Inférence robuste à la présence des valeurs aberrantes dans les enquêtes

Cette thèse comporte trois articles dont un est publié et deux en préparation. Le sujet central de la thèse porte sur le traitement des valeurs aberrantes représentatives dans deux aspects importants des enquêtes que sont : l’estimation des petits domaines et l’imputation en présence de non-réponse partielle. En ce qui concerne les petits domaines, les estimateurs robustes dans le cadre des modèles au niveau des unités ont été étudiés. Sinha & Rao (2009) proposent une version robuste du meilleur prédicteur linéaire sans biais empirique pour la moyenne des petits domaines. Leur estimateur robuste est de type «plugin», et à la lumière des travaux de Chambers (1986), cet estimateur peut être biaisé dans certaines situations. Chambers et al. (2014) proposent un estimateur corrigé du biais. En outre, un estimateur de l’erreur quadratique moyenne a été associé à ces estimateurs ponctuels. Sinha & Rao (2009) proposent une procédure bootstrap paramétrique pour estimer l’erreur quadratique moyenne. Des méthodes analytiques sont proposées dans Chambers et al. (2014). Cependant, leur validité théorique n’a pas été établie et leurs performances empiriques ne sont pas pleinement satisfaisantes. Ici, nous examinons deux nouvelles approches pour obtenir une version robuste du meilleur prédicteur linéaire sans biais empirique : la première est fondée sur les travaux de Chambers (1986), et la deuxième est basée sur le concept de biais conditionnel comme mesure de l’influence d’une unité de la population. Ces deux classes d’estimateurs robustes des petits domaines incluent également un terme de correction pour le biais. Cependant, ils utilisent tous les deux l’information disponible dans tous les domaines contrairement à celui de Chambers et al. (2014) qui utilise uniquement l’information disponible dans le domaine d’intérêt. Dans certaines situations, un biais non négligeable est possible pour l’estimateur de Sinha & Rao (2009), alors que les estimateurs proposés exhibent un faible biais pour un choix approprié de la fonction d’influence et de la constante de robustesse. Les simulations Monte Carlo sont effectuées, et les comparaisons sont faites entre les estimateurs proposés et ceux de Sinha & Rao (2009) et de Chambers et al. (2014). Les résultats montrent que les estimateurs de Sinha & Rao (2009) et de Chambers et al. (2014) peuvent avoir un biais important, alors que les estimateurs proposés ont une meilleure performance en termes de biais et d’erreur quadratique moyenne. En outre, nous proposons une nouvelle procédure bootstrap pour l’estimation de l’erreur quadratique moyenne des estimateurs robustes des petits domaines. Contrairement aux procédures existantes, nous montrons formellement la validité asymptotique de la méthode bootstrap proposée. Par ailleurs, la méthode proposée est semi-paramétrique, c’est-à-dire, elle n’est pas assujettie à une hypothèse sur les distributions des erreurs ou des effets aléatoires. Ainsi, elle est particulièrement attrayante et plus largement applicable. Nous examinons les performances de notre procédure bootstrap avec les simulations Monte Carlo. Les résultats montrent que notre procédure performe bien et surtout performe mieux que tous les compétiteurs étudiés. Une application de la méthode proposée est illustrée en analysant les données réelles contenant des valeurs aberrantes de Battese, Harter & Fuller (1988). S’agissant de l’imputation en présence de non-réponse partielle, certaines formes d’imputation simple ont été étudiées. L’imputation par la régression déterministe entre les classes, qui inclut l’imputation par le ratio et l’imputation par la moyenne sont souvent utilisées dans les enquêtes. Ces méthodes d’imputation peuvent conduire à des estimateurs imputés biaisés si le modèle d’imputation ou le modèle de non-réponse n’est pas correctement spécifié. Des estimateurs doublement robustes ont été développés dans les années récentes. Ces estimateurs sont sans biais si l’un au moins des modèles d’imputation ou de non-réponse est bien spécifié. Cependant, en présence des valeurs aberrantes, les estimateurs imputés doublement robustes peuvent être très instables. En utilisant le concept de biais conditionnel, nous proposons une version robuste aux valeurs aberrantes de l’estimateur doublement robuste. Les résultats des études par simulations montrent que l’estimateur proposé performe bien pour un choix approprié de la constante de robustesse.

Entropy change and magnetocaloric effect in Gd5(SixGe1-x)4

Isothermal magnetization curves up to 23 T have been measured in Gd5Si1.8Ge2.2. We show that the values of the entropy change at the first-order magnetostructural transition, obtained from the Clausius-Clapeyron equation and the Maxwell relation, are coincident, provided the Maxwell relation is evaluated only within the transition region and the maximum applied field is high enough to complete the transition. These values are also in agreement with the entropy change obtained from differential scanning calorimetry. We also show that a simple phenomenological model based on the temperature and field dependence of the magnetization accounts for these results.

Dayglow Emissions on Mars and Venus

An attempt has been made in this thesis to model some of the emissions observed by SPICAM and SPICAV on Mars and Venus, respectively, viz., CO Cameron band, CO+ 2 ultraviolet doublet, N2 triplet bands, atomic oxygen green (5577 A), red doublet (6300, 6364 A), and ultraviolet (2972 A) emissions. One of major sources of these emissions is photoelectron impact ionization/excitation. In this thesis, an electron degradation model based on Monte Carlo technique has been developed to calculate the production/excitation rates of above mentioned emissions due to electron impact. The limb brightness pro les of emissions are calculated and compared with the observations wherever available. The e ect of various model input parameters on dayglow emissions intensities is also evaluated

Hypernuclear structure with the new Nijmegen potentials

Information on level density for nuclei with mass numbers A?20250 is deduced from discrete low-lying levels and neutron resonance data. The odd-mass nuclei exhibit in general 47 times the level density found for their neighboring even-even nuclei at the same excitation energy. This excess corresponds to an entropy of ?1.7kB for the odd particle. The value is approximately constant for all midshell nuclei and for all ground state spins. For these nuclei it is argued that the entropy scales with the number of particles not coupled in Cooper pairs. A simple model based on the canonical ensemble theory accounts qualitatively for the observed properties.

Evidence for polaron conduction in nanostructured manganese ferrite

Nanoparticles of manganese ferrite were prepared by the chemical co-precipitation technique. The dielectric parameters, namely, real and imaginary dielectric permittivity (ε and ε ), ac conductivity (σac) and dielectric loss tangent (tan δ), were measured in the frequency range of 100 kHz–8MHz at different temperatures. The variations of dielectric dispersion (ε ) and dielectric absorption (ε ) with frequency and temperature were also investigated. The variation of dielectric permittivity with frequency and temperature followed the Maxwell–Wagner model based on interfacial polarization in consonance with Koops phenomenological theory. The dielectric loss tangent and hence ε exhibited a relaxation at certain frequencies and at relatively higher temperatures. The dispersion of dielectric permittivity and broadening of the dielectric absorption suggest the possibility of a distribution of relaxation time and the existence of multiple equilibrium states in manganese ferrite. The activation energy estimated from the dielectric relaxation is found to be high and is characteristic of polaron conduction in the nanosized manganese ferrite. The ac conductivity followed a power law dependence σac = Bωn typical of charge transport assisted by a hopping or tunnelling process. The observed minimum in the temperature dependence of the frequency exponent n strongly suggests that tunnelling of the large polarons is the dominant transport process

A Study of Single Stage Semi‐Dry Anaerobic Digestion of Organic Fraction of Municipal Solid Waste

Solid waste generation is a natural consequence of human activity and is increasing along with population growth, urbanization and industrialization. Improper disposal of the huge amount of solid waste seriously affects the environment and contributes to climate change by the release of greenhouse gases. Practicing anaerobic digestion (AD) for the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) can reduce emissions to environment and thereby alleviate the environmental problems together with production of biogas, an energy source, and digestate, a soil amendment. The amenability of substrate for biogasification varies from substrate to substrate and different environmental and operating conditions such as pH, temperature, type and quality of substrate, mixing, retention time etc. Therefore, the purpose of this research work is to develop feasible semi-dry anaerobic digestion process for the treatment of OFMSW from Kerala, India for potential energy recovery and sustainable waste management. This study was carried out in three phases in order to reach the research purpose. In the first phase, batch study of anaerobic digestion of OFMSW was carried out for 100 days at 32°C (mesophilic digestion) for varying substrate concentrations. The aim of this study was to obtain the optimal conditions for biogas production using response surface methodology (RSM). The parameters studied were initial pH, substrate concentration and total organic carbon (TOC). The experimental results showed that the linear model terms of initial pH and substrate concentration and the quadratic model terms of the substrate concentration and TOC had significant individual effect (p < 0.05) on biogas yield. However, there was no interactive effect between these variables (p > 0.05). The optimum conditions for maximizing the biogas yield were a substrate concentration of 99 g/l, an initial pH of 6.5 and TOC of 20.32 g/l. AD of OFMSW with optimized substrate concentration of 99 g/l [Total Solid (TS)-10.5%] is a semi-dry digestion system .Under the optimized condition, the maximum biogas yield was 53.4 L/kg VS (volatile solid).. In the second phase, semi-dry anaerobic digestion of organic solid wastes was conducted for 45 days in a lab-scale batch experiment for substrate concentration of 100 g/l (TS-11.2%) for investigating the start-up performances under thermophilic condition (50°C). The performance of the reactor was evaluated by measuring the daily biogas production and calculating the degradation of total solids and the total volatile solids. The biogas yield at the end of the digestion was 52.9 L/kg VS for the substrate concentration of 100 g/l. About 66.7% of volatile solid degradation was obtained during the digestion. A first order model based on the availability of substrate as the limiting factor was used to perform the kinetic studies of batch anaerobic digestion system. The value of reaction rate constant, k, obtained was 0.0249 day-1. A laboratory bench scale reactor with a capacity of 36.8 litres was designed and fabricated to carry out the continuous anaerobic digestion of OFMSW in the third phase. The purpose of this study was to evaluate the performance of the digester at total solid concentration of 12% (semi-dry) under mesophlic condition (32°C). The digester was operated with different organic loading rates (OLRs) and constant retention time. The performance of the reactor was evaluated using parameters such as pH, volatile fatty acid (VFA), alkalinity, chemical oxygen demand (COD), TOC and ammonia-N as well as biogas yield. During the reactor’s start-up period, the process is stable and there is no inhibition occurred and the average biogas production was 14.7 L/day. The reactor was fed in continuous mode with different OLRs (3.1,4.2 and 5.65 kg VS/m3/d) at constant retention time of 30 days. The highest volatile solid degradation of 65.9%, with specific biogas production of 368 L/kg VS fed was achieved with OLR of 3.1 kg VS/m3/d. Modelling and simulation of anaerobic digestion of OFMSW in continuous operation is done using adapted Anaerobic Digestion Model No 1 (ADM1).The proposed model, which has 34 dynamic state variables, considers both biochemical and physicochemical processes and contains several inhibition factors including three gas components. The number of processes considered is 28. The model is implemented in Matlab® version 7.11.0.584(R2010b). The model based on adapted ADM1 was tested to simulate the behaviour of a bioreactor for the mesophilic anaerobic digestion of OFMSW at OLR of 3.1 kg VS/m3/d. ADM1 showed acceptable simulating results.

Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Dispersion von Dichteströmungen in einem stochastischen Modellaquifer

Es ist bekannt, dass die Dichte eines gelösten Stoffes die Richtung und die Stärke seiner Bewegung im Untergrund entscheidend bestimmen kann. Eine Vielzahl von Untersuchungen hat gezeigt, dass die Verteilung der Durchlässigkeiten eines porösen Mediums diese Dichteffekte verstärken oder abmindern kann. Wie sich dieser gekoppelte Effekt auf die Vermischung zweier Fluide auswirkt, wurde in dieser Arbeit untersucht und dabei das experimentelle sowohl mit dem numerischen als auch mit dem analytischen Modell gekoppelt. Die auf der Störungstheorie basierende stochastische Theorie der macrodispersion wurde in dieser Arbeit für den Fall der transversalen Makodispersion. Für den Fall einer stabilen Schichtung wurde in einem Modelltank (10m x 1.2m x 0.1m) der Universität Kassel eine Serie sorgfältig kontrollierter zweidimensionaler Experimente an einem stochastisch heterogenen Modellaquifer durchgeführt. Es wurden Versuchsreihen mit variierenden Konzentrationsdifferenzen (250 ppm bis 100 000 ppm) und Strömungsgeschwindigkeiten (u = 1 m/ d bis 8 m/d) an drei verschieden anisotrop gepackten porösen Medien mit variierender Varianzen und Korrelationen der lognormal verteilten Permeabilitäten durchgeführt. Die stationäre räumliche Konzentrationsausbreitung der sich ausbreitenden Salzwasserfahne wurde anhand der Leitfähigkeit gemessen und aus der Höhendifferenz des 84- und 16-prozentigen relativen Konzentrationsdurchgang die Dispersion berechnet. Parallel dazu wurde ein numerisches Modell mit dem dichteabhängigen Finite-Elemente-Strömungs- und Transport-Programm SUTRA aufgestellt. Mit dem kalibrierten numerischen Modell wurden Prognosen für mögliche Transportszenarien, Sensitivitätsanalysen und stochastische Simulationen nach der Monte-Carlo-Methode durchgeführt. Die Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgte - sowohl im experimentellen als auch im numerischen Modell - über konstante Druckränder an den Ein- und Auslauftanks. Dabei zeigte sich eine starke Sensitivität der räumlichen Konzentrationsausbreitung hinsichtlich lokaler Druckvariationen. Die Untersuchungen ergaben, dass sich die Konzentrationsfahne mit steigendem Abstand von der Einströmkante wellenförmig einem effektiven Wert annähert, aus dem die Makrodispersivität ermittelt werden kann. Dabei zeigten sich sichtbare nichtergodische Effekte, d.h. starke Abweichungen in den zweiten räumlichen Momenten der Konzentrationsverteilung der deterministischen Experimente von den Erwartungswerten aus der stochastischen Theorie. Die transversale Makrodispersivität stieg proportional zur Varianz und Korrelation der lognormalen Permeabilitätsverteilung und umgekehrt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und Dichtedifferenz zweier Fluide. Aus dem von Welty et al. [2003] mittels Störungstheorie entwickelten dichteabhängigen Makrodispersionstensor konnte in dieser Arbeit die stochastische Formel für die transversale Makrodispersion weiter entwickelt und - sowohl experimentell als auch numerisch - verifiziert werden.

Neuartige Verfahren für die Überwachung und Diagnose von aktiv magnetgelagerten rotierenden Maschinen

Mit aktiven Magnetlagern ist es möglich, rotierende Körper durch magnetische Felder berührungsfrei zu lagern. Systembedingt sind bei aktiv magnetgelagerten Maschinen wesentliche Signale ohne zusätzlichen Aufwand an Messtechnik für Diagnoseaufgaben verfügbar. In der Arbeit wird ein Konzept entwickelt, das durch Verwendung der systeminhärenten Signale eine Diagnose magnetgelagerter rotierender Maschinen ermöglicht und somit neben einer kontinuierlichen Anlagenüberwachung eine schnelle Bewertung des Anlagenzustandes gestattet. Fehler können rechtzeitig und ursächlich in Art und Größe erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Anhand der erfassten Signale geschieht die Gewinnung von Merkmalen mit signal- und modellgestützten Verfahren. Für den Magnetlagerregelkreis erfolgen Untersuchungen zum Einsatz modellgestützter Parameteridentifikationsverfahren, deren Verwendbarkeit wird bei der Diagnose am Regler und Leistungsverstärker nachgewiesen. Unter Nutzung von Simulationsmodellen sowie durch Experimente an Versuchsständen werden die Merkmalsverläufe im normalen Referenzzustand und bei auftretenden Fehlern aufgenommen und die Ergebnisse in einer Wissensbasis abgelegt. Diese dient als Grundlage zur Festlegung von Grenzwerten und Regeln für die Überwachung des Systems und zur Erstellung wissensbasierter Diagnosemodelle. Bei der Überwachung werden die Merkmalsausprägungen auf das Überschreiten von Grenzwerten überprüft, Informationen über erkannte Fehler und Betriebszustände gebildet sowie gegebenenfalls Alarmmeldungen ausgegeben. Sich langsam anbahnende Fehler können durch die Berechnung der Merkmalstrends mit Hilfe der Regressionsanalyse erkannt werden. Über die bisher bei aktiven Magnetlagern übliche Überwachung von Grenzwerten hinaus erfolgt bei der Fehlerdiagnose eine Verknüpfung der extrahierten Merkmale zur Identifizierung und Lokalisierung auftretender Fehler. Die Diagnose geschieht mittels regelbasierter Fuzzy-Logik, dies gestattet die Einbeziehung von linguistischen Aussagen in Form von Expertenwissen sowie die Berücksichtigung von Unbestimmtheiten und ermöglicht damit eine Diagnose komplexer Systeme. Für Aktor-, Sensor- und Reglerfehler im Magnetlagerregelkreis sowie Fehler durch externe Kräfte und Unwuchten werden Diagnosemodelle erstellt und verifiziert. Es erfolgt der Nachweis, dass das entwickelte Diagnosekonzept mit beherrschbarem Rechenaufwand korrekte Diagnoseaussagen liefert. Durch Kaskadierung von Fuzzy-Logik-Modulen wird die Transparenz des Regelwerks gewahrt und die Abarbeitung der Regeln optimiert. Endresultat ist ein neuartiges hybrides Diagnosekonzept, welches signal- und modellgestützte Verfahren der Merkmalsgewinnung mit wissensbasierten Methoden der Fehlerdiagnose kombiniert. Das entwickelte Diagnosekonzept ist für die Anpassung an unterschiedliche Anforderungen und Anwendungen bei rotierenden Maschinen konzipiert.

Fehlersuche im Modell - Modellbasiertes Testen und Debuggen

Kern der vorliegenden Arbeit ist die Erforschung von Methoden, Techniken und Werkzeugen zur Fehlersuche in modellbasierten Softwareentwicklungsprozessen. Hierzu wird zuerst ein von mir mitentwickelter, neuartiger und modellbasierter Softwareentwicklungsprozess, der sogenannte Fujaba Process, vorgestellt. Dieser Prozess wird von Usecase Szenarien getrieben, die durch spezielle Kollaborationsdiagramme formalisiert werden. Auch die weiteren Artefakte des Prozess bishin zur fertigen Applikation werden durch UML Diagrammarten modelliert. Es ist keine Programmierung im Quelltext nötig. Werkzeugunterstützung für den vorgestellte Prozess wird von dem Fujaba CASE Tool bereitgestellt. Große Teile der Werkzeugunterstützung für den Fujaba Process, darunter die Toolunterstützung für das Testen und Debuggen, wurden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Im ersten Teil der Arbeit wird der Fujaba Process im Detail erklärt und unsere Erfahrungen mit dem Einsatz des Prozesses in Industrieprojekten sowie in der Lehre dargestellt. Der zweite Teil beschreibt die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Testgenerierung, die zu einem wichtigen Teil des Fujaba Process geworden ist. Hierbei werden aus den formalisierten Usecase Szenarien ausführbare Testfälle generiert. Es wird das zugrunde liegende Konzept, die konkrete technische Umsetzung und die Erfahrungen aus der Praxis mit der entwickelten Testgenerierung dargestellt. Der letzte Teil beschäftigt sich mit dem Debuggen im Fujaba Process. Es werden verschiedene im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Konzepte und Techniken vorgestellt, die die Fehlersuche während der Applikationsentwicklung vereinfachen. Hierbei wurde darauf geachtet, dass das Debuggen, wie alle anderen Schritte im Fujaba Process, ausschließlich auf Modellebene passiert. Unter anderem werden Techniken zur schrittweisen Ausführung von Modellen, ein Objekt Browser und ein Debugger, der die rückwärtige Ausführung von Programmen erlaubt (back-in-time debugging), vorgestellt. Alle beschriebenen Konzepte wurden in dieser Arbeit als Plugins für die Eclipse Version von Fujaba, Fujaba4Eclipse, implementiert und erprobt. Bei der Implementierung der Plugins wurde auf eine enge Integration mit Fujaba zum einen und mit Eclipse auf der anderen Seite geachtet. Zusammenfassend wird also ein Entwicklungsprozess vorgestellt, die Möglichkeit in diesem mit automatischen Tests Fehler zu identifizieren und diese Fehler dann mittels spezieller Debuggingtechniken im Programm zu lokalisieren und schließlich zu beheben. Dabei läuft der komplette Prozess auf Modellebene ab. Für die Test- und Debuggingtechniken wurden in dieser Arbeit Plugins für Fujaba4Eclipse entwickelt, die den Entwickler bestmöglich bei der zugehörigen Tätigkeit unterstützen.

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.

Vesicle motion during sustained exocytosis in chromaffin cells

Chromaffin cells release catecholamines by exocytosis, a process that includes vesicle docking, priming and fusion. Although all these steps have been intensively studied, some aspects of their mechanisms, particularly those regarding vesicle transport to the active sites situated at the membrane, are still unclear. In this work, we show that it is possible to extract information on vesicle motion in Chromaffin cells from the combination of Langevin simulations and amperometric measurements. We developed a numerical model based on Langevin simulations of vesicle motion towards the cell membrane and on the statistical analysis of vesicle arrival times. We also performed amperometric experiments in bovine-adrenal Chromaffin cells under Ba2+ stimulation to capture neurotransmitter releases during sustained exocytosis. In the sustained phase, each amperometric peak can be related to a single release from a new vesicle arriving at the active site. The amperometric signal can then be mapped into a spike-series of release events. We normalized the spike-series resulting from the current peaks using a time-rescaling transformation, thus making signals coming from different cells comparable. We discuss why the obtained spike-series may contain information about the motion of all vesicles leading to release of catecholamines. We show that the release statistics in our experiments considerably deviate from Poisson processes. Moreover, the interspike-time probability is reasonably well described by two-parameter gamma distributions. In order to interpret this result we computed the vesicles’ arrival statistics from our Langevin simulations. As expected, assuming purely diffusive vesicle motion we obtain Poisson statistics. However, if we assume that all vesicles are guided toward the membrane by an attractive harmonic potential, simulations also lead to gamma distributions of the interspike-time probability, in remarkably good agreement with experiment. We also show that including the fusion-time statistics in our model does not produce any significant changes on the results. These findings indicate that the motion of the whole ensemble of vesicles towards the membrane is directed and reflected in the amperometric signals. Our results confirm the conclusions of previous imaging studies performed on single vesicles that vesicles’ motion underneath plasma membranes is not purely random, but biased towards the membrane.

Statistical Object Recognition

Two formulations of model-based object recognition are described. MAP Model Matching evaluates joint hypotheses of match and pose, while Posterior Marginal Pose Estimation evaluates the pose only. Local search in pose space is carried out with the Expectation--Maximization (EM) algorithm. Recognition experiments are described where the EM algorithm is used to refine and evaluate pose hypotheses in 2D and 3D. Initial hypotheses for the 2D experiments were generated by a simple indexing method: Angle Pair Indexing. The Linear Combination of Views method of Ullman and Basri is employed as the projection model in the 3D experiments.

Contact Sensing: A Sequential Decision Approach to Sensing Manipulation Contact

This paper describes a new statistical, model-based approach to building a contact state observer. The observer uses measurements of the contact force and position, and prior information about the task encoded in a graph, to determine the current location of the robot in the task configuration space. Each node represents what the measurements will look like in a small region of configuration space by storing a predictive, statistical, measurement model. This approach assumes that the measurements are statistically block independent conditioned on knowledge of the model, which is a fairly good model of the actual process. Arcs in the graph represent possible transitions between models. Beam Viterbi search is used to match measurement history against possible paths through the model graph in order to estimate the most likely path for the robot. The resulting approach provides a new decision process that can be use as an observer for event driven manipulation programming. The decision procedure is significantly more robust than simple threshold decisions because the measurement history is used to make decisions. The approach can be used to enhance the capabilities of autonomous assembly machines and in quality control applications.

A Hierarchical Cache Coherent Protocol

As the number of processors in distributed-memory multiprocessors grows, efficiently supporting a shared-memory programming model becomes difficult. We have designed the Protocol for Hierarchical Directories (PHD) to allow shared-memory support for systems containing massive numbers of processors. PHD eliminates bandwidth problems by using a scalable network, decreases hot-spots by not relying on a single point to distribute blocks, and uses a scalable amount of space for its directories. PHD provides a shared-memory model by synthesizing a global shared memory from the local memories of processors. PHD supports sequentially consistent read, write, and test- and-set operations. This thesis also introduces a method of describing locality for hierarchical protocols and employs this method in the derivation of an abstract model of the protocol behavior. An embedded model, based on the work of Johnson[ISCA19], describes the protocol behavior when mapped to a k-ary n-cube. The thesis uses these two models to study the average height in the hierarchy that operations reach, the longest path messages travel, the number of messages that operations generate, the inter-transaction issue time, and the protocol overhead for different locality parameters, degrees of multithreading, and machine sizes. We determine that multithreading is only useful for approximately two to four threads; any additional interleaving does not decrease the overall latency. For small machines and high locality applications, this limitation is due mainly to the length of the running threads. For large machines with medium to low locality, this limitation is due mainly to the protocol overhead being too large. Our study using the embedded model shows that in situations where the run length between references to shared memory is at least an order of magnitude longer than the time to process a single state transition in the protocol, applications exhibit good performance. If separate controllers for processing protocol requests are included, the protocol scales to 32k processor machines as long as the application exhibits hierarchical locality: at least 22% of the global references must be able to be satisfied locally; at most 35% of the global references are allowed to reach the top level of the hierarchy.

Generative Temporal Planning with Complex Processes

Autonomous vehicles are increasingly being used in mission-critical applications, and robust methods are needed for controlling these inherently unreliable and complex systems. This thesis advocates the use of model-based programming, which allows mission designers to program autonomous missions at the level of a coach or wing commander. To support such a system, this thesis presents the Spock generative planner. To generate plans, Spock must be able to piece together vehicle commands and team tactics that have a complex behavior represented by concurrent processes. This is in contrast to traditional planners, whose operators represent simple atomic or durative actions. Spock represents operators using the RMPL language, which describes behaviors using parallel and sequential compositions of state and activity episodes. RMPL is useful for controlling mobile autonomous missions because it allows mission designers to quickly encode expressive activity models using object-oriented design methods and an intuitive set of activity combinators. Spock also is significant in that it uniformly represents operators and plan-space processes in terms of Temporal Plan Networks, which support temporal flexibility for robust plan execution. Finally, Spock is implemented as a forward progression optimal planner that walks monotonically forward through plan processes, closing any open conditions and resolving any conflicts. This thesis describes the Spock algorithm in detail, along with example problems and test results.