Development and application of a multiple linear regression model to consider the impact of weekly waste container capacity on the yield from kerbside recycling programmes

The paper describes the development and application of a multiple linear regression model to identify how the key elements of waste and recycling infrastructure, namely container capacity and frequency of collection affect the yield from municipal kerbside recycling programmes. The overall aim of the research was to gain an understanding of the factors affecting the yield from municipal kerbside recycling programmes in Scotland. The study isolates the principal kerbside collection service offered by 32 councils across Scotland, eliminating those recycling programmes associated with flatted properties or multi occupancies. The results of a regression analysis model has identified three principal factors which explain 80% of the variability in the average yield of the principal dry recyclate services: weekly residual waste capacity, number of materials collected and the weekly recycling capacity. The use of the model has been evaluated and recommendations made on ongoing methodological development and the use of the results in informing the design of kerbside recycling programmes. The authors hope that the research can provide insights for the ongoing development of methods to optimise the design and operation of kerbside recycling programmes.

Modeling continuous self-report measures of perceived emotion using generalized additive mixed models

Emotion research has long been dominated by the “standard method” of displaying posed or acted static images of facial expressions of emotion. While this method has been useful it is unable to investigate the dynamic nature of emotion expression. Although continuous self-report traces have enabled the measurement of dynamic expressions of emotion, a consensus has not been reached on the correct statistical techniques that permit inferences to be made with such measures. We propose Generalized Additive Models and Generalized Additive Mixed Models as techniques that can account for the dynamic nature of such continuous measures. These models allow us to hold constant shared components of responses that are due to perceived emotion across time, while enabling inference concerning linear differences between groups. The mixed model GAMM approach is preferred as it can account for autocorrelation in time series data and allows emotion decoding participants to be modelled as random effects. To increase confidence in linear differences we assess the methods that address interactions between categorical variables and dynamic changes over time. In addition we provide comments on the use of Generalized Additive Models to assess the effect size of shared perceived emotion and discuss sample sizes. Finally we address additional uses, the inference of feature detection, continuous variable interactions, and measurement of ambiguity.

Alkali Activated Fuel Ash and Slag Mixes:Optimization Study from Mortars to Concrete Building Blocks

Alkali activated binders, based on ash and slag, also known as geopolymers, can play a key role in reducing the carbon footprint of the construction sector by replacing ordinary Portland cement in some concretes. Since 1970s, research effort has been ongoing in many research institutions. In this study, pulverized fuel ash (PFA) from a UK power plant, ground granulated blast furnace slag (GGBS) and combinations of the two have been investigated as geopolymer binders for concrete applications. Activators used were sodium hydroxide and sodium silicate solutions. Mortars with sand/binder ratio of 2.75 with several PFA and GGBS combinations have been mixed and tested. The optimization of alkali dosage (defined as the Na2O/binder mass ratio) and modulus (defined as the Na2O/SiO2 mass ratio) resulted in strengths in excess of 70 MPa for tested mortars. Setting time and workability have been considered for the identification of the best combination of PFA/GGBS and alkali activator dosage for different precast concrete products. Geopolymer concrete building blocks have been replicated in laboratory and a real scale factory trial has been successfully carried out. Ongoing microstructural characterization is aiming to identify reaction products arising from PFA/GGBS combinations.

Experimental design and batch experiments for optimization of Cr(VI) removal from aqueous solutions by hydrous cerium oxide nanoparticles

Hydrous cerium oxide (HCO) was synthesized by intercalation of solutions of cerium(III) nitrate and sodium hydroxide and evaluated as an adsorbent for the removal of hexavalent chromium from aqueous solutions. Simple batch experiments and a 2⁵ factorial experimental design were employed to screen the variables affecting Cr(VI) removal efficiency. The effects of the process variables; solution pH, initial Cr(VI) concentration, temperature, adsorbent dose and ionic strength were examined. Using the experimental results, a linear mathematical model representing the influence of the different variables and their interactions was obtained. Analysis of variance (ANOVA) demonstrated that Cr(VI) adsorption significantly increases with decreased solution pH, initial concentration and amount of adsorbent used (dose), but slightly decreased with an increase in temperature and ionic strength. The optimization study indicates 99% as the maximum removal at pH 2, 20 °C, 1.923 mM of metal concentration and a sorbent dose of 4 g/dm³. At these optimal conditions, Langmuir, Freundlich and Redlich–Peterson isotherm models were obtained. The maximum adsorption capacity of Cr(VI) adsorbed by HCO was 0.828 mmol/g, calculated by the Langmuir isotherm model. Desorption of chromium indicated that the HCO adsorbent can be regenerated using NaOH solution 0.1 M (up to 85%). The adsorption interactions between the surface sites of HCO and the Cr(VI) ions were found to be a combined effect of both anion exchange and surface complexation with the formation of an inner-sphere complex.

Approximate credal network updating by linear programming with applications to decision making

Credal nets are probabilistic graphical models which extend Bayesian nets to cope with sets of distributions. An algorithm for approximate credal network updating is presented. The problem in its general formulation is a multilinear optimization task, which can be linearized by an appropriate rule for fixing all the local models apart from those of a single variable. This simple idea can be iterated and quickly leads to accurate inferences. A transformation is also derived to reduce decision making in credal networks based on the maximality criterion to updating. The decision task is proved to have the same complexity of standard inference, being NPPP-complete for general credal nets and NP-complete for polytrees. Similar results are derived for the E-admissibility criterion. Numerical experiments confirm a good performance of the method.

A self-learning teaching-learning based optimization for dynamic economic/environmental dispatch considering multiple plug-in electric vehicle loads

Economic and environmental load dispatch aims to determine the amount of electricity generated from power plants to meet load demand while minimizing fossil fuel costs and air pollution emissions subject to operational and licensing requirements. These two scheduling problems are commonly formulated with non-smooth cost functions respectively considering various effects and constraints, such as the valve point effect, power balance and ramp rate limits. The expected increase in plug-in electric vehicles is likely to see a significant impact on the power system due to high charging power consumption and significant uncertainty in charging times. In this paper, multiple electric vehicle charging profiles are comparatively integrated into a 24-hour load demand in an economic and environment dispatch model. Self-learning teaching-learning based optimization (TLBO) is employed to solve the non-convex non-linear dispatch problems. Numerical results on well-known benchmark functions, as well as test systems with different scales of generation units show the significance of the new scheduling method.

Proportioning variability in the dispensation of hand-mixed dental cements

Objectives: The purpose of this investigation was to determine for dispensed multiples (1 through 4) of powder (P) and liquid (L) in hand-mixed dental cement whether: (1) the mean (P/L) ratio (m/m) and (2) the maximum difference in (P/L) ratio is dependent on the number of multiples dispensed. The Null hypotheses were: (a) mean (P/L) ratio is independent of the number of multiples dispensed and (b) maximum difference in (P/L) ratio is independent of the number of multiples dispensed.
Methods: The materials investigated are listed in the Table. The masses of dispensed aliquots of powder and liquid were measured by a single operator (n=10, for multiples 1 through 4) on a 4-place analytical balance. All measurements were made independently and all possible (P/L) ratios calculated for each sample. The effect of multiple dispensations on (P/L) ratios and maximum (P/L) differences was by one-way ANOVA and linear regression, respectively, with the Tukey post-hoc correction for multiple comparisons.MULTIPLE DISPENSEDDISPENSED MU(x1)(x2)(x3)(x4)Zinc phosphateHeraeus12.271(0.691)a13.051(1.269)b13.215(0.824)b13.118(1.149)bFuji IXGC4.209(0.373)a4.085(0.275)b4.095(0.226)b4.095(0.217)bIRMDentsply7.933(0.767)a7.430(0.451)b7.977(0.729)a8.186(0.929)aKetac-Cem3M Espe9.6206(0.613)a9.714(0.523)a9.298(0.314)b9.321(0.292)bMean (SD) powder/liquid ratio (m/m). Superscript letters represent significances (α = 0.05) within each material
Results: Mean (SD) (P/L) ratios are presented in the Table. Null hypothesis (a) is rejected: either (x1) or (x2) dispensation yields a different (P/L) ratio to (x3) or (x4) (p < 0.05). Null hypothesis (b) is rejected: a negative correlation is observed in max (P/L) ratio difference with dispensed multiple for Ketac Cem (p = 0.029).
Conclusion: For hand-mixed dental cements: (1) more consistent (P/L) ratios may be observed with multiple dispensations of powder & liquid; (2) maximum differences in (P/L) ratio may be negatively correlated with dispensation multiple in some materials.

Investigation of Utilizing Single Surface Depressions in Optimization of NLF Aerofoil Design

An environment has been created for the optimisation of aerofoil profiles with inclusion of small surface features. For TS wave dominated flows, the paper examines the consequences of the addition of a depression on the aerodynamic optimisation of an NLF aerofoil, and describes the geometry definition fidelity and optimisation algorithm employed in the development process. The variables that define the depression for this optimisation investigation have been fixed, however a preliminary study is presented demonstrating the sensitivity of the flow to the depression characteristics. Solutions to the optimisation problem are then presented using both gradient-based and genetic algorithm techniques, and for accurate representation of the inclusion of small surface perturbations it is concluded that a global optimisation method is required for this type of aerofoil optimisation task due to the nature of the response surface generated. When dealing with surface features, changes in the transition onset are likely to be of a non-linear nature so it is highly critical to have an optimisation algorithm that is robust, suggesting that for this framework, gradient-based methods alone are not suited.

Alkali activated fuel ash and slag mixes:optimization study from paste to concrete building blocks

Alkali activated binders, based on ash and slag, also known as geopolymers, can play a key role in reducing the carbon footprint of the construction sector by replacing ordinary Portland cement in some concretes. Since 1970s, research effort has been ongoing in many research institutions. In this study, pulverized fuel ash (pfa) from a UK power plant, ground granulated blast furnace slag (ggbs) and combinations of the two have been investigated as geopolymer binders for concrete applications. Activators used were sodium hydroxide and sodium silicate solutions. Mortars with sand/binder ratio of 2.75 with several pfa and ggbs combinations have been mixed and tested. The optimization of alkali dosage (defined as the Na2O/binder mass ratio) and modulus (defined as the Na2O/SiO2 mass ratio) resulted in strengths in excess of 70 MPa for tested mortars. Setting time and workability have been considered for the identification of the best combination of pfa/ggbs and alkali activator dosage for different precast concrete products. Geopolymer concrete building blocks have been replicated in laboratory and a real scale factory trial has been successfully carried out. Ongoing microstructural characterization is aiming to identify reaction products arising from pfa/ggbs combinations.

Optimization of singlet oxygen production from photosensitizer-incorporated, medically relevant hydrogels

Photodynamic therapy and photodynamic antimicrobial chemotherapy are widely used, but despite this, the relationships between fluence, wavelength of irradiation and singlet oxygen ((1) O2 ) production are poorly understood. To establish the relationships between these factors in medically relevant materials, the effect of fluence on (1) O2 production from a tetrakis(4-N-methylpyridyl)porphyrin (TMPyP)-incorporated 2-hydroxyethyl methacrylate: methyl methacrylate: methacrylic acid (HEMA: MMA:MAA) copolymer, a total energy of 50.48 J/cm(2) , was applied at varying illumination power, and times. (1) O2 production was characterized using anthracene-9,10-dipropionic acid, disodium salt (ADPA) using a recently described method. Using two light sources, a white LED array and a white halogen source, the LED array was found to produce less (1) O2 than the halogen source when the same power (over 500 - 600 nm) and time conditions were applied. Importantly, it showed that the longest wavelength Q band (590 nm) is primarily responsible for (1) O2 generation, and that a linear relationship exists between increasing power and time and the production of singlet oxygen. 

Approximating Credal Network Inferences by Linear Programming

An algorithm for approximate credal network updating is presented. The problem in its general formulation is a multilinear optimization task, which can be linearized by an appropriate rule for fixing all the local models apart from those of a single variable. This simple idea can be iterated and quickly leads to very accurate inferences. The approach can also be specialized to classification with credal networks based on the maximality criterion. A complexity analysis for both the problem and the algorithm is reported together with numerical experiments, which confirm the good performance of the method. While the inner approximation produced by the algorithm gives rise to a classifier which might return a subset of the optimal class set, preliminary empirical results suggest that the accuracy of the optimal class set is seldom affected by the approximate probabilities

Optimal control and numerical optimization applied to epidemiological models

A relação entre a epidemiologia, a modelação matemática e as ferramentas computacionais permite construir e testar teorias sobre o desenvolvimento e combate de uma doença. Esta tese tem como motivação o estudo de modelos epidemiológicos aplicados a doenças infeciosas numa perspetiva de Controlo Ótimo, dando particular relevância ao Dengue. Sendo uma doença tropical e subtropical transmitida por mosquitos, afecta cerca de 100 milhões de pessoas por ano, e é considerada pela Organização Mundial de Saúde como uma grande preocupação para a saúde pública. Os modelos matemáticos desenvolvidos e testados neste trabalho, baseiam-se em equações diferenciais ordinárias que descrevem a dinâmica subjacente à doença nomeadamente a interação entre humanos e mosquitos. É feito um estudo analítico dos mesmos relativamente aos pontos de equilíbrio, sua estabilidade e número básico de reprodução. A propagação do Dengue pode ser atenuada através de medidas de controlo do vetor transmissor, tais como o uso de inseticidas específicos e campanhas educacionais. Como o desenvolvimento de uma potencial vacina tem sido uma aposta mundial recente, são propostos modelos baseados na simulação de um hipotético processo de vacinação numa população. Tendo por base a teoria de Controlo Ótimo, são analisadas as estratégias ótimas para o uso destes controlos e respetivas repercussões na redução/erradicação da doença aquando de um surto na população, considerando uma abordagem bioeconómica. Os problemas formulados são resolvidos numericamente usando métodos diretos e indiretos. Os primeiros discretizam o problema reformulando-o num problema de optimização não linear. Os métodos indiretos usam o Princípio do Máximo de Pontryagin como condição necessária para encontrar a curva ótima para o respetivo controlo. Nestas duas estratégias utilizam-se vários pacotes de software numérico. Ao longo deste trabalho, houve sempre um compromisso entre o realismo dos modelos epidemiológicos e a sua tratabilidade em termos matemáticos.

Development of numerical methodologies for parameter identification and shape optimization in metal forming simulations

Por parte da indústria de estampagem tem-se verificado um interesse crescente em simulações numéricas de processos de conformação de chapa, incluindo também métodos de engenharia inversa. Este facto ocorre principalmente porque as técnicas de tentativa-erro, muito usadas no passado, não são mais competitivas a nível económico. O uso de códigos de simulação é, atualmente, uma prática corrente em ambiente industrial, pois os resultados tipicamente obtidos através de códigos com base no Método dos Elementos Finitos (MEF) são bem aceites pelas comunidades industriais e científicas Na tentativa de obter campos de tensão e de deformação precisos, uma análise eficiente com o MEF necessita de dados de entrada corretos, como geometrias, malhas, leis de comportamento não-lineares, carregamentos, leis de atrito, etc.. Com o objetivo de ultrapassar estas dificuldades podem ser considerados os problemas inversos. No trabalho apresentado, os seguintes problemas inversos, em Mecânica computacional, são apresentados e analisados: (i) problemas de identificação de parâmetros, que se referem à determinação de parâmetros de entrada que serão posteriormente usados em modelos constitutivos nas simulações numéricas e (ii) problemas de definição geométrica inicial de chapas e ferramentas, nos quais o objetivo é determinar a forma inicial de uma chapa ou de uma ferramenta tendo em vista a obtenção de uma determinada geometria após um processo de conformação. São introduzidas e implementadas novas estratégias de otimização, as quais conduzem a parâmetros de modelos constitutivos mais precisos. O objetivo destas estratégias é tirar vantagem das potencialidades de cada algoritmo e melhorar a eficiência geral dos métodos clássicos de otimização, os quais são baseados em processos de apenas um estágio. Algoritmos determinísticos, algoritmos inspirados em processos evolucionários ou mesmo a combinação destes dois são usados nas estratégias propostas. Estratégias de cascata, paralelas e híbridas são apresentadas em detalhe, sendo que as estratégias híbridas consistem na combinação de estratégias em cascata e paralelas. São apresentados e analisados dois métodos distintos para a avaliação da função objetivo em processos de identificação de parâmetros. Os métodos considerados são uma análise com um ponto único ou uma análise com elementos finitos. A avaliação com base num único ponto caracteriza uma quantidade infinitesimal de material sujeito a uma determinada história de deformação. Por outro lado, na análise através de elementos finitos, o modelo constitutivo é implementado e considerado para cada ponto de integração. Problemas inversos são apresentados e descritos, como por exemplo, a definição geométrica de chapas e ferramentas. Considerando o caso da otimização da forma inicial de uma chapa metálica a definição da forma inicial de uma chapa para a conformação de um elemento de cárter é considerado como problema em estudo. Ainda neste âmbito, um estudo sobre a influência da definição geométrica inicial da chapa no processo de otimização é efetuado. Este estudo é realizado considerando a formulação de NURBS na definição da face superior da chapa metálica, face cuja geometria será alterada durante o processo de conformação plástica. No caso dos processos de otimização de ferramentas, um processo de forjamento a dois estágios é apresentado. Com o objetivo de obter um cilindro perfeito após o forjamento, dois métodos distintos são considerados. No primeiro, a forma inicial do cilindro é otimizada e no outro a forma da ferramenta do primeiro estágio de conformação é otimizada. Para parametrizar a superfície livre do cilindro são utilizados diferentes métodos. Para a definição da ferramenta são também utilizados diferentes parametrizações. As estratégias de otimização propostas neste trabalho resolvem eficientemente problemas de otimização para a indústria de conformação metálica.

Design and optimization next generation passive all-optical networks

Este trabalho investiga novas metodologias para as redes óticas de acesso de próxima geração (NG-OAN). O trabalho está dividido em quatro tópicos de investigação: projeto da rede, modelos numéricos para efeitos não lineares da fibra ótica, impacto dos efeitos não lineares da fibra ótica e otimização da rede. A rede ótica de acesso investigada nesse trabalho está projetado para suprir os requisitos de densidade de utilizadores e cobertura, isto é, suportar muitos utilizadores ( 1000) com altas velocidades de conexão dedicada ( 1 Gb/s) ocupando uma faixa estreita do espectro ( 25 nm) e comprimentos de fibra ótica até 100 km. Os cenários são baseados em redes óticas passivas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda de alta densidade (UDWDM-PON) utilizando transmissores/receptores coerentes nos terminais da rede. A rede é avaliada para vários ritmos de transmissão usando formatos de modulação avançados, requisitos de largura de banda por utilizador e partilha de banda com tecnologias tradicionais de redes óticas passivas (PON). Modelos numéricos baseados em funções de transferência das séries de Volterra (VSTF) são demonstrados tanto para a análise dos efeitos não lineares da fibra ótica quanto para avaliação do desempenho total da rede. São apresentadas as faixas de potência e distância de transmissão nas quais as séries de Volterra apresentam resultados semelhantes ao modelo referência Split-Step Fourier (SSF) (validado experimentalmente) para o desempenho total da rede. Além disso, um algoritmo, que evita componentes espectrais com intensidade nulo, é proposto para realizar cálculos rápidos das séries. O modelo VSTF é estendido para identificar unicamente os efeitos não lineares da fibra ótica mais relevantes no cenário investigado: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) e Four-Wave Mixing (FWM). Simulações numéricas são apresentadas para identificar o impacto isolado de cada efeito não linear da fibra ótica, SPM, XPM e FWM, no desempenho da rede com detecção coerente UDWDM-PON, transportando canais com modulação digital em fase (M-ária PSK) ou modulação digital em amplitude (M-ária QAM). A análise numérica é estendida para diferentes comprimentos de fibra ótica mono modo (SSMF), potência por canal e ritmo de transmissão por canal. Por conseguinte, expressões analíticas são extrapoladas para determinar a evolução do SPM, XPM e FWM em função da potência e distância de transmissão em cenários NG-OAN. O desempenho da rede é otimizada através da minimização parcial da interferência FWM (via espaçamento desigual dos canais), que nesse caso, é o efeito não linear da fibra ótica mais relevante. Direções para melhorias adicionas no desempenho da rede são apresentados para cenários em que o XPM é relevante, isto é, redes transportando formatos de modulação QAM. A solução, nesse caso, é baseada na utilização de técnicas de processamento digital do sinal.

Economic optimization of wind farms in function of the cost of energy produced

Esta tese apresenta um estudo sobre otimização económica de parques eólicos, com o objetivo de obter um algoritmo para otimização económica de parques eólicos através do custo da energia produzida. No estudo utilizou-se uma abordagem multidisciplinar. Inicialmente, apresentam-se as principais tecnologias e diferentes arquiteturas utilizadas nos parques eólicos. Bem como esquemas de funcionamento e gestão dos parques. São identificadas variáveis necessárias e apresenta-se um modelo dimensionamento para cálculo dos custos da energia produzida, tendo-se dado ênfase às instalações onshore e ligados a rede elétrica de distribuição. É feita uma análise rigorosa das características das topologias dos aerogeradores disponíveis no mercado, e simula-se o funcionamento de um parque eólico para testar a validade dos modelos desenvolvidos. Também é implementado um algoritmo para a obtenção de uma resposta otimizada para o ciclo de vida económico do parque eólico em estudo. A abordagem proposta envolve algoritmos para otimização do custo de produção com multiplas funções objetivas com base na descrição matemática da produção de eletricidade. Foram desenvolvidos modelos de otimização linear, que estabelece a ligação entre o custo económico e a produção de eletricidade, tendo em conta ainda as emissões de CO2 em instrumentos de política energética para energia eólica. São propostas expressões para o cálculo do custo de energia com variáveis não convencionais, nomeadamente, para a produção variável do parque eólico, fator de funcionamento e coeficiente de eficiência geral do sistema. Para as duas últimas, também é analisado o impacto da distribuição do vento predominante no sistema de conversão de energia eólica. Verifica-se que os resultados obtidos pelos algoritmos propostos são similares às obtidas por demais métodos numéricos já publicados na comunidade científica, e que o algoritmo de otimização económica sofre influência significativa dos valores obtidos dos coeficientes em questão. Finalmente, é demonstrado que o algoritmo proposto (LCOEwso) é útil para o dimensionamento e cálculo dos custos de capital e O&M dos parques eólicos com informação incompleta ou em fase de projeto. Nesse sentido, o contributo desta tese vem ser desenvolver uma ferramenta de apoio à tomada de decisão de um gestor, investidor ou ainda agente público em fomentar a implantação de um parque eólico.