A component-based middleware framework for configurable and reconfigurable Grid computing

Significant progress has been made in the design and development of Grid middleware which, in its present form, is founded on Web services technologies. However, we argue that present-day Grid middleware is severely limited in supporting projected next-generation applications which will involve pervasive and heterogeneous networked infrastructures, and advanced services such as collaborative distributed visualization. In this paper we discuss a new Grid middleware framework that features (i) support for advanced network services based on the novel concept of pluggable overlay networks, (ii) an architectural framework for constructing bespoke Grid middleware platforms in terms of 'middleware domains' such as extensible interaction types and resource discovery. We believe that such features will become increasingly essential with the emergence of next-generation e-Science applications. Copyright (c) 2005 John Wiley & Sons, Ltd

Topic Map Generation Using Text Mining

Starting from text corpus analysis with linguistic and statistical analysis algorithms, an infrastructure for text mining is described which uses collocation analysis as a central tool. This text mining method may be applied to different domains as well as languages. Some examples taken form large reference databases motivate the applicability to knowledge management using declarative standards of information structuring and description. The ISO/IEC Topic Map standard is introduced as a candidate for rich metadata description of information resources and it is shown how text mining can be used for automatic topic map generation

Enabling Adaptive Grid Scheduling and Resource Management

Wider adoption of the Grid concept has led to an increasing amount of federated computational, storage and visualisation resources being available to scientists and researchers. Distributed and heterogeneous nature of these resources renders most of the legacy cluster monitoring and management approaches inappropriate, and poses new challenges in workflow scheduling on such systems. Effective resource utilisation monitoring and highly granular yet adaptive measurements are prerequisites for a more efficient Grid scheduler. We present a suite of measurement applications able to monitor per-process resource utilisation, and a customisable tool for emulating observed utilisation models. We also outline our future work on a predictive and probabilistic Grid scheduler. The research is undertaken as part of UK e-Science EPSRC sponsored project SO-GRM (Self-Organising Grid Resource Management) in cooperation with BT

A continuum robotic platform for endoscopic non-contact laser surgery: design, control, and preclinical evaluation

The application of laser technologies in surgical interventions has been accepted in the clinical domain due to their atraumatic properties. In addition to manual application of fibre-guided lasers with tissue contact, non-contact transoral laser microsurgery (TLM) of laryngeal tumours has been prevailed in ENT surgery. However, TLM requires many years of surgical training for tumour resection in order to preserve the function of adjacent organs and thus preserve the patient’s quality of life. The positioning of the microscopic laser applicator outside the patient can also impede a direct line-of-sight to the target area due to anatomical variability and limit the working space. Further clinical challenges include positioning the laser focus on the tissue surface, imaging, planning and performing laser ablation, and motion of the target area during surgery. This dissertation aims to address the limitations of TLM through robotic approaches and intraoperative assistance. Although a trend towards minimally invasive surgery is apparent, no highly integrated platform for endoscopic delivery of focused laser radiation is available to date. Likewise, there are no known devices that incorporate scene information from endoscopic imaging into ablation planning and execution. For focusing of the laser beam close to the target tissue, this work first presents miniaturised focusing optics that can be integrated into endoscopic systems. Experimental trials characterise the optical properties and the ablation performance. A robotic platform is realised for manipulation of the focusing optics. This is based on a variable-length continuum manipulator. The latter enables movements of the endoscopic end effector in five degrees of freedom with a mechatronic actuation unit. The kinematic modelling and control of the robot are integrated into a modular framework that is evaluated experimentally. The manipulation of focused laser radiation also requires precise adjustment of the focal position on the tissue. For this purpose, visual, haptic and visual-haptic assistance functions are presented. These support the operator during teleoperation to set an optimal working distance. Advantages of visual-haptic assistance are demonstrated in a user study. The system performance and usability of the overall robotic system are assessed in an additional user study. Analogous to a clinical scenario, the subjects follow predefined target patterns with a laser spot. The mean positioning accuracy of the spot is 0.5 mm. Finally, methods of image-guided robot control are introduced to automate laser ablation. Experiments confirm a positive effect of proposed automation concepts on non-contact laser surgery.Die Anwendung von Lasertechnologien in chirurgischen Interventionen hat sich aufgrund der atraumatischen Eigenschaften in der Klinik etabliert. Neben manueller Applikation von fasergeführten Lasern mit Gewebekontakt hat sich die kontaktfreie transorale Lasermikrochirurgie (TLM) von Tumoren des Larynx in der HNO-Chirurgie durchgesetzt. Die TLM erfordert zur Tumorresektion jedoch ein langjähriges chirurgisches Training, um die Funktion der angrenzenden Organe zu sichern und damit die Lebensqualität der Patienten zu erhalten. Die Positionierung des mikroskopis chen Laserapplikators außerhalb des Patienten kann zudem die direkte Sicht auf das Zielgebiet durch anatomische Variabilität erschweren und den Arbeitsraum einschränken. Weitere klinische Herausforderungen betreffen die Positionierung des Laserfokus auf der Gewebeoberfläche, die Bildgebung, die Planung und Ausführung der Laserablation sowie intraoperative Bewegungen des Zielgebietes. Die vorliegende Dissertation zielt darauf ab, die Limitierungen der TLM durch robotische Ansätze und intraoperative Assistenz zu adressieren. Obwohl ein Trend zur minimal invasiven Chirurgie besteht, sind bislang keine hochintegrierten Plattformen für die endoskopische Applikation fokussierter Laserstrahlung verfügbar. Ebenfalls sind keine Systeme bekannt, die Szeneninformationen aus der endoskopischen Bildgebung in die Ablationsplanung und -ausführung einbeziehen. Für eine situsnahe Fokussierung des Laserstrahls wird in dieser Arbeit zunächst eine miniaturisierte Fokussieroptik zur Integration in endoskopische Systeme vorgestellt. Experimentelle Versuche charakterisieren die optischen Eigenschaften und das Ablationsverhalten. Zur Manipulation der Fokussieroptik wird eine robotische Plattform realisiert. Diese basiert auf einem längenveränderlichen Kontinuumsmanipulator. Letzterer ermöglicht in Kombination mit einer mechatronischen Aktuierungseinheit Bewegungen des Endoskopkopfes in fünf Freiheitsgraden. Die kinematische Modellierung und Regelung des Systems werden in ein modulares Framework eingebunden und evaluiert. Die Manipulation fokussierter Laserstrahlung erfordert zudem eine präzise Anpassung der Fokuslage auf das Gewebe. Dafür werden visuelle, haptische und visuell haptische Assistenzfunktionen eingeführt. Diese unterstützen den Anwender bei Teleoperation zur Einstellung eines optimalen Arbeitsabstandes. In einer Anwenderstudie werden Vorteile der visuell-haptischen Assistenz nachgewiesen. Die Systemperformanz und Gebrauchstauglichkeit des robotischen Gesamtsystems werden in einer weiteren Anwenderstudie untersucht. Analog zu einem klinischen Einsatz verfolgen die Probanden mit einem Laserspot vorgegebene Sollpfade. Die mittlere Positioniergenauigkeit des Spots beträgt dabei 0,5 mm. Zur Automatisierung der Ablation werden abschließend Methoden der bildgestützten Regelung vorgestellt. Experimente bestätigen einen positiven Effekt der Automationskonzepte für die kontaktfreie Laserchirurgie

Pervasive Monitoring - An Intelligent Sensor Pod Approach for Standardised Measurement Infrastructures

Geo-sensor networks have traditionally been built up in closed monolithic systems, thus limiting trans-domain usage of real-time measurements. This paper presents the technical infrastructure of a standardised embedded sensing device, which has been developed in the course of the Live Geography approach. The sensor pod implements data provision standards of the Sensor Web Enablement initiative, including an event-based alerting mechanism and location-aware Complex Event Processing functionality for detection of threshold transgression and quality assurance. The goal of this research is that the resultant highly flexible sensing architecture will bring sensor network applications one step further towards the realisation of the vision of a “digital skin for planet earth”. The developed infrastructure can potentially have far-reaching impacts on sensor-based monitoring systems through the deployment of ubiquitous and fine-grained sensor networks. This in turn allows for the straight-forward use of live sensor data in existing spatial decision support systems to enable better-informed decision-making.Seventh Framework Programme (European Commission) (FP7 project GENESIS no. 223996)Austria. Federal Ministry of Transport, Innovation and TechnologyERA-STAR Regions Project (G2real)Austria. Federal Ministry of Science and Researc

Management and Visualisation of Non-linear History of Polygonal 3D Models

The research presented in this thesis concerns the problems of maintenance and revision control of large-scale three dimensional (3D) models over the Internet. As the models grow in size and the authoring tools grow in complexity, standard approaches to collaborative asset development become impractical. The prevalent paradigm of sharing files on a file system poses serious risks with regards, but not limited to, ensuring consistency and concurrency of multi-user 3D editing. Although modifications might be tracked manually using naming conventions or automatically in a version control system (VCS), understanding the provenance of a large 3D dataset is hard due to revision metadata not being associated with the underlying scene structures. Some tools and protocols enable seamless synchronisation of file and directory changes in remote locations. However, the existing web-based technologies are not yet fully exploiting the modern design patters for access to and management of alternative shared resources online. Therefore, four distinct but highly interconnected conceptual tools are explored. The first is the organisation of 3D assets within recent document-oriented No Structured Query Language (NoSQL) databases. These "schemaless" databases, unlike their relational counterparts, do not represent data in rigid table structures. Instead, they rely on polymorphic documents composed of key-value pairs that are much better suited to the diverse nature of 3D assets. Hence, a domain-specific non-linear revision control system 3D Repo is built around a NoSQL database to enable asynchronous editing similar to traditional VCSs. The second concept is that of visual 3D differencing and merging. The accompanying 3D Diff tool supports interactive conflict resolution at the level of scene graph nodes that are de facto the delta changes stored in the repository. The third is the utilisation of HyperText Transfer Protocol (HTTP) for the purposes of 3D data management. The XML3DRepo daemon application exposes the contents of the repository and the version control logic in a Representational State Transfer (REST) style of architecture. At the same time, it manifests the effects of various 3D encoding strategies on the file sizes and download times in modern web browsers. The fourth and final concept is the reverse-engineering of an editing history. Even if the models are being version controlled, the extracted provenance is limited to additions, deletions and modifications. The 3D Timeline tool, therefore, implies a plausible history of common modelling operations such as duplications, transformations, etc. Given a collection of 3D models, it estimates a part-based correspondence and visualises it in a temporal flow. The prototype tools developed as part of the research were evaluated in pilot user studies that suggest they are usable by the end users and well suited to their respective tasks. Together, the results constitute a novel framework that demonstrates the feasibility of a domain-specific 3D version control

Encoding, Storing and Searching of Analytical Properties and Assigned Metabolite Structures

Informationen über Metabolite und andere kleine organische Moleküle sind von entscheidender Bedeutung in vielen verschiedenen Bereichen der Naturwissenschaften. Sie spielen z.B. eine entscheidende Rolle in metabolischen Netzwerken und das Wissen über ihre Eigenschaften, hilft komplexe biologische Prozesse und komplette biologische Systeme zu verstehen. Da in biologischen und chemischen Laboren täglich Daten anfallen, welche diese Moleküle beschreiben, existiert eine umfassende Datengrundlage, die sich kontinuierlich erweitert. Um Wissenschaftlern die Verarbeitung, den Austausch, die Archivierung und die Suche innerhalb dieser Informationen unter Erhaltung der semantischen Zusammenhänge zu ermöglichen, sind komplexe Softwaresysteme und Datenformate nötig. Das Ziel dieses Projektes bestand darin, Anwendungen und Algorithmen zu entwickeln, welche für die effiziente Kodierung, Sammlung, Normalisierung und Analyse molekularer Daten genutzt werden können. Diese sollen Wissenschaftler bei der Strukturaufklärung, der Dereplikation, der Analyse von molekularen Wechselwirkungen und bei der Veröffentlichung des so gewonnenen Wissens unterstützen. Da die direkte Beschreibung der Struktur und der Funktionsweise einer unbekannten Verbindung sehr schwierig und aufwändig ist, wird dies hauptsächlich indirekt, mit Hilfe beschreibender Eigenschaften erreicht. Diese werden dann zur Vorhersage struktureller und funktioneller Charakteristika genutzt. In diesem Zusammenhang wurden Programmmodule entwickelt, welche sowohl die Visualisierung von Struktur- und Spektroskopiedaten, die gegliederte Darstellung und Veränderung von Metadaten und Eigenschaften, als auch den Import und Export von verschiedenen Datenformaten erlauben. Diese wurden durch Methoden erweitert, welche es ermöglichen, die gewonnenen Informationen weitergehend zu analysieren und Struktur- und Spektroskopiedaten einander zuzuweisen. Außerdem wurde ein System zur strukturierten Archivierung und Verwaltung großer Mengen molekularer Daten und spektroskopischer Informationen, unter Beibehaltung der semantischen Zusammenhänge, sowohl im Dateisystem, als auch in Datenbanken, entwickelt. Um die verlustfreie Speicherung zu gewährleisten, wurde ein offenes und standardisiertes Datenformat definiert (CMLSpect). Dieses erweitert das existierende CML (Chemical Markup Language) Vokabular und erlaubt damit die einfache Handhabung von verknüpften Struktur- und Spektroskopiedaten. Die entwickelten Anwendungen wurden in das Bioclipse System für Bio- und Chemoinformatik eingebunden und bieten dem Nutzer damit eine hochqualitative Benutzeroberfläche und dem Entwickler eine leicht zu erweiternde modulare Programmarchitektur