Maximum likelihood estimation of new state space models for operational modal analysis

The modal analysis of a structural system consists on computing its vibrational modes. The experimental way to estimate these modes requires to excite the system with a measured or known input and then to measure the system output at different points using sensors. Finally, system inputs and outputs are used to compute the modes of vibration. When the system refers to large structures like buildings or bridges, the tests have to be performed in situ, so it is not possible to measure system inputs such as wind, traffic, . . .Even if a known input is applied, the procedure is usually difficult and expensive, and there are still uncontrolled disturbances acting at the time of the test. These facts led to the idea of computing the modes of vibration using only the measured vibrations and regardless of the inputs that originated them, whether they are ambient vibrations (wind, earthquakes, . . . ) or operational loads (traffic, human loading, . . . ). This procedure is usually called Operational Modal Analysis (OMA), and in general consists on to fit a mathematical model to the measured data assuming the unobserved excitations are realizations of a stationary stochastic process (usually white noise processes). Then, the modes of vibration are computed from the estimated model. The first issue investigated in this thesis is the performance of the Expectation- Maximization (EM) algorithm for the maximum likelihood estimation of the state space model in the field of OMA. The algorithm is described in detail and it is analysed how to apply it to vibration data. After that, it is compared to another well known method, the Stochastic Subspace Identification algorithm. The maximum likelihood estimate enjoys some optimal properties from a statistical point of view what makes it very attractive in practice, but the most remarkable property of the EM algorithm is that it can be used to address a wide range of situations in OMA. In this work, three additional state space models are proposed and estimated using the EM algorithm: • The first model is proposed to estimate the modes of vibration when several tests are performed in the same structural system. Instead of analyse record by record and then compute averages, the EM algorithm is extended for the joint estimation of the proposed state space model using all the available data. • The second state space model is used to estimate the modes of vibration when the number of available sensors is lower than the number of points to be tested. In these cases it is usual to perform several tests changing the position of the sensors from one test to the following (multiple setups of sensors). Here, the proposed state space model and the EM algorithm are used to estimate the modal parameters taking into account the data of all setups. • And last, a state space model is proposed to estimate the modes of vibration in the presence of unmeasured inputs that cannot be modelled as white noise processes. In these cases, the frequency components of the inputs cannot be separated from the eigenfrequencies of the system, and spurious modes are obtained in the identification process. The idea is to measure the response of the structure corresponding to different inputs; then, it is assumed that the parameters common to all the data correspond to the structure (modes of vibration), and the parameters found in a specific test correspond to the input in that test. The problem is solved using the proposed state space model and the EM algorithm. Resumen El análisis modal de un sistema estructural consiste en calcular sus modos de vibración. Para estimar estos modos experimentalmente es preciso excitar el sistema con entradas conocidas y registrar las salidas del sistema en diferentes puntos por medio de sensores. Finalmente, los modos de vibración se calculan utilizando las entradas y salidas registradas. Cuando el sistema es una gran estructura como un puente o un edificio, los experimentos tienen que realizarse in situ, por lo que no es posible registrar entradas al sistema tales como viento, tráfico, . . . Incluso si se aplica una entrada conocida, el procedimiento suele ser complicado y caro, y todavía están presentes perturbaciones no controladas que excitan el sistema durante el test. Estos hechos han llevado a la idea de calcular los modos de vibración utilizando sólo las vibraciones registradas en la estructura y sin tener en cuenta las cargas que las originan, ya sean cargas ambientales (viento, terremotos, . . . ) o cargas de explotación (tráfico, cargas humanas, . . . ). Este procedimiento se conoce en la literatura especializada como Análisis Modal Operacional, y en general consiste en ajustar un modelo matemático a los datos registrados adoptando la hipótesis de que las excitaciones no conocidas son realizaciones de un proceso estocástico estacionario (generalmente ruido blanco). Posteriormente, los modos de vibración se calculan a partir del modelo estimado. El primer problema que se ha investigado en esta tesis es la utilización de máxima verosimilitud y el algoritmo EM (Expectation-Maximization) para la estimación del modelo espacio de los estados en el ámbito del Análisis Modal Operacional. El algoritmo se describe en detalle y también se analiza como aplicarlo cuando se dispone de datos de vibraciones de una estructura. A continuación se compara con otro método muy conocido, el método de los Subespacios. Los estimadores máximo verosímiles presentan una serie de propiedades que los hacen óptimos desde un punto de vista estadístico, pero la propiedad más destacable del algoritmo EM es que puede utilizarse para resolver un amplio abanico de situaciones que se presentan en el Análisis Modal Operacional. En este trabajo se proponen y estiman tres modelos en el espacio de los estados: • El primer modelo se utiliza para estimar los modos de vibración cuando se dispone de datos correspondientes a varios experimentos realizados en la misma estructura. En lugar de analizar registro a registro y calcular promedios, se utiliza algoritmo EM para la estimación conjunta del modelo propuesto utilizando todos los datos disponibles. • El segundo modelo en el espacio de los estados propuesto se utiliza para estimar los modos de vibración cuando el número de sensores disponibles es menor que vi Resumen el número de puntos que se quieren analizar en la estructura. En estos casos es usual realizar varios ensayos cambiando la posición de los sensores de un ensayo a otro (múltiples configuraciones de sensores). En este trabajo se utiliza el algoritmo EM para estimar los parámetros modales teniendo en cuenta los datos de todas las configuraciones. • Por último, se propone otro modelo en el espacio de los estados para estimar los modos de vibración en la presencia de entradas al sistema que no pueden modelarse como procesos estocásticos de ruido blanco. En estos casos, las frecuencias de las entradas no se pueden separar de las frecuencias del sistema y se obtienen modos espurios en la fase de identificación. La idea es registrar la respuesta de la estructura correspondiente a diferentes entradas; entonces se adopta la hipótesis de que los parámetros comunes a todos los registros corresponden a la estructura (modos de vibración), y los parámetros encontrados en un registro específico corresponden a la entrada en dicho ensayo. El problema se resuelve utilizando el modelo propuesto y el algoritmo EM.

Maximum likelihood estimation of a migration matrix and effective population sizes in n subpopulations by using a coalescent approach

A maximum likelihood estimator based on the coalescent for unequal migration rates and different subpopulation sizes is developed. The method uses a Markov chain Monte Carlo approach to investigate possible genealogies with branch lengths and with migration events. Properties of the new method are shown by using simulated data from a four-population n-island model and a source–sink population model. Our estimation method as coded in migrate is tested against genetree; both programs deliver a very similar likelihood surface. The algorithm converges to the estimates fairly quickly, even when the Markov chain is started from unfavorable parameters. The method was used to estimate gene flow in the Nile valley by using mtDNA data from three human populations.

Extraterrestrial 3He estimation across the Paleocene-Eocene thermal maximum at ODP Site 208-1266

In the deep-sea, the Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM) is often marked by clay-rich condensed intervals caused by dissolution of carbonate sediments, capped by a carbonate-rich interval. Constraining the duration of both the dissolution and subsequent cap-carbonate intervals is essential to computing marine carbon fluxes and thus testing hypotheses for the origin of this event. To this end, we provide new high-resolution helium isotope records spanning the Paleocene-Eocene boundary at ODP Site 1266 in the South Atlantic. The extraterrestrial 3He, 3HeET, concentrations replicate trends observed at ODP Site 690 by Farley and Eltgroth (2003, doi:10.1016/S0012-821X(03)00017-7). By assuming a constant flux of 3HeET we constrain relative changes in accumulation rates of sediment across the PETM and construct a new age model for the event. In this new chronology the zero carbonate layer represents 35 kyr, some of which reflects clay produced by dissolution of Paleocene (pre-PETM) sediments. Above this layer, carbonate concentrations increase for ~165 kyr and remain higher than in the latest Paleocene until 234 +48/-34 kyr above the base of the clay. The new chronology indicates that minimum d13C values persisted for a maximum of 134 +27/-19 kyr and the inflection point previously chosen to designate the end of the CIE recovery occurs at 217 +44/-31 kyr. This allocation of time differs from that of the cycle-based age model of Röhl et al. (2007, doi:10.1029/2007GC001784) in that it assigns more time to the clay layer followed by a more gradual recovery of carbonate-rich sedimentation. The new model also suggests a longer sustained d13C excursion followed by a more rapid recovery to pre-PETM d13C values. These differences have important implications for constraining the source(s) of carbon and mechanisms for its subsequent sequestration, favoring models that include a sustained release

An investigation of the goodness of fit of the maximum likelihood estimation procedure in factor analysis /

Thesis--Illinois.

A note on maximum likelihood estimation of discrete choice models from the 1978 survey of disability and work /

"November 1982."

Chromatic dispersion compensation using full-field maximum-likelihood sequence estimation

We investigate full-field detection-based maximum-likelihood sequence estimation (MLSE) for chromatic dispersion compensation in 10 Gbit/s OOK optical communication systems. Important design criteria are identified to optimize the system performance. It is confirmed that approximately 50% improvement in transmission reach can be achieved compared to conventional direct-detection MLSE at both 4 and 16 states. It is also shown that full-field MLSE is more robust to the noise and the associated noise amplifications in full-field reconstruction, and consequently exhibits better tolerance to nonoptimized system parameters than full-field feedforward equalizer. Experiments over 124 km spans of field-installed single-mode fiber without optical dispersion compensation using full-field MLSE verify the theoretically predicted performance benefits.

Implementation of the EM Algorithm for Maximum Likelihood Estimation of a Random Effects Model for One Longitudinal Ordinal Outcome

2010 Mathematics Subject Classification: 62J99.

Risque de prix et décisions de production et d'exportation : le cas de l'agriculture au Québec

Cette thèse porte sur l’effet du risque de prix sur la décision des agriculteurs et les transformateurs québécois. Elle se divise en trois chapitres. Le premier chapitre revient sur la littérature. Le deuxième chapitre examine l’effet du risque de prix sur la production de trois produits, à savoir le maïs grain, la viande de porc et la viande d’agneau dans la province Québec. Le dernier chapitre est centré sur l’analyse de changement des préférences du transformateur québécois de porc pour ce qui est du choix de marché. Le premier chapitre vise à montrer l’importance de l’effet du risque du prix sur la quantité produite par les agriculteurs, tel que mis en évidence par la littérature. En effet, la littérature révèle l’importance du risque de prix à l’exportation sur le commerce international. Le deuxième chapitre est consacré à l’étude des facteurs du risque (les anticipations des prix et la volatilité des prix) dans la fonction de l’offre. Un modèle d’hétéroscédasticité conditionnelle autorégressive généralisée (GARCH) est utilisé afin de modéliser ces facteurs du risque. Les paramètres du modèle sont estimés par la méthode de l’Information Complète Maximum Vraisemblance (FIML). Les résultats empiriques montrent l’effet négatif de la volatilité du prix sur la production alors que la prévisibilité des prix a un effet positif sur la quantité produite. Comme attendu, nous constatons que l’application du programme d’assurance-stabilisation des revenus agricoles (ASRA) au Québec induit une plus importante sensibilité de l’offre par rapport au prix effectif (le prix incluant la compensation de l’ASRA) que par rapport au prix du marché. Par ailleurs, l’offre est moins sensible au prix des intrants qu’au prix de l’output. La diminution de l’aversion au risque de producteur est une autre conséquence de l’application de ce programme. En outre, l’estimation de la prime marginale relative au risque révèle que le producteur du maïs est le producteur le moins averse au risque (comparativement à celui de porc ou d’agneau). Le troisième chapitre consiste en l’analyse du changement de préférence du transformateur québécois du porc pour ce qui est du choix de marché. Nous supposons que le transformateur a la possibilité de fournir les produits sur deux marchés : étranger et local. Le modèle théorique explique l’offre relative comme étant une fonction à la fois d’anticipation relative et de volatilité relative des prix. Ainsi, ce modèle révèle que la sensibilité de l’offre relative par rapport à la volatilité relative de prix dépend de deux facteurs : d’une part, la part de l’exportation dans la production totale et d’autre part, l’élasticité de substitution entre les deux marchés. Un modèle à correction d’erreurs est utilisé lors d’estimation des paramètres du modèle. Les résultats montrent l’effet positif et significatif de l’anticipation relative du prix sur l’offre relative à court terme. Ces résultats montrent donc qu’une hausse de la volatilité du prix sur le marché étranger par rapport à celle sur le marché local entraine une baisse de l’offre relative sur le marché étranger à long terme. De plus, selon les résultats, les marchés étranger et local sont plus substituables à long terme qu’à court terme.

Développement d'algorithmes d'estimation de la pose d'objets saisis par un préhenseur robotique

Les préhenseurs robotiques sont largement utilisés en industrie et leur déploiement pourrait être encore plus important si ces derniers étaient plus intelligents. En leur conférant des capacités tactiles et une intelligence leur permettant d’estimer la pose d’un objet saisi, une plus vaste gamme de tâches pourraient être accomplies par les robots. Ce mémoire présente le développement d’algorithmes d’estimation de la pose d’objets saisis par un préhenseur robotique. Des algorithmes ont été développés pour trois systèmes robotisés différents, mais pour les mêmes considérations. Effectivement, pour les trois systèmes la pose est estimée uniquement à partir d’une saisie d’objet, de données tactiles et de la configuration du préhenseur. Pour chaque système, la performance atteignable pour le système minimaliste étudié est évaluée. Dans ce mémoire, les concepts généraux sur l’estimation de la pose sont d’abord exposés. Ensuite, un préhenseur plan à deux doigts comprenant deux phalanges chacun est modélisé dans un environnement de simulation et un algorithme permettant d’estimer la pose d’un objet saisi par le préhenseur est décrit. Cet algorithme est basé sur les arbres d’interprétation et l’algorithme de RANSAC. Par la suite, un système expérimental plan comprenant une phalange supplémentaire par doigt est modélisé et étudié pour le développement d’un algorithme approprié d’estimation de la pose. Les principes de ce dernier sont similaires au premier algorithme, mais les capteurs compris dans le système sont moins précis et des adaptations et améliorations ont dû être appliquées. Entre autres, les mesures des capteurs ont été mieux exploitées. Finalement, un système expérimental spatial composé de trois doigts comprenant trois phalanges chacun est étudié. Suite à la modélisation, l’algorithme développé pour ce système complexe est présenté. Des hypothèses partiellement aléatoires sont générées, complétées, puis évaluées. L’étape d’évaluation fait notamment appel à l’algorithme de Levenberg-Marquardt.

Estimation de cartes d'énergie de hautes fréquences ou d'irrégularité de périodicité de la marche humaine par caméra de profondeur pour la détection de pathologies

Ce travail présente deux nouveaux systèmes simples d'analyse de la marche humaine grâce à une caméra de profondeur (Microsoft Kinect) placée devant un sujet marchant sur un tapis roulant conventionnel, capables de détecter une marche saine et celle déficiente. Le premier système repose sur le fait qu'une marche normale présente typiquement un signal de profondeur lisse au niveau de chaque pixel avec moins de hautes fréquences, ce qui permet d'estimer une carte indiquant l'emplacement et l'amplitude de l'énergie de haute fréquence (HFSE). Le second système analyse les parties du corps qui ont un motif de mouvement irrégulier, en termes de périodicité, lors de la marche. Nous supposons que la marche d'un sujet sain présente partout dans le corps, pendant les cycles de marche, un signal de profondeur avec un motif périodique sans bruit. Nous estimons, à partir de la séquence vidéo de chaque sujet, une carte montrant les zones d'irrégularités de la marche (également appelées énergie de bruit apériodique). La carte avec HFSE ou celle visualisant l'énergie de bruit apériodique peut être utilisée comme un bon indicateur d'une éventuelle pathologie, dans un outil de diagnostic précoce, rapide et fiable, ou permettre de fournir des informations sur la présence et l'étendue de la maladie ou des problèmes (orthopédiques, musculaires ou neurologiques) du patient. Même si les cartes obtenues sont informatives et très discriminantes pour une classification visuelle directe, même pour un non-spécialiste, les systèmes proposés permettent de détecter automatiquement les individus en bonne santé et ceux avec des problèmes locomoteurs.

BIAS-CORRECTED MAXIMUM LIKELIHOOD ESTIMATION OF THE PARAMETERS OF THE WEIGHTED LINDLEY DISTRIBUTION

This report discusses the calculation of analytic second-order bias techniques for the maximum likelihood estimates (for short, MLEs) of the unknown parameters of the distribution in quality and reliability analysis. It is well-known that the MLEs are widely used to estimate the unknown parameters of the probability distributions due to their various desirable properties; for example, the MLEs are asymptotically unbiased, consistent, and asymptotically normal. However, many of these properties depend on an extremely large sample sizes. Those properties, such as unbiasedness, may not be valid for small or even moderate sample sizes, which are more practical in real data applications. Therefore, some bias-corrected techniques for the MLEs are desired in practice, especially when the sample size is small. Two commonly used popular techniques to reduce the bias of the MLEs, are ‘preventive’ and ‘corrective’ approaches. They both can reduce the bias of the MLEs to order O(n−2), whereas the ‘preventive’ approach does not have an explicit closed form expression. Consequently, we mainly focus on the ‘corrective’ approach in this report. To illustrate the importance of the bias-correction in practice, we apply the bias-corrected method to two popular lifetime distributions: the inverse Lindley distribution and the weighted Lindley distribution. Numerical studies based on the two distributions show that the considered bias-corrected technique is highly recommended over other commonly used estimators without bias-correction. Therefore, special attention should be paid when we estimate the unknown parameters of the probability distributions under the scenario in which the sample size is small or moderate.

Estimation de cartes d'énergie de hautes fréquences ou d'irrégularité de périodicité de la marche humaine par caméra de profondeur pour la détection de pathologies

Ce travail présente deux nouveaux systèmes simples d'analyse de la marche humaine grâce à une caméra de profondeur (Microsoft Kinect) placée devant un sujet marchant sur un tapis roulant conventionnel, capables de détecter une marche saine et celle déficiente. Le premier système repose sur le fait qu'une marche normale présente typiquement un signal de profondeur lisse au niveau de chaque pixel avec moins de hautes fréquences, ce qui permet d'estimer une carte indiquant l'emplacement et l'amplitude de l'énergie de haute fréquence (HFSE). Le second système analyse les parties du corps qui ont un motif de mouvement irrégulier, en termes de périodicité, lors de la marche. Nous supposons que la marche d'un sujet sain présente partout dans le corps, pendant les cycles de marche, un signal de profondeur avec un motif périodique sans bruit. Nous estimons, à partir de la séquence vidéo de chaque sujet, une carte montrant les zones d'irrégularités de la marche (également appelées énergie de bruit apériodique). La carte avec HFSE ou celle visualisant l'énergie de bruit apériodique peut être utilisée comme un bon indicateur d'une éventuelle pathologie, dans un outil de diagnostic précoce, rapide et fiable, ou permettre de fournir des informations sur la présence et l'étendue de la maladie ou des problèmes (orthopédiques, musculaires ou neurologiques) du patient. Même si les cartes obtenues sont informatives et très discriminantes pour une classification visuelle directe, même pour un non-spécialiste, les systèmes proposés permettent de détecter automatiquement les individus en bonne santé et ceux avec des problèmes locomoteurs.

Estimation of the depth focus from wavefront measurements

It is possible to estimate the depth of focus (DOF) of the eye directly from wavefront measurements using various retinal image quality metrics (IQMs). In such methods, DOF is defined as the range of defocus error that degrades the retinal image quality calculated from IQMs to a certain level of the maximum value. Although different retinal image quality metrics are used, currently there have been two arbitrary threshold levels adopted, 50% and 80%. There has been limited study of the relationship between these threshold levels and the actual measured DOF. We measured the subjective DOF in a group of 17 normal subjects, and used through-focus augmented visual Strehl ratio based on optical transfer function (VSOTF) derived from their wavefront aberrations as the IQM. For each subject, a VSOTF threshold level was derived that would match the subjectively measured DOF. Significant correlation was found between the subject’s estimated threshold level and the HOA RMS (Pearson’s r=0.88, p<0.001). The linear correlation can be used to estimate the threshold level for each individual subject, subsequently leading to a method for estimating individual’s DOF from a single measurement of their wavefront aberrations.