Geostatistics for constrained variables: positive data, compositions and probabilities. Applications to environmental hazard monitoring

Aquesta tesi estudia com estimar la distribució de les variables regionalitzades l'espai mostral i l'escala de les quals admeten una estructura d'espai Euclidià. Apliquem el principi del treball en coordenades: triem una base ortonormal, fem estadística sobre les coordenades de les dades, i apliquem els output a la base per tal de recuperar un resultat en el mateix espai original. Aplicant-ho a les variables regionalitzades, obtenim una aproximació única consistent, que generalitza les conegudes propietats de les tècniques de kriging a diversos espais mostrals: dades reals, positives o composicionals (vectors de components positives amb suma constant) són tractades com casos particulars. D'aquesta manera, es generalitza la geostadística lineal, i s'ofereix solucions a coneguts problemes de la no-lineal, tot adaptant la mesura i els criteris de representativitat (i.e., mitjanes) a les dades tractades. L'estimador per a dades positives coincideix amb una mitjana geomètrica ponderada, equivalent a l'estimació de la mediana, sense cap dels problemes del clàssic kriging lognormal. El cas composicional ofereix solucions equivalents, però a més permet estimar vectors de probabilitat multinomial. Amb una aproximació bayesiana preliminar, el kriging de composicions esdevé també una alternativa consistent al kriging indicador. Aquesta tècnica s'empra per estimar funcions de probabilitat de variables qualsevol, malgrat que sovint ofereix estimacions negatives, cosa que s'evita amb l'alternativa proposada. La utilitat d'aquest conjunt de tècniques es comprova estudiant la contaminació per amoníac a una estació de control automàtic de la qualitat de l'aigua de la conca de la Tordera, i es conclou que només fent servir les tècniques proposades hom pot detectar en quins instants l'amoni es transforma en amoníac en una concentració superior a la legalment permesa.

Improvement of strategies for the management of fire blight (Erwinia amylovora). Evaluation and optimization of physical and chemical control methods, and use of decision support systems

El foc bacterià és una malaltia que afecta a plantes de la família de la rosàcies, causada pel bacteri Erwinia amylovora. El seu rang d'hostes inclou arbres fruiters, com la perera, la pomera o el codonyer, i plantes ornamentals de gran interès comercial i econòmic. Actualment, la malaltia s'ha dispersat i es troba àmpliament distribuïda en totes les zones de clima temperat del món. A Espanya, on la malaltia no és endèmica, el foc bacterià es va detectar per primer cop al 1995 al nord del país (Euskadi) i posteriorment, han aparegut varis focus en altres localitzacions, que han estat convenientment eradicats. El control del foc bacterià, és molt poc efectiu en plantes afectades per la malaltia, de manera que es basa en mesures encaminades a evitar la dispersió del patogen, i la introducció de la malaltia en regions no endèmiques. En aquest treball, la termoteràpia ha estat avaluada com a mètode d'eradicació d'E. amylovora de material vegetal de propagació asimptomàtic. S'ha demostrat que la termoteràpia és un mètode viable d'eradicar E. amylovora de material de propagació. Gairebé totes les espècies i varietats de rosàcies mantingudes en condicions d'humitat sobrevivien 7 hores a 45 ºC i més de 3 hores a 50 ºC, mentre que més d'1 hora d'exposició a 50 ºC amb calor seca produïa danys en el material vegetal i reduïa la brotació. Tractaments de 60 min a 45 ºC o 30 min a 50 ºC van ser suficients per reduir la població epífita d'E. amylovora a nivells no detectables (5 x 102 ufc g-1 p.f.) en branques de perera. Els derivats dels fosfonats i el benzotiadiazol són efectius en el control del foc bacterià en perera i pomera, tant en condicions de laboratori, com d'hivernacle i camp. Els inductors de defensa de les plantes redueixen els nivells de malaltia fins al 40-60%. Els intervals de temps mínims per aconseguir el millor control de la malaltia van ser 5 dies pel fosetil-Al, i 7 dies per l'etefon i el benzotiadiazol, i les dosis òptimes pel fosetil-Al i el benzotiadiazol van ser 3.72 g HPO32- L-1 i 150 mg i.a. L-1, respectivament. Es millora l'eficàcia del fosetil-Al i del benzotiadiazol en el control del foc bacterià, quan es combinen amb els antibiòtics a la meitat de la dosi d'aquests últims. Tot i que l'estratègia de barrejar productes és més pràctica i fàcil de dur a terme a camp, que l'estratègia de combinar productes, el millor nivell de control de la malaltia s'aconsegueix amb l'estratègia de combinar productes. Es va analitzar a nivell histològic i ultrastructural l'efecte del benzotiadiazol i dels fosfonats en la interacció Erwinia amylovora-perera. Ni el benzotiadiazol, ni el fosetil-Al, ni l'etefon van induir canvis estructurals en els teixits de perera 7 dies després de la seva aplicació. No obstant, després de la inoculació d'E. amylovora es va observar en plantes tractades amb fosetil-Al i etefon una desorganització estructural cel·lular, mentre que en les plantes tractades amb benzotiadiazol aquestes alteracions tissulars van ser retardades. S'han avaluat dos models (Maryblyt, Cougarblight) en un camp a Espanya afectat per la malaltia, per determinar la precisió de les prediccions. Es van utilitzar dos models per elaborar el mapa de risc, el BRS-Powell combinat i el BIS95 modificat. Els resultats van mostrar dos zones amb elevat i baix risc de la malaltia. Maryblyt i Cougarblight són dos models de fàcil ús, tot i que la seva implementació en programes de maneig de la malaltia requereix que siguin avaluats i validats per un període de temps més llarg i en àrees on la malaltia hi estigui present.

Computationally reliable approaches of contractive MPC for discrete-time systems

La tesis pretende explorar acercamientos computacionalmente confiables y eficientes de contractivo MPC para sistemas de tiempo discreto. Dos tipos de contractivo MPC han sido estudiados: MPC con coacción contractiva obligatoria y MPC con una secuencia contractiva de conjuntos controlables. Las técnicas basadas en optimización convexa y análisis de intervalos son aplicadas para tratar MPC contractivo lineal y no lineal, respectivamente. El análisis de intervalos clásicos es ampliado a zonotopes en la geometría para diseñar un conjunto invariante de control terminal para el modo dual de MPC. También es ampliado a intervalos modales para tener en cuenta la modalidad al calcula de conjuntos controlables robustos con una interpretación semántica clara. Los instrumentos de optimización convexa y análisis de intervalos han sido combinados para mejorar la eficacia de contractive MPC para varias clases de sistemas de tiempo discreto inciertos no lineales limitados. Finalmente, los dos tipos dirigidos de contractivo MPC han sido aplicados para controlar un Torneo de Fútbol de Copa Mundial de Micro Robot (MiroSot) y un Tanque-Reactor de Mezcla Continua (CSTR), respectivamente.

Multi-objective optimization scheme for static and dynamic multicast flows

Muchas de las nuevas aplicaciones emergentes de Internet tales como TV sobre Internet, Radio sobre Internet,Video Streamming multi-punto, entre otras, necesitan los siguientes requerimientos de recursos: ancho de banda consumido, retardo extremo-a-extremo, tasa de paquetes perdidos, etc. Por lo anterior, es necesario formular una propuesta que especifique y provea para este tipo de aplicaciones los recursos necesarios para su buen funcionamiento. En esta tesis, proponemos un esquema de ingeniería de tráfico multi-objetivo a través del uso de diferentes árboles de distribución para muchos flujos multicast. En este caso, estamos usando la aproximación de múltiples caminos para cada nodo egreso y de esta forma obtener la aproximación de múltiples árboles y a través de esta forma crear diferentes árboles multicast. Sin embargo, nuestra propuesta resuelve la fracción de la división del tráfico a través de múltiples árboles. La propuesta puede ser aplicada en redes MPLS estableciendo rutas explícitas en eventos multicast. En primera instancia, el objetivo es combinar los siguientes objetivos ponderados dentro de una métrica agregada: máxima utilización de los enlaces, cantidad de saltos, el ancho de banda total consumido y el retardo total extremo-a-extremo. Nosotros hemos formulado esta función multi-objetivo (modelo MHDB-S) y los resultados obtenidos muestran que varios objetivos ponderados son reducidos y la máxima utilización de los enlaces es minimizada. El problema es NP-duro, por lo tanto, un algoritmo es propuesto para optimizar los diferentes objetivos. El comportamiento que obtuvimos usando este algoritmo es similar al que obtuvimos con el modelo. Normalmente, durante la transmisión multicast los nodos egresos pueden salir o entrar del árbol y por esta razón en esta tesis proponemos un esquema de ingeniería de tráfico multi-objetivo usando diferentes árboles para grupos multicast dinámicos. (en el cual los nodos egresos pueden cambiar durante el tiempo de vida de la conexión). Si un árbol multicast es recomputado desde el principio, esto podría consumir un tiempo considerable de CPU y además todas las comuicaciones que están usando el árbol multicast serán temporalmente interrumpida. Para aliviar estos inconvenientes, proponemos un modelo de optimización (modelo dinámico MHDB-D) que utilice los árboles multicast previamente computados (modelo estático MHDB-S) adicionando nuevos nodos egreso. Usando el método de la suma ponderada para resolver el modelo analítico, no necesariamente es correcto, porque es posible tener un espacio de solución no convexo y por esta razón algunas soluciones pueden no ser encontradas. Adicionalmente, otros tipos de objetivos fueron encontrados en diferentes trabajos de investigación. Por las razones mencionadas anteriormente, un nuevo modelo llamado GMM es propuesto y para dar solución a este problema un nuevo algoritmo usando Algoritmos Evolutivos Multi-Objetivos es propuesto. Este algoritmo esta inspirado por el algoritmo Strength Pareto Evolutionary Algorithm (SPEA). Para dar una solución al caso dinámico con este modelo generalizado, nosotros hemos propuesto un nuevo modelo dinámico y una solución computacional usando Breadth First Search (BFS) probabilístico. Finalmente, para evaluar nuestro esquema de optimización propuesto, ejecutamos diferentes pruebas y simulaciones. Las principales contribuciones de esta tesis son la taxonomía, los modelos de optimización multi-objetivo para los casos estático y dinámico en transmisiones multicast (MHDB-S y MHDB-D), los algoritmos para dar solución computacional a los modelos. Finalmente, los modelos generalizados también para los casos estático y dinámico (GMM y GMM Dinámico) y las propuestas computacionales para dar slución usando MOEA y BFS probabilístico.

Identifying management zones in agricultural fields using spatially constrained classification of soil and ancillary data

Site-specific management requires accurate knowledge of the spatial variation in a range of soil properties within fields. This involves considerable sampling effort, which is costly. Ancillary data, such as crop yield, elevation and apparent electrical conductivity (ECa) of the soil, can provide insight into the spatial variation of some soil properties. A multivariate classification with spatial constraint imposed by the variogram was used to classify data from two arable crop fields. The yield data comprised 5 years of crop yield, and the ancillary data 3 years of yield data, elevation and ECa. Information on soil chemical and physical properties was provided by intensive surveys of the soil. Multivariate variograms computed from these data were used to constrain sites spatially within classes to increase their contiguity. The constrained classifications resulted in coherent classes, and those based on the ancillary data were similar to those from the soil properties. The ancillary data seemed to identify areas in the field where the soil is reasonably homogeneous. The results of targeted sampling showed that these classes could be used as a basis for management and to guide future sampling of the soil.

Strategies for Constrained Optimisation

The latest 6-man chess endgame results confirm that there are many deep forced mates beyond the 50-move rule. Players with potential wins near this limit naturally want to avoid a claim for a draw: optimal play to current metrics does not guarantee feasible wins or maximise the chances of winning against fallible opposition. A new metric and further strategies are defined which support players’ aspirations and improve their prospects of securing wins in the context of a k-move rule.

A practical approach to goal modelling for time-constrained projects

Goal modelling is a well known rigorous method for analysing problem rationale and developing requirements. Under the pressures typical of time-constrained projects its benefits are not accessible. This is because of the effort and time needed to create the graph and because reading the results can be difficult owing to the effects of crosscutting concerns. Here we introduce an adaptation of KAOS to meet the needs of rapid turn around and clarity. The main aim is to help the stakeholders gain an insight into the larger issues that might be overlooked if they make a premature start into implementation. The method emphasises the use of obstacles, accepts under-refined goals and has new methods for managing crosscutting concerns and strategic decision making. It is expected to be of value to agile as well as traditional processes.

The calculation of force constants and normal coordinates III: constrained force fields for the methyl halides

A method is discussed for imposing any desired constraint on the force field obtained in a force constant refinement calculation. The application of this method to force constant refinement calculations for the methyl halide molecules is reported. All available data on the vibration frequencies, Coriolis interaction constants and centrifugal stretching constants of CH3X and CD3X molecules were used in the refinements, but despite this apparent abundance of data it was found that constraints were necessary in order to obtain a unique solution to the force field. The results of unconstrained calculations, and of three different constrained calculations, are reported in this paper. The constrained models reported are a Urey—Bradley force field, a modified valence force field, and a constraint based on orbital-following bond-hybridization arguments developed in the following paper. The results are discussed, and compared with previous results for these molecules. The third of the above models is found to reproduce the observed data better than either of the first two, and additional reasons are given for preferring this solution to the force field for the methyl halide molecules.

A benchmark method for global optimization problems in structure determination from powder diffraction data

Quasi-Newton-Raphson minimization and conjugate gradient minimization have been used to solve the crystal structures of famotidine form B and capsaicin from X-ray powder diffraction data and characterize the chi(2) agreement surfaces. One million quasi-Newton-Raphson minimizations found the famotidine global minimum with a frequency of ca 1 in 5000 and the capsaicin global minimum with a frequency of ca 1 in 10 000. These results, which are corroborated by conjugate gradient minimization, demonstrate the existence of numerous pathways from some of the highest points on these chi(2) agreement surfaces to the respective global minima, which are passable using only downhill moves. This important observation has significant ramifications for the development of improved structure determination algorithms.

Statistical methods for ordered categorical data based on a constrained odds model

The proportional odds model provides a powerful tool for analysing ordered categorical data and setting sample size, although for many clinical trials its validity is questionable. The purpose of this paper is to present a new class of constrained odds models which includes the proportional odds model. The efficient score and Fisher's information are derived from the profile likelihood for the constrained odds model. These results are new even for the special case of proportional odds where the resulting statistics define the Mann-Whitney test. A strategy is described involving selecting one of these models in advance, requiring assumptions as strong as those underlying proportional odds, but allowing a choice of such models. The accuracy of the new procedure and its power are evaluated.

Constrained models of evolution lead to improved prediction of functional linkage from correlated gain and loss of genes

Motivation: We compare phylogenetic approaches for inferring functional gene links. The approaches detect independent instances of the correlated gain and loss of pairs of genes from species' genomes. We investigate the effect on results of basing evidence of correlations on two phylogenetic approaches, Dollo parsminony and maximum likelihood (ML). We further examine the effect of constraining the ML model by fixing the rate of gene gain at a low value, rather than estimating it from the data. Results: We detect correlated evolution among a test set of pairs of yeast (Saccharomyces cerevisiae) genes, with a case study of 21 eukaryotic genomes and test data derived from known yeast protein complexes. If the rate at which genes are gained is constrained to be low, ML achieves by far the best results at detecting known functional links. The model then has fewer parameters but it is more realistic by preventing genes from being gained more than once. Availability: BayesTraits by M. Pagel and A. Meade, and a script to configure and repeatedly launch it by D. Barker and M. Pagel, are available at http://www.evolution.reading.ac.uk .