Modeling short-range ballistic missile defense and Israel's Iron Dome system

This paper develops a model of short-range ballistic missile defense and uses it to study the performance of Israel’s Iron Dome system. The deterministic base model allows for inaccurate missiles, unsuccessful interceptions, and civil defense. Model enhancements consider the trade-offs in attacking the interception system, the difficulties faced by militants in assembling large salvos, and the effects of imperfect missile classification by the defender. A stochastic model is also developed. Analysis shows that system performance can be highly sensitive to the missile salvo size, and that systems with higher interception rates are more “fragile” when overloaded. The model is calibrated using publically available data about Iron Dome’s use during Operation Pillar of Defense in November 2012. If the systems performed as claimed, they saved Israel an estimated 1778 casualties and $80 million in property damage, and thereby made preemptive strikes on Gaza about 8 times less valuable to Israel. Gaza militants could have inflicted far more damage by grouping their rockets into large salvos, but this may have been difficult given Israel’s suppression efforts. Counter-battery fire by the militants is unlikely to be worthwhile unless they can obtain much more accurate missiles.

An Eigenfunction Approach for Volatility Modeling.

In this paper, we introduce a new approach for volatility modeling in discrete and continuous time. We follow the stochastic volatility literature by assuming that the variance is a function of a state variable. However, instead of assuming that the loading function is ad hoc (e.g., exponential or affine), we assume that it is a linear combination of the eigenfunctions of the conditional expectation (resp. infinitesimal generator) operator associated to the state variable in discrete (resp. continuous) time. Special examples are the popular log-normal and square-root models where the eigenfunctions are the Hermite and Laguerre polynomials respectively. The eigenfunction approach has at least six advantages: i) it is general since any square integrable function may be written as a linear combination of the eigenfunctions; ii) the orthogonality of the eigenfunctions leads to the traditional interpretations of the linear principal components analysis; iii) the implied dynamics of the variance and squared return processes are ARMA and, hence, simple for forecasting and inference purposes; (iv) more importantly, this generates fat tails for the variance and returns processes; v) in contrast to popular models, the variance of the variance is a flexible function of the variance; vi) these models are closed under temporal aggregation.

Probe-level linear model fitting and mixture modeling results in high accuracy detection of differential gene expression

Affiliation: Institut de recherche en immunologie et en cancérologie, Université de Montréal

On Complexity of Lobbying in Multiple Referenda

In this paper we show that lobbying in conditions of “direct democracy” is virtually impossible, even in conditions of complete information about voters preferences, since it would require solving a very computationally hard problem. We use the apparatus of parametrized complexity for this purpose.

L’archivage numérique des projets « Europan » comme situation d’analyse scientifique du concours d’idées en architecture

Il existe somme toute peu de théories du projet offrant une modélisation construite à partir de la complexité et de la diversité du projet d’architecture. Pourtant,certaines situations rassemblant parfois plusieurs dizaines de projets s’offrent d’elles-mêmes comme des situations comparatives et expérimentales : les concours d’architecture, d’urbanisme et de paysage. Le Laboratoire d’étude de l’architecture potentielle de l’Université de Montréal (Aménagement), après avoir développé un système d’archivage numérique des concours canadiens, a entrepris, avec le soutien du Groupement d’intérêt public « Europe des projets architecturaux et urbains », de développer la base de données documentaire des concours d’idées Europan. Au-delà des questions d’archivage numérique, se profilent clairement des possibilités de théorisation s’appuyant sur les logiques d’une base de données, en particulier sur la constitution du diagramme entités et relations, modélisation indispensable à sa traduction informatique. Cette recherche entreprend une première mise à jour de ces éléments conceptuels et tend à montrer que la base de données est un véritable modèle théorique du projet ouvrant sur de nouvelles avenues de recherche et de connaissance.

MODELING HETEROTACHY IN PHYLOGENETICS

Il a été démontré que l’hétérotachie, variation du taux de substitutions au cours du temps et entre les sites, est un phénomène fréquent au sein de données réelles. Échouer à modéliser l’hétérotachie peut potentiellement causer des artéfacts phylogénétiques. Actuellement, plusieurs modèles traitent l’hétérotachie : le modèle à mélange des longueurs de branche (MLB) ainsi que diverses formes du modèle covarion. Dans ce projet, notre but est de trouver un modèle qui prenne efficacement en compte les signaux hétérotaches présents dans les données, et ainsi améliorer l’inférence phylogénétique. Pour parvenir à nos fins, deux études ont été réalisées. Dans la première, nous comparons le modèle MLB avec le modèle covarion et le modèle homogène grâce aux test AIC et BIC, ainsi que par validation croisée. A partir de nos résultats, nous pouvons conclure que le modèle MLB n’est pas nécessaire pour les sites dont les longueurs de branche diffèrent sur l’ensemble de l’arbre, car, dans les données réelles, le signaux hétérotaches qui interfèrent avec l’inférence phylogénétique sont généralement concentrés dans une zone limitée de l’arbre. Dans la seconde étude, nous relaxons l’hypothèse que le modèle covarion est homogène entre les sites, et développons un modèle à mélanges basé sur un processus de Dirichlet. Afin d’évaluer différents modèles hétérogènes, nous définissons plusieurs tests de non-conformité par échantillonnage postérieur prédictif pour étudier divers aspects de l’évolution moléculaire à partir de cartographies stochastiques. Ces tests montrent que le modèle à mélanges covarion utilisé avec une loi gamma est capable de refléter adéquatement les variations de substitutions tant à l’intérieur d’un site qu’entre les sites. Notre recherche permet de décrire de façon détaillée l’hétérotachie dans des données réelles et donne des pistes à suivre pour de futurs modèles hétérotaches. Les tests de non conformité par échantillonnage postérieur prédictif fournissent des outils de diagnostic pour évaluer les modèles en détails. De plus, nos deux études révèlent la non spécificité des modèles hétérogènes et, en conséquence, la présence d’interactions entre différents modèles hétérogènes. Nos études suggèrent fortement que les données contiennent différents caractères hétérogènes qui devraient être pris en compte simultanément dans les analyses phylogénétiques.

Artificial neural network modeling of phenol adsorption onto barley husks activated carbon in an airlift reactor.

Tesis (Doctor en Ciencias con Orientación en Procesos Sustentables) UANL, 2013.

Planification et dimensionnement des réseaux optiques de longues distances

Le projet de recherche porte sur l'étude des problèmes de conception et de planification d'un réseau optique de longue distance, aussi appelé réseau de coeur (OWAN-Optical Wide Area Network en anglais). Il s'agit d'un réseau qui transporte des flots agrégés en mode commutation de circuits. Un réseau OWAN relie différents sites à l'aide de fibres optiques connectées par des commutateurs/routeurs optiques et/ou électriques. Un réseau OWAN est maillé à l'échelle d'un pays ou d’un continent et permet le transit des données à très haut débit. Dans une première partie du projet de thèse, nous nous intéressons au problème de conception de réseaux optiques agiles. Le problème d'agilité est motivé par la croissance de la demande en bande passante et par la nature dynamique du trafic. Les équipements déployés par les opérateurs de réseaux doivent disposer d'outils de configuration plus performants et plus flexibles pour gérer au mieux la complexité des connexions entre les clients et tenir compte de la nature évolutive du trafic. Souvent, le problème de conception d'un réseau consiste à prévoir la bande passante nécessaire pour écouler un trafic donné. Ici, nous cherchons en plus à choisir la meilleure configuration nodale ayant un niveau d'agilité capable de garantir une affectation optimale des ressources du réseau. Nous étudierons également deux autres types de problèmes auxquels un opérateur de réseau est confronté. Le premier problème est l'affectation de ressources du réseau. Une fois que l'architecture du réseau en termes d'équipements est choisie, la question qui reste est de savoir : comment dimensionner et optimiser cette architecture pour qu'elle rencontre le meilleur niveau possible d'agilité pour satisfaire toute la demande. La définition de la topologie de routage est un problème d'optimisation complexe. Elle consiste à définir un ensemble de chemins optiques logiques, choisir les routes physiques suivies par ces derniers, ainsi que les longueurs d'onde qu'ils utilisent, de manière à optimiser la qualité de la solution obtenue par rapport à un ensemble de métriques pour mesurer la performance du réseau. De plus, nous devons définir la meilleure stratégie de dimensionnement du réseau de façon à ce qu'elle soit adaptée à la nature dynamique du trafic. Le second problème est celui d'optimiser les coûts d'investissement en capital(CAPEX) et d'opération (OPEX) de l'architecture de transport proposée. Dans le cas du type d'architecture de dimensionnement considérée dans cette thèse, le CAPEX inclut les coûts de routage, d'installation et de mise en service de tous les équipements de type réseau installés aux extrémités des connexions et dans les noeuds intermédiaires. Les coûts d'opération OPEX correspondent à tous les frais liés à l'exploitation du réseau de transport. Étant donné la nature symétrique et le nombre exponentiel de variables dans la plupart des formulations mathématiques développées pour ces types de problèmes, nous avons particulièrement exploré des approches de résolution de type génération de colonnes et algorithme glouton qui s'adaptent bien à la résolution des grands problèmes d'optimisation. Une étude comparative de plusieurs stratégies d'allocation de ressources et d'algorithmes de résolution, sur différents jeux de données et de réseaux de transport de type OWAN démontre que le meilleur coût réseau est obtenu dans deux cas : une stratégie de dimensionnement anticipative combinée avec une méthode de résolution de type génération de colonnes dans les cas où nous autorisons/interdisons le dérangement des connexions déjà établies. Aussi, une bonne répartition de l'utilisation des ressources du réseau est observée avec les scénarios utilisant une stratégie de dimensionnement myope combinée à une approche d'allocation de ressources avec une résolution utilisant les techniques de génération de colonnes. Les résultats obtenus à l'issue de ces travaux ont également démontré que des gains considérables sont possibles pour les coûts d'investissement en capital et d'opération. En effet, une répartition intelligente et hétérogène de ressources d’un réseau sur l'ensemble des noeuds permet de réaliser une réduction substantielle des coûts du réseau par rapport à une solution d'allocation de ressources classique qui adopte une architecture homogène utilisant la même configuration nodale dans tous les noeuds. En effet, nous avons démontré qu'il est possible de réduire le nombre de commutateurs photoniques tout en satisfaisant la demande de trafic et en gardant le coût global d'allocation de ressources de réseau inchangé par rapport à l'architecture classique. Cela implique une réduction substantielle des coûts CAPEX et OPEX. Dans nos expériences de calcul, les résultats démontrent que la réduction de coûts peut atteindre jusqu'à 65% dans certaines jeux de données et de réseau.

Moyens informatiques de restitution en archéologie monumentale : cas du temple de Karnak

L’objectif de notre recherche est l’exploration et l’étude de la question de l’instrumentation informatique des projets de reconstitution archéologiques en architecture monumentale dans le but de proposer de nouveaux moyens. La recherche a pour point de départ une question, à savoir : « Comment, et avec quels moyens informatiques, les projets de reconstitution architecturale pourraient-ils être menés en archéologie? ». Cette question a nécessité, en premier lieu, une étude des différentes approches de restitution qui ont été mises à contribution pour des projets de reconstitution archéologiques, et ceci, à ses différentes phases. Il s’agit de comprendre l’évolution des différentes méthodologies d’approche (épistémologiquement) que les acteurs de ce domaine ont adoptées afin de mettre à contribution les technologies d’information et de communication (TIC) dans le domaine du patrimoine bâti. Cette étude nous a permis de dégager deux principales avenues: une première qui vise exclusivement la « représentation » des résultats des projets et une seconde qui vise la modélisation de ce processus dans le but d’assister l’archéologue dans les différentes phases du projet. Nous démontrons que c’est la deuxième approche qui permet la combinaison et met à la disposition des archéologues une meilleure exploitation des possibilités que l’outil informatique peut et pourra présenter. Cette partie permet de démontrer la nature systémique et complexe de la mise à contribution des TICs dans le domaine de la restitution archéologique. La multitude des acteurs, des conditions techniques, culturelles et autres, des moyens utilisés ainsi que la variété des objectifs envisagés dans les projets de reconstitution archéologiques poussent à explorer une nouvelle approche qui tient compte de cette complexité. Pour atteindre notre objectif de recherche, la poursuite de l’étude de la nature de la démarche archéologique s’impose. Il s’agit de comprendre les liens et les interrelations qui s’établissent entre les différentes unités techniques et intellectuelles en jeu ainsi que les différents modes de réflexions présents dans les projets de reconstitution archéologique du patrimoine bâti. Cette étude met en évidence le rapport direct entre le caractère subjectif de la démarche avec la grande variabilité des approches et des raisonnements mis en œuvre. La recherche est alors exploratoire et propositionnelle pour confronter notamment le caractère systémique et complexe de l’expérience concrète et à travers les publications savantes, les éléments de la réalité connaissable. L’étude des raisonnements archéologiques à travers les publications savantes nous permet de proposer une première typologie de raisonnements étudiés. Chacune de ces typologies reflète une méthodologie d’approche basée sur une organisation d’actions qui peut être consignée dans un ensemble de modules de raisonnements. Cette recherche fait ressortir, des phénomènes et des processus observés, un modèle qui représente les interrelations et les interactions ainsi que les produits spécifiques de ces liaisons complexes. Ce modèle témoigne d’un processus récursif, par essais et erreurs, au cours duquel l’acteur « expérimente » successivement, en fonction des objectifs de l’entreprise et à travers des modules de raisonnements choisis, plusieurs réponses aux questions qui se posent à lui, au titre de la définition du corpus, de la description, de la structuration, de l’interprétation et de la validation des résultats, jusqu’à ce que cette dernière lui paraisse satisfaire aux objectifs de départ. Le modèle établi est validé à travers l’étude de cas du VIIème pylône du temple de Karnak en Égypte. Les résultats obtenus montrent que les modules de raisonnements représentent une solution intéressante pour assister les archéologues dans les projets de reconstitution archéologiques. Ces modules offrent une multiplicité de combinaisons des actions et avantagent ainsi une diversité d’approches et de raisonnements pouvant être mis à contribution pour ces projets tout en maintenant la nature évolutive du système global.

Intra- and inter-hemispheric interactions in somatosensory processing of pain : dynamical causal modeling analysis of fMRI data

La douleur est une expérience perceptive comportant de nombreuses dimensions. Ces dimensions de douleur sont inter-reliées et recrutent des réseaux neuronaux qui traitent les informations correspondantes. L’élucidation de l'architecture fonctionnelle qui supporte les différents aspects perceptifs de l'expérience est donc une étape fondamentale pour notre compréhension du rôle fonctionnel des différentes régions de la matrice cérébrale de la douleur dans les circuits corticaux qui sous tendent l'expérience subjective de la douleur. Parmi les diverses régions du cerveau impliquées dans le traitement de l'information nociceptive, le cortex somatosensoriel primaire et secondaire (S1 et S2) sont les principales régions généralement associées au traitement de l'aspect sensori-discriminatif de la douleur. Toutefois, l'organisation fonctionnelle dans ces régions somato-sensorielles n’est pas complètement claire et relativement peu d'études ont examiné directement l'intégration de l'information entre les régions somatiques sensorielles. Ainsi, plusieurs questions demeurent concernant la relation hiérarchique entre S1 et S2, ainsi que le rôle fonctionnel des connexions inter-hémisphériques des régions somatiques sensorielles homologues. De même, le traitement en série ou en parallèle au sein du système somatosensoriel constitue un autre élément de questionnement qui nécessite un examen plus approfondi. Le but de la présente étude était de tester un certain nombre d'hypothèses sur la causalité dans les interactions fonctionnelle entre S1 et S2, alors que les sujets recevaient des chocs électriques douloureux. Nous avons mis en place une méthode de modélisation de la connectivité, qui utilise une description de causalité de la dynamique du système, afin d'étudier les interactions entre les sites d'activation définie par un ensemble de données provenant d'une étude d'imagerie fonctionnelle. Notre paradigme est constitué de 3 session expérimentales en utilisant des chocs électriques à trois différents niveaux d’intensité, soit modérément douloureux (niveau 3), soit légèrement douloureux (niveau 2), soit complètement non douloureux (niveau 1). Par conséquent, notre paradigme nous a permis d'étudier comment l'intensité du stimulus est codé dans notre réseau d'intérêt, et comment la connectivité des différentes régions est modulée dans les conditions de stimulation différentes. Nos résultats sont en faveur du mode sériel de traitement de l’information somatosensorielle nociceptive avec un apport prédominant de la voie thalamocorticale vers S1 controlatérale au site de stimulation. Nos résultats impliquent que l'information se propage de S1 controlatéral à travers notre réseau d'intérêt composé des cortex S1 bilatéraux et S2. Notre analyse indique que la connexion S1→S2 est renforcée par la douleur, ce qui suggère que S2 est plus élevé dans la hiérarchie du traitement de la douleur que S1, conformément aux conclusions précédentes neurophysiologiques et de magnétoencéphalographie. Enfin, notre analyse fournit des preuves de l'entrée de l'information somatosensorielle dans l'hémisphère controlatéral au côté de stimulation, avec des connexions inter-hémisphériques responsable du transfert de l'information à l'hémisphère ipsilatéral.

Modeling protein evolution using secondary structures

L’évolution des protéines est un domaine important de la recherche en bioinformatique et catalyse l'intérêt de trouver des outils d'alignement qui peuvent être utilisés de manière fiable et modéliser avec précision l'évolution d'une famille de protéines. TM-Align (Zhang and Skolnick, 2005) est considéré comme l'outil idéal pour une telle tâche, en termes de rapidité et de précision. Par conséquent, dans cette étude, TM-Align a été utilisé comme point de référence pour faciliter la détection des autres outils d'alignement qui sont en mesure de préciser l'évolution des protéines. En parallèle, nous avons élargi l'actuel outil d'exploration de structures secondaires de protéines, Helix Explorer (Marrakchi, 2006), afin qu'il puisse également être utilisé comme un outil pour la modélisation de l'évolution des protéines.