A dynamic sequential route choice model for micro-simulation

Dans les études sur le transport, les modèles de choix de route décrivent la sélection par un utilisateur d’un chemin, depuis son origine jusqu’à sa destination. Plus précisément, il s’agit de trouver dans un réseau composé d’arcs et de sommets la suite d’arcs reliant deux sommets, suivant des critères donnés. Nous considérons dans le présent travail l’application de la programmation dynamique pour représenter le processus de choix, en considérant le choix d’un chemin comme une séquence de choix d’arcs. De plus, nous mettons en œuvre les techniques d’approximation en programmation dynamique afin de représenter la connaissance imparfaite de l’état réseau, en particulier pour les arcs éloignés du point actuel. Plus précisément, à chaque fois qu’un utilisateur atteint une intersection, il considère l’utilité d’un certain nombre d’arcs futurs, puis une estimation est faite pour le restant du chemin jusqu’à la destination. Le modèle de choix de route est implanté dans le cadre d’un modèle de simulation de trafic par événements discrets. Le modèle ainsi construit est testé sur un modèle de réseau routier réel afin d’étudier sa performance.

Contexte de genre, autonomie des femmes et utilisation des services de santé maternelle en milieu rural africain : analyse par modèles d’équations structurelles

La vie des femmes du continent africain et de leurs enfants continue d’être mise en danger lors de chaque accouchement car les risques de décès maternels et infantiles sont encore très élevés. Il est estimé chaque année à environ le quart du million le nombre de décès maternel et de près de quatre millions celui des enfants de moins de cinq ans. La comparaison de la situation sanitaire avec d’autres contextes permet de mieux cerner l’ampleur du problème : en Afrique sub-Saharienne, le risque de décès lié à la grossesse est de l’ordre de 1 pour 31, alors qu’il n’est que de 1 pour 4300 dans les pays industrialisés. Cette situation est évitable et, le plus souvent, résulte de la sous ou non-utilisation des services de santé maternelle, du manque de structures adéquates de soins ou de personnel de santé qualifié. Notre thèse cherche à comprendre la manière dont les inégalités de genre au sein du ménage et dans la communauté renforcent les inégalités quant à l’utilisation des services de santé maternelle, ainsi qu’aux relations empiriques qui lient les différents recours aux soins. Concrètement, elle vise à 1) proposer une mesure des normes de genre favorables à la violence contre les femmes et à analyser son influence sur leur prise de décision au sein du ménage, 2) analyser simultanément l’influence de ces normes et de l’autonomie des femmes sur le recours aux soins prénatals et à l’accouchement assisté et finalement, 3) cerner l’influence des soins prénatals sur le recours à l’accouchement assisté. Chacun de ces objectifs se heurte à un problème méthodologique substantiel, soit de mesure ou de biais de sélection, auxquels l’approche par modèles d’équations structurelles que nous avons adoptée permet de remédier. Les résultats de nos analyses, présentés sous forme d’articles scientifiques, s’appuient sur les données issues des Enquêtes Démographiques et de Santé (EDS) du Ghana, du Kenya, de l’Ouganda et de la Tanzanie et concernent les femmes vivant en milieu rural. Notre premier article propose une mesure des normes de genre et, plus exactement, celles liées à la violence contre les femmes en recourant à l’approche des variables latentes. Les cinq questions des EDS relatives à l’attitude des femmes sur la légitimation de la violence ont permis de saisir cette mesure au niveau contextuel. Les résultats suggèrent d’une part que cette mesure a de bons critères de validité puisque l’Alpha de Cronbach varie de 0.85 pour le Kenya à 0.94 pour le Ghana; les chi-deux sont non significatifs partout; le RMSEA est en dessous de 0.05; le CFI supérieur à 0.96 et les saturations sont pour la plupart supérieures à 0.7 dans tous les pays. D’autre part, à l’aide du modèle d’équations structurelles multiniveaux, nous avons trouvé qu’au-delà de leur propre attitude envers la violence contre les femmes, celles qui vivent dans un milieu où les normes de genres sont plus favorables à la violence ont plus de chances d’être de faible autonomie ou sans autonomie (comparativement à forte autonomie) dans l’ensemble des pays étudiés. Le second article documente l’influence des inégalités de genre, cernées au niveau contextuel par les normes favorables à la violence contre les femmes et au niveau individuel par l’autonomie de prise de décision au sein du ménage, sur la survenue des soins prénatals au cours du premier trimestre et sur les recours à au moins 4 consultations prénatales et à l’accouchement assisté. En utilisant également les modèles d’équations structurelles multiniveaux sur les mêmes données du premier article, nous constatons que chacune de ces variables dépendantes est fortement influencée par la grappe dans laquelle la femme vit. En d’autres mots, son lieu de résidence détermine le comportement de santé maternelle que l’on adopte. De même, en contrôlant pour les autres variables explicatives, nos résultats montrent que les femmes qui vivent dans un milieu où les normes de genre liées à la violence contre les femmes sont élevées ont, en moyenne, une plus grande chance de ne pas accoucher auprès d’un personnel qualifié au Ghana et en Ouganda, de ne pas débuter leurs soins prénatals dans le premier trimestre dans les mêmes pays, et de ne pas recourir à au moins quatre consultations prénatales en Tanzanie. Par contre, cette variable contextuelle n’influence pas significativement le recours aux soins de santé maternelle au Kenya. Enfin, les résultats montrent que les normes de genre favorables à la violence contre les femmes sont plus déterminantes pour comprendre le recours aux soins de santé maternelle dans les pays étudiés que l’autonomie de prise de décision de la femme. Dans le cadre du troisième et dernier article empirique de la thèse, nous nous sommes intéressés à l’importance des soins prénatals dans le processus de recours à l’accouchement assisté et à la place du contenu des soins reçus avant l’accouchement dans cette relation. Cet article met en exergue l’existence de biais d’endogénéité au Kenya et en Tanzanie, où sans sa prise en compte, l’effet des soins prénatals sur le recours à l’accouchement auprès d’un personnel qualifié serait fortement biaisé. De plus, il ressort qu’à l’exception du Ghana et dans une moindre mesure de la Tanzanie, cet effet est totalement médiatisé par le contenu des soins prénatals que les femmes reçoivent. L’article met ainsi en relief le rôle des prestataires de soins qui pour atteindre plus efficacement les populations doivent agir en tant que leaders au sein de leur communauté.

A virtual reality approach to the study of visually driven postural control in developing and aging humans

L'être humain utilise trois systèmes sensoriels distincts pour réguler le maintien de la station debout: la somesthésie, le système vestibulaire, et le système visuel. Le rôle de la vision dans la régulation posturale demeure peu connu, notamment sa variabilité en fonction de l'âge, du type développemental, et des atteintes neurologiques. Dans notre travail, la régulation posturale induite visuellement a été évaluée chez des participants au développement et vieillissement normaux âgés de 5-85 ans, chez des individus autistes (développement atypique) âgés de 12-33 ans, ainsi que chez des enfants entre 9-18 ans ayant subi un TCC léger. À cet effet, la réactivité posturale des participants en réponse à un tunnel virtuel entièrement immersif, se mouvant à trois niveaux de vélocité, a été mesurée; des conditions contrôles, où le tunnel était statique ou absent, ont été incluses. Les résultats montrent que la réactivité (i.e. instabilité) posturale induite visuellement est plus élevée chez les jeunes enfants; ensuite, elle s'atténue pour rejoindre des valeurs adultes vers 16-19 ans et augmente de façon linéaire en fonction de l'âge après 45 ans jusqu'à redevenir élevée vers 60 ans. De plus, à la plus haute vélocité du tunnel, les plus jeunes participants autistes ont manifesté significativement moins de réactivité posturale comparativement à leurs contrôles; cette différence n'était pas présente chez des participants plus âgés (16-33 ans). Enfin, les enfants ayant subi un TCC léger, et qui étaient initialement modérément symptomatiques, ont montré un niveau plus élevé d'instabilité posturale induite visuellement que les contrôles, et ce jusqu'à 12 semaines post-trauma malgré le fait que la majorité d'entre eux (89%) n'étaient plus symptomatiques à ce stade. En somme, cela suggère la présence d'une importante période de transition dans la maturation des systèmes sous-tendant l'intégration sensorimotrice impliquée dans le contrôle postural vers l'âge de 16 ans, et d'autres changements sensorimoteurs vers l'âge de 60 ans; cette sur-dépendance visuelle pour la régulation posturale chez les enfants et les aînés pourrait guider l'aménagement d'espaces et l'élaboration d'activités ajustés à l'âge des individus. De plus, le fait que l'hypo-réactivité posturale aux informations visuelles chez les autistes dépende des caractéristiques de l'environnement visuel et de l'âge chronologique, affine notre compréhension des anomalies sensorielles propres à l'autisme. Par ailleurs, le fait que les enfants ayant subi un TCC léger montrent des anomalies posturales jusqu'à 3 mois post-trauma, malgré une diminution significative des symptômes rapportés, pourrait être relié à une altération du traitement de l'information visuelle dynamique et pourrait avoir des implications quant à la gestion clinique des patients aux prises avec un TCC léger, puisque la résolution des symptômes est actuellement le principal critère utilisé pour la prise de décision quant au retour aux activités. Enfin, les résultats obtenus chez une population à développement atypique (autisme) et une population avec atteinte neurologique dite transitoire (TCC léger), contribuent non seulement à une meilleure compréhension des mécanismes d'intégration sensorimotrice sous-tendant le contrôle postural mais pourraient aussi servir comme marqueurs sensibles et spécifiques de dysfonction chez ces populations. Mots-clés : posture, équilibre, vision, développement/vieillissement sensorimoteur, autisme, TCC léger symptomatique, réalité virtuelle.

Exploration de la dynamique entre les demandes, ressources au travail et la santé psychologique au travail.

Plusieurs interventions visant à améliorer la santé psychologique au travail reposent sur une conceptualisation pathogénique où celle-ci est représentée par une absence d’états psychologiques négatifs (Randall & Nielsen, 2010). Or, elle représenterait à la fois l’absence d’états négatifs de détresse psychologique au travail et la présence d’états positifs de bien-être psychologique au travail (Gilbert, Dagenais-Desmarais, & Savoie, 2011). Ceci suggère qu’afin de maximiser l’impact des interventions, il serait pertinent d’indiquer aux intervenants des leviers pouvant influencer les volets positifs et négatifs de la santé psychologique au travail. Parmi ces leviers, Gilbert (2009) a identifié les demandes et les ressources au travail. Cependant, les modèles théoriques traitant de l’impact de demandes et de ressources sur des états positifs et négatifs tendent à traiter de ces effets de manière indépendante et aucun ne formule de propositions concernant l’impact potentiel de ces leviers sur un état complet et unifié de santé psychologique au travail (e.g., Job Demand-Control(-Support) de Karasek & Theorell, 1990; Job Demands-Resources de Bakker & Demerouti, 2007). En considérant l’aspect interrelié et distinct de la facette positive et négative de la santé psychologique au travail, la présente thèse vise donc à explorer la dynamique entre les demandes, les ressources et un état complet et unifié de santé psychologique au travail. Pour ce faire, un article théorique et un article empirique sont présentés. L’article théorique intègre différentes théories afin d’apporter un éclairage sur l’incidence des demandes et ressources au travail sur un état complet et unifié de santé psychologique au travail, et d’expliquer simultanément l’influence de ces aspects du travail sur les facettes de bien-être et de détresse au travail. Il avance ainsi que, telles que définies par le modèle Job Demand-Resources (Bakker & Demerouti, 2007), les demandes tendraient a davantage représenter des menaces que des défis et auraient alors des effets néfastes sur un état complet de santé psychologique au travail et ses facettes positifs et négatifs. D’autre part, il est suggéré que lorsque les demandes sont élevées, avoir suffisamment de ressources pour se sentir capable de répondre avec succès aux demandes pourrait amener celles-ci à moins représenter des menaces et davantage représenter des défis. Comparativement à une situation où les ressources sont insuffisantes, cette première situation accroîtrait un état complet de santé psychologique au travail, de même que l’intensité de son volet positif, tandis que l’intensité de son volet négatif serait amoindrie. Enfin, il est suggéré que les ressources au travail faciliteraient la satisfaction des besoins psychologiques fondamentaux, ce qui aurait un effet bénéfique sur un état complet de santé psychologique au travail, de même que sur ses facettes. Pour sa part, l’article empirique vise à explorer empiriquement la dynamique entre les demandes, ressources et un état unifié et complet de santé psychologique au travail. Pour ce faire, deux études utilisant des modélisations par équations structurelles sont effectuées. La première utilise un devis transversal et deux échantillons de 302 et 384 enseignants. Elle montre que les demandes et ressources au travail ont une incidence directe respectivement nocive et bénéfique sur la santé psychologique au travail. Cependant, contrairement à ce qui était attendu, les ressources au travail n’auraient pas d’effet modérateur. Ces résultats sont similaires d’un échantillon à l’autre. La seconde étude utilise un devis longitudinal, deux temps de mesure avec une année d’intervalle et un échantillon de 158 enseignants. Suite à une comparaison des relations de causalité normale, inverse et réciproque; elle démontre que la causalité normale serait le type de relation qui expliquerait le mieux les données. Ce constat vient donc renforcer les résultats de l’étude précédente et suggère qu’une diminution des demandes et une augmentation des ressources s’accompagneraient d’une augmentation de la santé psychologique au travail. En explorant théoriquement et empiriquement la dynamique entre les demandes, les ressources et la santé psychologique au travail, la présente thèse offre des bases théoriques novatrices et des bases empiriques solides pour les recherches traitant de demandes et de ressources au travail qui désire étudier un état complet et unifié de santé psychologique au travail, et considérer l’aspect distinct et interdépendant de ses facettes positives et négatives. En pratique, une telle approche permettrait aux décideurs de plus facilement identifier les leviers sur lesquels il importe d’investir pour maximiser la santé psychologique, car cette dernière serait représentée par un critère unique plutôt que plusieurs critères séparés (Mihalopoulos, Carter, Pirkis, & Vos, 2013).

Modeling High-Dimensional Audio Sequences with Recurrent Neural Networks

Cette thèse étudie des modèles de séquences de haute dimension basés sur des réseaux de neurones récurrents (RNN) et leur application à la musique et à la parole. Bien qu'en principe les RNN puissent représenter les dépendances à long terme et la dynamique temporelle complexe propres aux séquences d'intérêt comme la vidéo, l'audio et la langue naturelle, ceux-ci n'ont pas été utilisés à leur plein potentiel depuis leur introduction par Rumelhart et al. (1986a) en raison de la difficulté de les entraîner efficacement par descente de gradient. Récemment, l'application fructueuse de l'optimisation Hessian-free et d'autres techniques d'entraînement avancées ont entraîné la recrudescence de leur utilisation dans plusieurs systèmes de l'état de l'art. Le travail de cette thèse prend part à ce développement. L'idée centrale consiste à exploiter la flexibilité des RNN pour apprendre une description probabiliste de séquences de symboles, c'est-à-dire une information de haut niveau associée aux signaux observés, qui en retour pourra servir d'à priori pour améliorer la précision de la recherche d'information. Par exemple, en modélisant l'évolution de groupes de notes dans la musique polyphonique, d'accords dans une progression harmonique, de phonèmes dans un énoncé oral ou encore de sources individuelles dans un mélange audio, nous pouvons améliorer significativement les méthodes de transcription polyphonique, de reconnaissance d'accords, de reconnaissance de la parole et de séparation de sources audio respectivement. L'application pratique de nos modèles à ces tâches est détaillée dans les quatre derniers articles présentés dans cette thèse. Dans le premier article, nous remplaçons la couche de sortie d'un RNN par des machines de Boltzmann restreintes conditionnelles pour décrire des distributions de sortie multimodales beaucoup plus riches. Dans le deuxième article, nous évaluons et proposons des méthodes avancées pour entraîner les RNN. Dans les quatre derniers articles, nous examinons différentes façons de combiner nos modèles symboliques à des réseaux profonds et à la factorisation matricielle non-négative, notamment par des produits d'experts, des architectures entrée/sortie et des cadres génératifs généralisant les modèles de Markov cachés. Nous proposons et analysons également des méthodes d'inférence efficaces pour ces modèles, telles la recherche vorace chronologique, la recherche en faisceau à haute dimension, la recherche en faisceau élagué et la descente de gradient. Finalement, nous abordons les questions de l'étiquette biaisée, du maître imposant, du lissage temporel, de la régularisation et du pré-entraînement.

Dynamic magnetic resonance spectroscopy of phosphate energetics during muscle exercise and recovery

Entailing of phosphorus exchanges in most bio-chemicals as a key factor in disease, increases researcher’s interest to develop the technologies capable of detecting this metabolite. Phosphorus magnetic resonance spectroscopy is able to detect key metabolites in a non-invasive manner. Particularly, it offers the ability to measure the dynamic rate of phosphocreatine(PCr) degeneration through the exercise and recovery. This metric as a valid indication of mitochondrial oxidative metabolism in muscle, differentiate between normal and pathological state. To do magnetic resonance imaging and spectroscopy, clinical research tools provide a wide variety of anatomical and functional contrasts, however they are typically restricted to the tissues containing water or hydrogen atoms and they are still blind to the biochemicals of other atoms of interests. Through this project we intended to obtain the phosphorus spectrum in human body – specificadenerativelly in muscle – using 31P spectroscopy. To do so a double loop RF surface coil, tuned to phosphorus frequency, is designed and fabricated using bench work facilities and then validated through in vitro spectroscopy using 3 Tesla Siemens scanner. We acquired in vitro as well as in vivo phosphorus spectrum in a 100 mM potassium phosphate phantom and human calf muscle in rest-exercise-recovery phase in a 3T MR scanner. The spectrum demonstrates the main constituent in high-energy phosphate metabolism. We also observed the dynamic variation of PCr for five young healthy subjects who performed planter flexions using resistance band during exercise and recovery. The took steps in this project pave the way for future application of spectroscopic quantification of phosphate metabolism in patients affected by carotid artery disease as well as in age-matched control subjects.

Dynamic and Thermodynamic Structure of the Monsoon Boundary Layer over India

The objective of the study is to examine the dynamic and thermodynamic structure and the variations that occur in the surface layer during the pre-monsoon, onset and post-monsoon periods over the Indian region. The variations caused during the occurrence of micro and mesoscale systems, structure and variation in the marine boundary layer over the Indian region is also investigated. The drag coefficient computed indirectly also shows variation during various seasons. The thermodynamic structure of the atmosphere shows variation during the various seasons. The onset monsoon causes lowering of the Lifting Condensation Levels. The outcome of the study is expected to provide a better understanding of the structure and variations in the boundary layer over India, which is useful for many applications especially for numerical modeling studies.

Financial planning and Control in public sector undertakings in kerala

Today India is seeking a speedy transformation of her semi-stagnant economy to a dynamic one by means of economic planning in a democratic set up. In the context of this growth oriented endeavour public sector has a vital role to play. After three decades of planned development, it has become important that India must make fresh appraisals on the role of public sector in the economic renaissance of the country. Almost no comprehensive study has been made on this vital segment of the economy vis-a-vis the growth economics. This study is an attempt to fill this need in a very modest way. It presents the subject in a new perspective. An earnest attempt is made to reveal the critical problems inhibiting the growth of the public sector from a new angle which focusses the spot-light on the economics of development.

Socio economic factors influencing the persistence and control of filariasis in Kerala-A case study of malayan filariasis in Cherthala

In general the behavioural sciences have contributed very little to filariasis research.Man's actions in creating vector breeding sites have been noted and discussed frequently inthe frlariasis literature. but virtually no systematic studies of these fonns of behavior have been undertaken (Dunn. 1979). Human behavioural observations and inquires into values and attitudes atfecting behavior that inhibits or promotes vector breeding are essential if any progress is to be made in developing self help programmes of vector control. Therefore, a systematic study on the socio-economic aspect of the community is warranted before undertaking any control programme against filariasis. In view of this the present study has been carried out which reveals the knowledge, attitude and practice concerning the causation, transmission, treatment and control of the disease. Socio economic factors that influence the creation and maintenance of vector breeding habitats were identified. characterization and ranking of these sociological factors will be helpful in identifying the determinants of human behavioural changes towards the containment of the disease- Information on the existing indigenous perception of the disease and the factors that hinder the control will be useful in developing a sound strategy from the human angle, which can be put to practical use.

A semi-automatic method for segmentation and 3D modeling of glioma tumors from brain MRI

This work presents an efficient method for volume rendering of glioma tumors from segmented 2D MRI Datasets with user interactive control, by replacing manual segmentation required in the state of art methods. The most common primary brain tumors are gliomas, evolving from the cerebral supportive cells. For clinical follow-up, the evaluation of the pre- operative tumor volume is essential. Tumor portions were automatically segmented from 2D MR images using morphological filtering techniques. These seg- mented tumor slices were propagated and modeled with the software package. The 3D modeled tumor consists of gray level values of the original image with exact tumor boundary. Axial slices of FLAIR and T2 weighted images were used for extracting tumors. Volumetric assessment of tumor volume with manual segmentation of its outlines is a time-consuming proc- ess and is prone to error. These defects are overcome in this method. Authors verified the performance of our method on several sets of MRI scans. The 3D modeling was also done using segmented 2D slices with the help of a medical software package called 3D DOCTOR for verification purposes. The results were validated with the ground truth models by the Radi- ologist.

A New Fast Fractal Modeling Approach for the Detection of Microcalcifications in Mammograms

In this paper, a novel fast method for modeling mammograms by deterministic fractal coding approach to detect the presence of microcalcifications, which are early signs of breast cancer, is presented. The modeled mammogram obtained using fractal encoding method is visually similar to the original image containing microcalcifications, and therefore, when it is taken out from the original mammogram, the presence of microcalcifications can be enhanced. The limitation of fractal image modeling is the tremendous time required for encoding. In the present work, instead of searching for a matching domain in the entire domain pool of the image, three methods based on mean and variance, dynamic range of the image blocks, and mass center features are used. This reduced the encoding time by a factor of 3, 89, and 13, respectively, in the three methods with respect to the conventional fractal image coding method with quad tree partitioning. The mammograms obtained from The Mammographic Image Analysis Society database (ground truth available) gave a total detection score of 87.6%, 87.6%, 90.5%, and 87.6%, for the conventional and the proposed three methods, respectively.

A Modeling Analysis of Changing Global Land Use as affected by Changing Demands for Wood Products

The 21st century has brought new challenges for forest management at a time when globalization in world trade is increasing and global climate change is becoming increasingly apparent. In addition to various goods and services like food, feed, timber or biofuels being provided to humans, forest ecosystems are a large store of terrestrial carbon and account for a major part of the carbon exchange between the atmosphere and the land surface. Depending on the stage of the ecosystems and/or management regimes, forests can be either sinks, or sources of carbon. At the global scale, rapid economic development and a growing world population have raised much concern over the use of natural resources, especially forest resources. The challenging question is how can the global demands for forest commodities be satisfied in an increasingly globalised economy, and where could they potentially be produced? For this purpose, wood demand estimates need to be integrated in a framework, which is able to adequately handle the competition for land between major land-use options such as residential land or agricultural land. This thesis is organised in accordance with the requirements to integrate the simulation of forest changes based on wood extraction in an existing framework for global land-use modelling called LandSHIFT. Accordingly, the following neuralgic points for research have been identified: (1) a review of existing global-scale economic forest sector models (2) simulation of global wood production under selected scenarios (3) simulation of global vegetation carbon yields and (4) the implementation of a land-use allocation procedure to simulate the impact of wood extraction on forest land-cover. Modelling the spatial dynamics of forests on the global scale requires two important inputs: (1) simulated long-term wood demand data to determine future roundwood harvests in each country and (2) the changes in the spatial distribution of woody biomass stocks to determine how much of the resource is available to satisfy the simulated wood demands. First, three global timber market models are reviewed and compared in order to select a suitable economic model to generate wood demand scenario data for the forest sector in LandSHIFT. The comparison indicates that the ‘Global Forest Products Model’ (GFPM) is most suitable for obtaining projections on future roundwood harvests for further study with the LandSHIFT forest sector. Accordingly, the GFPM is adapted and applied to simulate wood demands for the global forestry sector conditional on selected scenarios from the Millennium Ecosystem Assessment and the Global Environmental Outlook until 2050. Secondly, the Lund-Potsdam-Jena (LPJ) dynamic global vegetation model is utilized to simulate the change in potential vegetation carbon stocks for the forested locations in LandSHIFT. The LPJ data is used in collaboration with spatially explicit forest inventory data on aboveground biomass to allocate the demands for raw forest products and identify locations of deforestation. Using the previous results as an input, a methodology to simulate the spatial dynamics of forests based on wood extraction is developed within the LandSHIFT framework. The land-use allocation procedure specified in the module translates the country level demands for forest products into woody biomass requirements for forest areas, and allocates these on a five arc minute grid. In a first version, the model assumes only actual conditions through the entire study period and does not explicitly address forest age structure. Although the module is in a very preliminary stage of development, it already captures the effects of important drivers of land-use change like cropland and urban expansion. As a first plausibility test, the module performance is tested under three forest management scenarios. The module succeeds in responding to changing inputs in an expected and consistent manner. The entire methodology is applied in an exemplary scenario analysis for India. A couple of future research priorities need to be addressed, particularly the incorporation of plantation establishments; issue of age structure dynamics; as well as the implementation of a new technology change factor in the GFPM which can allow the specification of substituting raw wood products (especially fuelwood) by other non-wood products.

Modeling the interplay between land use, bioenergy production and climate change

Land use has become a force of global importance, considering that 34% of the Earth’s ice-free surface was covered by croplands or pastures in 2000. The expected increase in global human population together with eminent climate change and associated search for energy sources other than fossil fuels can, through land-use and land-cover changes (LUCC), increase the pressure on nature’s resources, further degrade ecosystem services, and disrupt other planetary systems of key importance to humanity. This thesis presents four modeling studies on the interplay between LUCC, increased production of biofuels and climate change in four selected world regions. In the first study case two new crop types (sugarcane and jatropha) are parameterized in the LPJ for managed Lands dynamic global vegetation model for calculation of their potential productivity. Country-wide spatial variation in the yields of sugarcane and jatropha incurs into substantially different land requirements to meet the biofuel production targets for 2015 in Brazil and India, depending on the location of plantations. Particularly the average land requirements for jatropha in India are considerably higher than previously estimated. These findings indicate that crop zoning is important to avoid excessive LUCC. In the second study case the LandSHIFT model of land-use and land-cover changes is combined with life cycle assessments to investigate the occurrence and extent of biofuel-driven indirect land-use changes (ILUC) in Brazil by 2020. The results show that Brazilian biofuels can indeed cause considerable ILUC, especially by pushing the rangeland frontier into the Amazonian forests. The carbon debt caused by such ILUC would result in no carbon savings (from using plant-based ethanol and biodiesel instead of fossil fuels) before 44 years for sugarcane ethanol and 246 years for soybean biodiesel. The intensification of livestock grazing could avoid such ILUC. We argue that such an intensification of livestock should be supported by the Brazilian biofuel sector, based on the sector’s own interest in minimizing carbon emissions. In the third study there is the development of a new method for crop allocation in LandSHIFT, as influenced by the occurrence and capacity of specific infrastructure units. The method is exemplarily applied in a first assessment of the potential availability of land for biogas production in Germany. The results indicate that Germany has enough land to fulfill virtually all (90 to 98%) its current biogas plant capacity with only cultivated feedstocks. Biogas plants located in South and Southwestern (North and Northeastern) Germany might face more (less) difficulties to fulfill their capacities with cultivated feedstocks, considering that feedstock transport distance to plants is a crucial issue for biogas production. In the fourth study an adapted version of LandSHIFT is used to assess the impacts of contrasting scenarios of climate change and conservation targets on land use in the Brazilian Amazon. Model results show that severe climate change in some regions by 2050 can shift the deforestation frontier to areas that would experience low levels of human intervention under mild climate change (such as the western Amazon forests or parts of the Cerrado savannas). Halting deforestation of the Amazon and of the Brazilian Cerrado would require either a reduction in the production of meat or an intensification of livestock grazing in the region. Such findings point out the need for an integrated/multicisciplinary plan for adaptation to climate change in the Amazon. The overall conclusions of this thesis are that (i) biofuels must be analyzed and planned carefully in order to effectively reduce carbon emissions; (ii) climate change can have considerable impacts on the location and extent of LUCC; and (iii) intensification of grazing livestock represents a promising venue for minimizing the impacts of future land-use and land-cover changes in Brazil.

Verfahren zur echtzeitfähigen Simulation dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Schadstoffe von Ottomotoren

Im Rahmen dieser Arbeit werden Modellbildungsverfahren zur echtzeitfähigen Simulation wichtiger Schadstoffkomponenten im Abgasstrom von Verbrennungsmotoren vorgestellt. Es wird ein ganzheitlicher Entwicklungsablauf dargestellt, dessen einzelne Schritte, beginnend bei der Ver-suchsplanung über die Erstellung einer geeigneten Modellstruktur bis hin zur Modellvalidierung, detailliert beschrieben werden. Diese Methoden werden zur Nachbildung der dynamischen Emissi-onsverläufe relevanter Schadstoffe des Ottomotors angewendet. Die abgeleiteten Emissionsmodelle dienen zusammen mit einer Gesamtmotorsimulation zur Optimierung von Betriebstrategien in Hybridfahrzeugen. Im ersten Abschnitt der Arbeit wird eine systematische Vorgehensweise zur Planung und Erstellung von komplexen, dynamischen und echtzeitfähigen Modellstrukturen aufgezeigt. Es beginnt mit einer physikalisch motivierten Strukturierung, die eine geeignete Unterteilung eines Prozessmodells in einzelne überschaubare Elemente vorsieht. Diese Teilmodelle werden dann, jeweils ausgehend von einem möglichst einfachen nominalen Modellkern, schrittweise erweitert und ermöglichen zum Abschluss eine robuste Nachbildung auch komplexen, dynamischen Verhaltens bei hinreichender Genauigkeit. Da einige Teilmodelle als neuronale Netze realisiert werden, wurde eigens ein Verfah-ren zur sogenannten diskreten evidenten Interpolation (DEI) entwickelt, das beim Training einge-setzt, und bei minimaler Messdatenanzahl ein plausibles, also evidentes Verhalten experimenteller Modelle sicherstellen kann. Zum Abgleich der einzelnen Teilmodelle wurden statistische Versuchs-pläne erstellt, die sowohl mit klassischen DoE-Methoden als auch mittels einer iterativen Versuchs-planung (iDoE ) generiert wurden. Im zweiten Teil der Arbeit werden, nach Ermittlung der wichtigsten Einflussparameter, die Model-strukturen zur Nachbildung dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Abgaskomponenten vor-gestellt, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Stickstoffmonoxid (NO) sowie Kohlenmono-xid (CO). Die vorgestellten Simulationsmodelle bilden die Schadstoffkonzentrationen eines Ver-brennungsmotors im Kaltstart sowie in der anschließenden Warmlaufphase in Echtzeit nach. Im Vergleich zur obligatorischen Nachbildung des stationären Verhaltens wird hier auch das dynami-sche Verhalten des Verbrennungsmotors in transienten Betriebsphasen ausreichend korrekt darge-stellt. Eine konsequente Anwendung der im ersten Teil der Arbeit vorgestellten Methodik erlaubt, trotz einer Vielzahl von Prozesseinflussgrößen, auch hier eine hohe Simulationsqualität und Ro-bustheit. Die Modelle der Schadstoffemissionen, eingebettet in das dynamische Gesamtmodell eines Ver-brennungsmotors, werden zur Ableitung einer optimalen Betriebsstrategie im Hybridfahrzeug ein-gesetzt. Zur Lösung solcher Optimierungsaufgaben bieten sich modellbasierte Verfahren in beson-derer Weise an, wobei insbesondere unter Verwendung dynamischer als auch kaltstartfähiger Mo-delle und der damit verbundenen Realitätsnähe eine hohe Ausgabequalität erreicht werden kann.

Large-Size AlGaN/GaN HEMT Large-Signal Electrothermal Characterization and Modeling for Wireless Digital Communications

The rapid growth in high data rate communication systems has introduced new high spectral efficient modulation techniques and standards such as LTE-A (long term evolution-advanced) for 4G (4th generation) systems. These techniques have provided a broader bandwidth but introduced high peak-to-average power ratio (PAR) problem at the high power amplifier (HPA) level of the communication system base transceiver station (BTS). To avoid spectral spreading due to high PAR, stringent requirement on linearity is needed which brings the HPA to operate at large back-off power at the expense of power efficiency. Consequently, high power devices are fundamental in HPAs for high linearity and efficiency. Recent development in wide bandgap power devices, in particular AlGaN/GaN HEMT, has offered higher power level with superior linearity-efficiency trade-off in microwaves communication. For cost-effective HPA design to production cycle, rigorous computer aided design (CAD) AlGaN/GaN HEMT models are essential to reflect real response with increasing power level and channel temperature. Therefore, large-size AlGaN/GaN HEMT large-signal electrothermal modeling procedure is proposed. The HEMT structure analysis, characterization, data processing, model extraction and model implementation phases have been covered in this thesis including trapping and self-heating dispersion accounting for nonlinear drain current collapse. The small-signal model is extracted using the 22-element modeling procedure developed in our department. The intrinsic large-signal model is deeply investigated in conjunction with linearity prediction. The accuracy of the nonlinear drain current has been enhanced through several issues such as trapping and self-heating characterization. Also, the HEMT structure thermal profile has been investigated and corresponding thermal resistance has been extracted through thermal simulation and chuck-controlled temperature pulsed I(V) and static DC measurements. Higher-order equivalent thermal model is extracted and implemented in the HEMT large-signal model to accurately estimate instantaneous channel temperature. Moreover, trapping and self-heating transients has been characterized through transient measurements. The obtained time constants are represented by equivalent sub-circuits and integrated in the nonlinear drain current implementation to account for complex communication signals dynamic prediction. The obtained verification of this table-based large-size large-signal electrothermal model implementation has illustrated high accuracy in terms of output power, gain, efficiency and nonlinearity prediction with respect to standard large-signal test signals.