Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Reproducibility of species lists, visual cover estimates and frequency methods for recording high mountain vegetation

Question: When multiple observers record the same spatial units of alpine vegetation, how much variation is there in the records and what are the consequences of this variation for monitoring schemes to detect change? Location: One test summit in Switzerland (Alps) and one test summit in Scotland (Cairngorm Mountains). Method: Eight observers used the GLORIA protocols for species composition and visual cover estimates in percent on large summit sections (>100 m2) and species composition and frequency in nested quadrats (1 m2). Results: The multiple records from the same spatial unit for species composition and species cover showed considerable variation in the two countries. Estimates of pseudoturnover of composition and coefficients of variation of cover estimates for vascular plant species in 1m x 1m quadrats showed less variation than in previously published reports whereas our results in larger sections were broadly in line with previous reports. In Scotland, estimates for bryophytes and lichens were more variable than for vascular plants. Conclusions: Statistical power calculations indicated that, unless large numbers of plots were used, changes in cover or frequency were only likely to be detected for abundant species (exceeding 10% cover) or if relative changes were large (50% or more). Lower variation could be reached with the point methods and with larger numbers of small plots. However, as summits often strongly differ from each other, supplementary summits cannot be considered as a way of increasing statistical power without introducing a supplementary component of variance into the analysis and hence the power calculations.

Ensemble methods for environmental data modelling with support vector regression

This paper investigates the use of ensemble of predictors in order to improve the performance of spatial prediction methods. Support vector regression (SVR), a popular method from the field of statistical machine learning, is used. Several instances of SVR are combined using different data sampling schemes (bagging and boosting). Bagging shows good performance, and proves to be more computationally efficient than training a single SVR model while reducing error. Boosting, however, does not improve results on this specific problem.

Sub- or intertrochanteric fracture following screw fixation of an intracapsular proximal femoral fracture: true complication or technical error?

PURPOSE: To review, retrospectively, the possible causes of sub- or intertrochanteric fractures after screw fixation of intracapsular fractures of the proximal femur. METHODS: Eighty-four patients with an intracapsular fracture of proximal femur were operated between 1995 and 1998 by using three cannulated 6.25 mm screws. The screws were inserted in a triangular configuration, one screw in the upper part of the femoral neck and two screws in the inferior part. Between 1999 and 2001, we use two screws proximally and one screw distally. RESULTS: In the first series, two patients died within one week after operation. Sixty-four fractures healed without problems. Four patients developed an atrophic non-union; avascular necrosis of the femoral head was found in 11 patients. Three patients (3.6%) suffered a sub- and/or intertrochanteric fracture after a mean postoperative time of 30 days, in one case without obvious trauma. In all three cases surgical revision was necessary. Between 1999 and 2001 we did not observe any fracture after screwing. CONCLUSION: Two screws in the inferior part of the femoral neck create a stress riser in the subtrochanteric region, potentially inducing a fracture in the weakened bone. For internal fixation for proximal intracapsular femoral fracture only one screw must be inserted in the inferior part of neck.

Cross validation of experts versus registration methods for target localization in deep brain stimulation.

In the last five years, Deep Brain Stimulation (DBS) has become the most popular and effective surgical technique for the treatent of Parkinson's disease (PD). The Subthalamic Nucleus (STN) is the usual target involved when applying DBS. Unfortunately, the STN is in general not visible in common medical imaging modalities. Therefore, atlas-based segmentation is commonly considered to locate it in the images. In this paper, we propose a scheme that allows both, to perform a comparison between different registration algorithms and to evaluate their ability to locate the STN automatically. Using this scheme we can evaluate the expert variability against the error of the algorithms and we demonstrate that automatic STN location is possible and as accurate as the methods currently used.

GPS to LRM: Integration of Spatial Point Features with Linear Referencing Methods, 2001

Global positioning systems (GPS) offer a cost-effective and efficient method to input and update transportation data. The spatial location of objects provided by GPS is easily integrated into geographic information systems (GIS). The storage, manipulation, and analysis of spatial data are also relatively simple in a GIS. However, many data storage and reporting methods at transportation agencies rely on linear referencing methods (LRMs); consequently, GPS data must be able to link with linear referencing. Unfortunately, the two systems are fundamentally incompatible in the way data are collected, integrated, and manipulated. In order for the spatial data collected using GPS to be integrated into a linear referencing system or shared among LRMs, a number of issues need to be addressed. This report documents and evaluates several of those issues and offers recommendations. In order to evaluate the issues associated with integrating GPS data with a LRM, a pilot study was created. To perform the pilot study, point features, a linear datum, and a spatial representation of a LRM were created for six test roadway segments that were located within the boundaries of the pilot study conducted by the Iowa Department of Transportation linear referencing system project team. Various issues in integrating point features with a LRM or between LRMs are discussed and recommendations provided. The accuracy of the GPS is discussed, including issues such as point features mapping to the wrong segment. Another topic is the loss of spatial information that occurs when a three-dimensional or two-dimensional spatial point feature is converted to a one-dimensional representation on a LRM. Recommendations such as storing point features as spatial objects if necessary or preserving information such as coordinates and elevation are suggested. The lack of spatial accuracy characteristic of most cartography, on which LRM are often based, is another topic discussed. The associated issues include linear and horizontal offset error. The final topic discussed is some of the issues in transferring point feature data between LRMs.

Power supply noise and logic error probability

Voltage fluctuations caused by parasitic impedances in the power supply rails of modern ICs are a major concern in nowadays ICs. The voltage fluctuations are spread out to the diverse nodes of the internal sections causing two effects: a degradation of performances mainly impacting gate delays anda noisy contamination of the quiescent levels of the logic that drives the node. Both effects are presented together, in thispaper, showing than both are a cause of errors in modern and future digital circuits. The paper groups both error mechanismsand shows how the global error rate is related with the voltage deviation and the period of the clock of the digital system.

Methods for the analysis of two dimensional measurement data of paper web

This work is devoted to the problem of reconstructing the basis weight structure at paper web with black{box techniques. The data that is analyzed comes from a real paper machine and is collected by an o®-line scanner. The principal mathematical tool used in this work is Autoregressive Moving Average (ARMA) modelling. When coupled with the Discrete Fourier Transform (DFT), it gives a very flexible and interesting tool for analyzing properties of the paper web. Both ARMA and DFT are independently used to represent the given signal in a simplified version of our algorithm, but the final goal is to combine the two together. Ljung-Box Q-statistic lack-of-fit test combined with the Root Mean Squared Error coefficient gives a tool to separate significant signals from noise.

Origins of production errors and significance of employee empowerment in reducing production error amount in sheet metal fabricating industry

The market place of the twenty-first century will demand that manufacturing assumes a crucial role in a new competitive field. Two potential resources in the area of manufacturing are advanced manufacturing technology (AMT) and empowered employees. Surveys in Finland have shown the need to invest in the new AMT in the Finnish sheet metal industry in the 1990's. In this run the focus has been on hard technology and less attention is paid to the utilization of human resources. In manymanufacturing companies an appreciable portion of the profit within reach is wasted due to poor quality of planning and workmanship. The production flow production error distribution of the sheet metal part based constructions is inspectedin this thesis. The objective of the thesis is to analyze the origins of production errors in the production flow of sheet metal based constructions. Also the employee empowerment is investigated in theory and the meaning of the employee empowerment in reducing the overall production error amount is discussed in this thesis. This study is most relevant to the sheet metal part fabricating industrywhich produces sheet metal part based constructions for electronics and telecommunication industry. This study concentrates on the manufacturing function of a company and is based on a field study carried out in five Finnish case factories. In each studied case factory the most delicate work phases for production errors were detected. It can be assumed that most of the production errors are caused in manually operated work phases and in mass production work phases. However, no common theme in collected production error data for production error distribution in the production flow can be found. Most important finding was still that most of the production errors in each case factory studied belong to the 'human activity based errors-category'. This result indicates that most of the problemsin the production flow are related to employees or work organization. Development activities must therefore be focused to the development of employee skills orto the development of work organization. Employee empowerment gives the right tools and methods to achieve this.

Application of Neural Network Methods in the Prediction of Stock Markets

The purpose of the research is to define practical profit which can be achieved using neural network methods as a prediction instrument. The thesis investigates the ability of neural networks to forecast future events. This capability is checked on the example of price prediction during intraday trading on stock market. The executed experiments show predictions of average 1, 2, 5 and 10 minutes’ prices based on data of one day and made by two different types of forecasting systems. These systems are based on the recurrent neural networks and back propagation neural nets. The precision of the predictions is controlled by the absolute error and the error of market direction. The economical effectiveness is estimated by a special trading system. In conclusion, the best structures of neural nets are tested with data of 31 days’ interval. The best results of the average percent of profit from one transaction (buying + selling) are 0.06668654, 0.188299453, 0.349854787 and 0.453178626, they were achieved for prediction periods 1, 2, 5 and 10 minutes. The investigation can be interesting for the investors who have access to a fast information channel with a possibility of every-minute data refreshment.

Evaluation of Software Development Practices through Error Analysis

This thesis studies evaluation of software development practices through an error analysis. The work presents software development process, software testing, software errors, error classification and software process improvement methods. The practical part of the work presents results from the error analysis of one software process. It also gives improvement ideas for the project. It was noticed that the classification of the error data was inadequate in the project. Because of this it was impossible to use the error data effectively. With the error analysis we were able to show that there were deficiencies in design and analyzing phases, implementation phase and in testing phase. The work gives ideas for improving error classification and for software development practices.

Error models in hydrogeology applications

Notre consommation en eau souterraine, en particulier comme eau potable ou pour l'irrigation, a considérablement augmenté au cours des années. De nombreux problèmes font alors leur apparition, allant de la prospection de nouvelles ressources à la remédiation des aquifères pollués. Indépendamment du problème hydrogéologique considéré, le principal défi reste la caractérisation des propriétés du sous-sol. Une approche stochastique est alors nécessaire afin de représenter cette incertitude en considérant de multiples scénarios géologiques et en générant un grand nombre de réalisations géostatistiques. Nous rencontrons alors la principale limitation de ces approches qui est le coût de calcul dû à la simulation des processus d'écoulements complexes pour chacune de ces réalisations. Dans la première partie de la thèse, ce problème est investigué dans le contexte de propagation de l'incertitude, oú un ensemble de réalisations est identifié comme représentant les propriétés du sous-sol. Afin de propager cette incertitude à la quantité d'intérêt tout en limitant le coût de calcul, les méthodes actuelles font appel à des modèles d'écoulement approximés. Cela permet l'identification d'un sous-ensemble de réalisations représentant la variabilité de l'ensemble initial. Le modèle complexe d'écoulement est alors évalué uniquement pour ce sousensemble, et, sur la base de ces réponses complexes, l'inférence est faite. Notre objectif est d'améliorer la performance de cette approche en utilisant toute l'information à disposition. Pour cela, le sous-ensemble de réponses approximées et exactes est utilisé afin de construire un modèle d'erreur, qui sert ensuite à corriger le reste des réponses approximées et prédire la réponse du modèle complexe. Cette méthode permet de maximiser l'utilisation de l'information à disposition sans augmentation perceptible du temps de calcul. La propagation de l'incertitude est alors plus précise et plus robuste. La stratégie explorée dans le premier chapitre consiste à apprendre d'un sous-ensemble de réalisations la relation entre les modèles d'écoulement approximé et complexe. Dans la seconde partie de la thèse, cette méthodologie est formalisée mathématiquement en introduisant un modèle de régression entre les réponses fonctionnelles. Comme ce problème est mal posé, il est nécessaire d'en réduire la dimensionnalité. Dans cette optique, l'innovation du travail présenté provient de l'utilisation de l'analyse en composantes principales fonctionnelles (ACPF), qui non seulement effectue la réduction de dimensionnalités tout en maximisant l'information retenue, mais permet aussi de diagnostiquer la qualité du modèle d'erreur dans cet espace fonctionnel. La méthodologie proposée est appliquée à un problème de pollution par une phase liquide nonaqueuse et les résultats obtenus montrent que le modèle d'erreur permet une forte réduction du temps de calcul tout en estimant correctement l'incertitude. De plus, pour chaque réponse approximée, une prédiction de la réponse complexe est fournie par le modèle d'erreur. Le concept de modèle d'erreur fonctionnel est donc pertinent pour la propagation de l'incertitude, mais aussi pour les problèmes d'inférence bayésienne. Les méthodes de Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC) sont les algorithmes les plus communément utilisés afin de générer des réalisations géostatistiques en accord avec les observations. Cependant, ces méthodes souffrent d'un taux d'acceptation très bas pour les problèmes de grande dimensionnalité, résultant en un grand nombre de simulations d'écoulement gaspillées. Une approche en deux temps, le "MCMC en deux étapes", a été introduite afin d'éviter les simulations du modèle complexe inutiles par une évaluation préliminaire de la réalisation. Dans la troisième partie de la thèse, le modèle d'écoulement approximé couplé à un modèle d'erreur sert d'évaluation préliminaire pour le "MCMC en deux étapes". Nous démontrons une augmentation du taux d'acceptation par un facteur de 1.5 à 3 en comparaison avec une implémentation classique de MCMC. Une question reste sans réponse : comment choisir la taille de l'ensemble d'entrainement et comment identifier les réalisations permettant d'optimiser la construction du modèle d'erreur. Cela requiert une stratégie itérative afin que, à chaque nouvelle simulation d'écoulement, le modèle d'erreur soit amélioré en incorporant les nouvelles informations. Ceci est développé dans la quatrième partie de la thèse, oú cette méthodologie est appliquée à un problème d'intrusion saline dans un aquifère côtier. -- Our consumption of groundwater, in particular as drinking water and for irrigation, has considerably increased over the years and groundwater is becoming an increasingly scarce and endangered resource. Nofadays, we are facing many problems ranging from water prospection to sustainable management and remediation of polluted aquifers. Independently of the hydrogeological problem, the main challenge remains dealing with the incomplete knofledge of the underground properties. Stochastic approaches have been developed to represent this uncertainty by considering multiple geological scenarios and generating a large number of realizations. The main limitation of this approach is the computational cost associated with performing complex of simulations in each realization. In the first part of the thesis, we explore this issue in the context of uncertainty propagation, where an ensemble of geostatistical realizations is identified as representative of the subsurface uncertainty. To propagate this lack of knofledge to the quantity of interest (e.g., the concentration of pollutant in extracted water), it is necessary to evaluate the of response of each realization. Due to computational constraints, state-of-the-art methods make use of approximate of simulation, to identify a subset of realizations that represents the variability of the ensemble. The complex and computationally heavy of model is then run for this subset based on which inference is made. Our objective is to increase the performance of this approach by using all of the available information and not solely the subset of exact responses. Two error models are proposed to correct the approximate responses follofing a machine learning approach. For the subset identified by a classical approach (here the distance kernel method) both the approximate and the exact responses are knofn. This information is used to construct an error model and correct the ensemble of approximate responses to predict the "expected" responses of the exact model. The proposed methodology makes use of all the available information without perceptible additional computational costs and leads to an increase in accuracy and robustness of the uncertainty propagation. The strategy explored in the first chapter consists in learning from a subset of realizations the relationship between proxy and exact curves. In the second part of this thesis, the strategy is formalized in a rigorous mathematical framework by defining a regression model between functions. As this problem is ill-posed, it is necessary to reduce its dimensionality. The novelty of the work comes from the use of functional principal component analysis (FPCA), which not only performs the dimensionality reduction while maximizing the retained information, but also allofs a diagnostic of the quality of the error model in the functional space. The proposed methodology is applied to a pollution problem by a non-aqueous phase-liquid. The error model allofs a strong reduction of the computational cost while providing a good estimate of the uncertainty. The individual correction of the proxy response by the error model leads to an excellent prediction of the exact response, opening the door to many applications. The concept of functional error model is useful not only in the context of uncertainty propagation, but also, and maybe even more so, to perform Bayesian inference. Monte Carlo Markov Chain (MCMC) algorithms are the most common choice to ensure that the generated realizations are sampled in accordance with the observations. Hofever, this approach suffers from lof acceptance rate in high dimensional problems, resulting in a large number of wasted of simulations. This led to the introduction of two-stage MCMC, where the computational cost is decreased by avoiding unnecessary simulation of the exact of thanks to a preliminary evaluation of the proposal. In the third part of the thesis, a proxy is coupled to an error model to provide an approximate response for the two-stage MCMC set-up. We demonstrate an increase in acceptance rate by a factor three with respect to one-stage MCMC results. An open question remains: hof do we choose the size of the learning set and identify the realizations to optimize the construction of the error model. This requires devising an iterative strategy to construct the error model, such that, as new of simulations are performed, the error model is iteratively improved by incorporating the new information. This is discussed in the fourth part of the thesis, in which we apply this methodology to a problem of saline intrusion in a coastal aquifer.

On Fault Tolerance Methods for Networks-on-Chip

Technology scaling has proceeded into dimensions in which the reliability of manufactured devices is becoming endangered. The reliability decrease is a consequence of physical limitations, relative increase of variations, and decreasing noise margins, among others. A promising solution for bringing the reliability of circuits back to a desired level is the use of design methods which introduce tolerance against possible faults in an integrated circuit. This thesis studies and presents fault tolerance methods for network-onchip (NoC) which is a design paradigm targeted for very large systems-onchip. In a NoC resources, such as processors and memories, are connected to a communication network; comparable to the Internet. Fault tolerance in such a system can be achieved at many abstraction levels. The thesis studies the origin of faults in modern technologies and explains the classification to transient, intermittent and permanent faults. A survey of fault tolerance methods is presented to demonstrate the diversity of available methods. Networks-on-chip are approached by exploring their main design choices: the selection of a topology, routing protocol, and flow control method. Fault tolerance methods for NoCs are studied at different layers of the OSI reference model. The data link layer provides a reliable communication link over a physical channel. Error control coding is an efficient fault tolerance method especially against transient faults at this abstraction level. Error control coding methods suitable for on-chip communication are studied and their implementations presented. Error control coding loses its effectiveness in the presence of intermittent and permanent faults. Therefore, other solutions against them are presented. The introduction of spare wires and split transmissions are shown to provide good tolerance against intermittent and permanent errors and their combination to error control coding is illustrated. At the network layer positioned above the data link layer, fault tolerance can be achieved with the design of fault tolerant network topologies and routing algorithms. Both of these approaches are presented in the thesis together with realizations in the both categories. The thesis concludes that an optimal fault tolerance solution contains carefully co-designed elements from different abstraction levels

Comparison measures of maps generated by geostatistical methods

This study uses several measures derived from the error matrix for comparing two thematic maps generated with the same sample set. The reference map was generated with all the sample elements and the map set as the model was generated without the two points detected as influential by the analysis of local influence diagnostics. The data analyzed refer to the wheat productivity in an agricultural area of 13.55 ha considering a sampling grid of 50 x 50 m comprising 50 georeferenced sample elements. The comparison measures derived from the error matrix indicated that despite some similarity on the maps, they are different. The difference between the estimated production by the reference map and the actual production was of 350 kilograms. The same difference calculated with the mode map was of 50 kilograms, indicating that the study of influential points is of fundamental importance to obtain a more reliable estimative and use of measures obtained from the error matrix is a good option to make comparisons between thematic maps.

Simulation methods in the modelling of bioaffinity assays

Computational model-based simulation methods were developed for the modelling of bioaffinity assays. Bioaffinity-based methods are widely used to quantify a biological substance in biological research, development and in routine clinical in vitro diagnostics. Bioaffinity assays are based on the high affinity and structural specificity between the binding biomolecules. The simulation methods developed are based on the mechanistic assay model, which relies on the chemical reaction kinetics and describes the forming of a bound component as a function of time from the initial binding interaction. The simulation methods were focused on studying the behaviour and the reliability of bioaffinity assay and the possibilities the modelling methods of binding reaction kinetics provide, such as predicting assay results even before the binding reaction has reached equilibrium. For example, a rapid quantitative result from a clinical bioaffinity assay sample can be very significant, e.g. even the smallest elevation of a heart muscle marker reveals a cardiac injury. The simulation methods were used to identify critical error factors in rapid bioaffinity assays. A new kinetic calibration method was developed to calibrate a measurement system by kinetic measurement data utilizing only one standard concentration. A nodebased method was developed to model multi-component binding reactions, which have been a challenge to traditional numerical methods. The node-method was also used to model protein adsorption as an example of nonspecific binding of biomolecules. These methods have been compared with the experimental data from practice and can be utilized in in vitro diagnostics, drug discovery and in medical imaging.