cancéreux, qui, parallèlement à leur effet thérapeutique, produisent aussi des effets toxiques sur les cellules saines. Dans le but d'atténuer cet impact myélosuppresseur, on administre aux patients un facteur de stimulation des colonies de granulocytes recombinant humain (rhG-CSF), une forme exogène du G-CSF, l'hormone responsable de la stimulation de la production des neutrophiles et de leurs libération dans la circulation sanguine. Bien que les bienfaits d'un traitement prophylactique avec le G-CSF pendant la chimiothérapie soient bien établis, les protocoles d'administration demeurent mal définis et sont fréquemment déterminés ad libitum par les cliniciens. Avec l'optique d'améliorer le dosage thérapeutique et rationaliser l'utilisation du rhG-CSF pendant le traitement chimiothérapeutique, nous avons développé un modèle physiologique du processus de granulopoïèse, qui incorpore les connaissances actuelles de pointe relatives à la production des neutrophiles des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse. À ce modèle physiologique, nous avons intégré des modèles pharmacocinétiques/pharmacodynamiques (PK/PD) de deux médicaments: le PM00104 (Zalypsis®), un médicament anti-cancéreux, et le rhG-CSF (filgrastim). En se servant des principes fondamentaux sous-jacents à la physiologie, nous avons estimé les paramètres de manière exhaustive sans devoir recourir à l'ajustement des données, ce qui nous a permis de prédire des données cliniques provenant de 172 patients soumis au protocol CHOP14 (6 cycles de chimiothérapie avec une période de 14 jours où l'administration du rhG-CSF se fait du jour 4 au jour 13 post-chimiothérapie). En utilisant ce modèle physio-PK/PD, nous avons démontré que le nombre d'administrations du rhG-CSF pourrait être réduit de dix (pratique actuelle) à quatre ou même trois administrations, à condition de retarder le début du traitement prophylactique par le rhG-CSF. Dans un souci d'applicabilité clinique de notre approche de modélisation, nous avons investigué l'impact de la variabilité PK présente dans une population de patients, sur les prédictions du modèle, en intégrant des modèles PK de population (Pop-PK) des deux médicaments. En considérant des cohortes de 500 patients in silico pour chacun des cinq scénarios de variabilité plausibles et en utilisant trois marqueurs cliniques, soient le temps au nadir des neutrophiles, la valeur du nadir, ainsi que l'aire sous la courbe concentration-effet, nous avons établi qu'il n'y avait aucune différence significative dans les prédictions du modèle entre le patient-type et la population. Ceci démontre la robustesse de l'approche que nous avons développée et qui s'apparente à une approche de pharmacologie quantitative des systèmes (QSP). Motivés par l'utilisation du rhG-CSF dans le traitement d'autres maladies, comme des pathologies périodiques telles que la neutropénie cyclique, nous avons ensuite soumis l'étude du modèle au contexte des maladies dynamiques. En mettant en évidence la non validité du paradigme de la rétroaction des cytokines pour l'administration exogène des mimétiques du G-CSF, nous avons développé un modèle physiologique PK/PD novateur comprenant les concentrations libres et liées du G-CSF. Ce nouveau modèle PK a aussi nécessité des changements dans le modèle PD puisqu’il nous a permis de retracer les concentrations du G-CSF lié aux neutrophiles. Nous avons démontré que l'hypothèse sous-jacente de l'équilibre entre la concentration libre et liée, selon la loi d'action de masse, n'est plus valide pour le G-CSF aux concentrations endogènes et mènerait en fait à la surestimation de la clairance rénale du médicament. En procédant ainsi, nous avons réussi à reproduire des données cliniques obtenues dans diverses conditions (l'administration exogène du G-CSF, l'administration du PM00104, CHOP14). Nous avons aussi fourni une explication logique des mécanismes responsables de la réponse physiologique aux deux médicaments. Finalement, afin de mettre en exergue l’approche intégrative en pharmacologie adoptée dans cette thèse, nous avons démontré sa valeur inestimable pour la mise en lumière et la reconstruction des systèmes vivants complexes, en faisant le parallèle avec d’autres disciplines scientifiques telles que la paléontologie et la forensique, où une approche semblable a largement fait ses preuves. Nous avons aussi discuté du potentiel de la pharmacologie quantitative des systèmes appliquées au développement du médicament et à la médecine translationnelle, en se servant du modèle physio-PK/PD que nous avons mis au point.

Exploitation du potentiel sismique des étoiles naines blanches

Le but de cette thèse est d’explorer le potentiel sismique des étoiles naines blanches pulsantes, et en particulier celles à atmosphères riches en hydrogène, les étoiles ZZ Ceti. La technique d’astérosismologie exploite l’information contenue dans les modes normaux de vibration qui peuvent être excités lors de phases particulières de l’évolution d’une étoile. Ces modes modulent le flux émergent de l’étoile pulsante et se manifestent principalement en termes de variations lumineuses multi-périodiques. L’astérosismologie consiste donc à examiner la luminosité d’étoiles pulsantes en fonction du temps, afin d’en extraire les périodes, les amplitudes apparentes, ainsi que les phases relatives des modes de pulsation détectés, en utilisant des méthodes standards de traitement de signal, telles que des techniques de Fourier. L’étape suivante consiste à comparer les périodes de pulsation observées avec des périodes générées par un modèle stellaire en cherchant l’accord optimal avec un modèle physique reconstituant le plus fidèlement possible l’étoile pulsante. Afin d’assurer une recherche optimale dans l’espace des paramètres, il est nécessaire d’avoir de bons modèles physiques, un algorithme d’optimisation de comparaison de périodes efficace, et une puissance de calcul considérable. Les périodes des modes de pulsation de modèles stellaires de naines blanches peuvent être généralement calculées de manière précise et fiable sur la base de la théorie linéaire des pulsations stellaires dans sa version adiabatique. Afin de définir dans son ensemble un modèle statique de naine blanche propre à l’analyse astérosismologique, il est nécessaire de spécifier la gravité de surface, la température effective, ainsi que différents paramètres décrivant la disposition en couche de l’enveloppe. En utilisant parallèlement les informations obtenues de manière indépendante (température effective et gravité de surface) par la méthode spectroscopique, il devient possible de vérifier la validité de la solution obtenue et de restreindre de manière remarquable l’espace des paramètres. L’exercice astérosismologique, s’il est réussi, mène donc à la détermination précise des paramètres de la structure globale de l’étoile pulsante et fournit de l’information unique sur sa structure interne et l’état de sa phase évolutive. On présente dans cette thèse l’analyse complète réussie, de l’extraction des fréquences à la solution sismique, de quatre étoiles naines blanches pulsantes. Il a été possible de déterminer les paramètres structuraux de ces étoiles et de les comparer remarquablement à toutes les contraintes indépendantes disponibles dans la littérature, mais aussi d’inférer sur la dynamique interne et de reconstruire le profil de rotation interne. Dans un premier temps, on analyse le duo d’étoiles ZZ Ceti, GD 165 et Ross 548, afin de comprendre les différences entre leurs propriétés de pulsation, malgré le fait qu’elles soient des étoiles similaires en tout point, spectroscopiquement parlant. L’analyse sismique révèle des structures internes différentes, et dévoile la sensibilité de certains modes de pulsation à la composition interne du noyau de l’étoile. Afin de palier à cette sensibilité, nouvellement découverte, et de rivaliser avec les données de qualité exceptionnelle que nous fournissent les missions spatiales Kepler et Kepler2, on développe une nouvelle paramétrisation des profils chimiques dans le coeur, et on valide la robustesse de notre technique et de nos modèles par de nombreux tests. Avec en main la nouvelle paramétrisation du noyau, on décroche enfin le ”Saint Graal” de l’astérosismologie, en étant capable de reproduire pour la première fois les périodes observées à la précision des observations, dans le cas de l’étude sismique des étoiles KIC 08626021 et de GD 1212.

Enviromagnetic, major element, and grain-size analyses of surface sediment samples along the continental margin between East Brazil and Patagonia

Continental margin sediments of SE South America originate from various terrestrial sources, each conveying specific magnetic and element signatures. Here, we aim to identify the sources and transport characteristics of shelf and slope sediments deposited between East Brazil and Patagonia (20°-48°S) using enviromagnetic, major element, and grain-size data. A set of five source-indicative parameters (i.e., chi-fd%, ARM/IRM, S0.3T, SIRM/Fe and Fe/K) of 25 surface samples (16-1805 m water depth) was analyzed by fuzzy c-means clustering and non-linear mapping to depict and unmix sediment-province characteristics. This multivariate approach yields three regionally coherent sediment provinces with petrologically and climatically distinct source regions. The southernmost province is entirely restricted to the slope off the Argentinean Pampas and has been identified as relict Andean-sourced sands with coarse unaltered magnetite. The direct transport to the slope was enabled by Rio Colorado and Rio Negro meltwaters during glacial and deglacial phases of low sea level. The adjacent shelf province consists of coastal loessoidal sands (highest hematite and goethite proportions) delivered from the Argentinean Pampas by wave erosion and westerly winds. The northernmost province includes the Plata mudbelt and Rio Grande Cone. It contains tropically weathered clayey silts from the La Plata Drainage Basin with pronounced proportions of fine magnetite, which were distributed up to ~24° S by the Brazilian Coastal Current and admixed to coarser relict sediments of Pampean loessoidal origin. Grain-size analyses of all samples showed that sediment fractionation during transport and deposition had little impact on magnetic and element source characteristics. This study corroborates the high potential of the chosen approach to access sediment origin in regions with contrasting sediment sources, complex transport dynamics, and large grain-size variability.

Digital geometric-sequence control technique for bidirectional dual active bridge DC-DC converters used in future electric vehicles

Bidirectional DC-DC converters are widely used in different applications such as energy storage systems, Electric Vehicles (EVs), UPS, etc. In particular, future EVs require bidirectional power flow in order to integrate energy storage units into smart grids. These bidirectional power converters provide Grid to Vehicle (V2G)/ Vehicle to Grid (G2V) power flow capability for future EVs. Generally, there are two control loops used for bidirectional DC-DC converters: The inner current loop and The outer loop. The control of DAB converters used in EVs are proved to be challenging due to the wide range of operating conditions and non-linear behavior of the converter. In this thesis, the precise mathematical model of the converter is derived and non-linear control schemes are proposed for the control system of bidirectional DC-DC converters based on the derived model. The proposed inner current control technique is developed based on a novel Geometric-Sequence Control (GSC) approach. The proposed control technique offers significantly improved performance as compared to one for conventional control approaches. The proposed technique utilizes a simple control algorithm which saves on the computational resources. Therefore, it has higher reliability, which is essential in this application. Although, the proposed control technique is based on the mathematical model of the converter, its robustness against parameter uncertainties is proven. Three different control modes for charging the traction batteries in EVs are investigated in this thesis: the voltage mode control, the current mode control, and the power mode control. The outer loop control is determined by each of the three control modes. The structure of the outer control loop provides the current reference for the inner current loop. Comprehensive computer simulations have been conducted in order to evaluate the performance of the proposed control methods. In addition, the proposed control have been verified on a 3.3 kW experimental prototype. Simulation and experimental results show the superior performance of the proposed control techniques over the conventional ones.

Parametric CAD model based shape optimization using adjoint functions

Adjoint methods have proven to be an efficient way of calculating the gradient of an objective function with respect to a shape parameter for optimisation, with a computational cost nearly independent of the number of the design variables [1]. The approach in this paper links the adjoint surface sensitivities (gradient of objective function with respect to the surface movement) with the parametric design velocities (movement of the surface due to a CAD parameter perturbation) in order to compute the gradient of the objective function with respect to CAD variables.
For a successful implementation of shape optimization strategies in practical industrial cases, the choice of design variables or parameterisation scheme used for the model to be optimized plays a vital role. Where the goal is to base the optimization on a CAD model the choices are to use a NURBS geometry generated from CAD modelling software, where the position of the NURBS control points are the optimisation variables [2] or to use the feature based CAD model with all of the construction history to preserve the design intent [3]. The main advantage of using the feature based model is that the optimized model produced can be directly used for the downstream applications including manufacturing and process planning.
This paper presents an approach for optimization based on the feature based CAD model, which uses CAD parameters defining the features in the model geometry as the design variables. In order to capture the CAD surface movement with respect to the change in design variable, the “Parametric Design Velocity” is calculated, which is defined as the movement of the CAD model boundary in the normal direction due to a change in the parameter value.
The approach presented here for calculating the design velocities represents an advancement in terms of capability and robustness of that described by Robinson et al. [3]. The process can be easily integrated to most industrial optimisation workflows and is immune to the topology and labelling issues highlighted by other CAD based optimisation processes. It considers every continuous (“real value”) parameter type as an optimisation variable, and it can be adapted to work with any CAD modelling software, as long as it has an API which provides access to the values of the parameters which control the model shape and allows the model geometry to be exported. To calculate the movement of the boundary the methodology employs finite differences on the shape of the 3D CAD models before and after the parameter perturbation. The implementation procedure includes calculating the geometrical movement along a normal direction between two discrete representations of the original and perturbed geometry respectively. Parametric design velocities can then be directly linked with adjoint surface sensitivities to extract the gradients to use in a gradient-based optimization algorithm.
The optimisation of a flow optimisation problem is presented, in which the power dissipation of the flow in an automotive air duct is to be reduced by changing the parameters of the CAD geometry created in CATIA V5. The flow sensitivities are computed with the continuous adjoint method for a laminar and turbulent flow [4] and are combined with the parametric design velocities to compute the cost function gradients. A line-search algorithm is then used to update the design variables and proceed further with optimisation process.

samExploreR: exploring reproducibility and robustness of RNA-seq results based on SAM files

MOTIVATION: Data from RNA-seq experiments provide us with many new possibilities to gain insights into biological and disease mechanisms of cellular functioning. However, the reproducibility and robustness of RNA-seq data analysis results is often unclear. This is in part attributed to the two counter acting goals of (a) a cost efficient and (b) an optimal experimental design leading to a compromise, e.g., in the sequencing depth of experiments.

RESULTS: We introduce an R package called samExploreR that allows the subsampling (m out of n bootstraping) of short-reads based on SAM files facilitating the investigation of sequencing depth related questions for the experimental design. Overall, this provides a systematic way for exploring the reproducibility and robustness of general RNA-seq studies. We exemplify the usage of samExploreR by studying the influence of the sequencing depth and the annotation on the identification of differentially expressed genes.

AVAILABILITY: Availability: samExploreR is available as an R package from Bioconductor (after acceptance of the paper, download link: http://www.bio-complexity.com/samExploreR_1.0.0.tar.gz).

Physical model parameter optimisation for calibrated emulation of the Dallas Rangemaster Treble Booster guitar pedal

In this work we explore optimising parameters of a physical circuit model relative to input/output measurements, using the Dallas Rangemaster Treble Booster as a case study. A hybrid metaheuristic/gradient descent algorithm is implemented, where the initial parameter sets for the optimisation are informed by nominal values from schematics and datasheets. Sensitivity analysis is used to screen parameters, which informs a study of the optimisation algorithm against model complexity by fixing parameters. The results of the optimisation show a significant increase in the accuracy of model behaviour, but also highlight several key issues regarding the recovery of parameters.

Living with Terminal Capitalization Rates: A Look at Real Estate Valuation Model Parameter Setting

This paper examines assumptions about future prices used in real estate applications of DCF models. We confirm both the widespread reliance on an ad hoc rule of increasing period-zero capitalization rates by 50 to 100 basis points to obtain terminal capitalization rates and the inability of the rule to project future real estate pricing. To understand how investors form expectations about future prices, we model the spread between the contemporaneously period-zero going-in and terminal capitalization rates and the spread between terminal rates assigned in period zero and going-in rates assigned in period N. Our regression results confirm statistical relationships between the terminal and next holding period going-in capitalization rate spread and the period-zero discount rate, although other economically significant variables are statistically insignificant. Linking terminal capitalization rates by assumption to going-in capitalization rates implies investors view future real estate pricing with myopic expectations. We discuss alternative specifications devoid of such linkage that align more with a rational expectations view of future real estate pricing.

A Parameter Estimation and Identifiability Analysis Methodology Applied to a Street Canyon Air Pollution Model

Mathematical models are increasingly used in environmental science thus increasing the importance of uncertainty and sensitivity analyses. In the present study, an iterative parameter estimation and identifiability analysis methodology is applied to an atmospheric model – the Operational Street Pollution Model (OSPMr). To assess the predictive validity of the model, the data is split into an estimation and a prediction data set using two data splitting approaches and data preparation techniques (clustering and outlier detection) are analysed. The sensitivity analysis, being part of the identifiability analysis, showed that some model parameters were significantly more sensitive than others. The application of the determined optimal parameter values was shown to succesfully equilibrate the model biases among the individual streets and species. It was as well shown that the frequentist approach applied for the uncertainty calculations underestimated the parameter uncertainties. The model parameter uncertainty was qualitatively assessed to be significant, and reduction strategies were identified.