Adaptive filters and internal models: Multilevel description of cerebellar function

Cerebellar function is increasingly discussed in terms of engineering schemes for motor control and signal processing that involve internal models. To address the relation between the cerebellum and internal models, we adopt the chip metaphor that has been used to represent the combination of a homogeneous cerebellar cortical microcircuit with individual microzones having unique external connections. This metaphor indicates that identifying the function of a particular cerebellar chip requires knowledge of both the general microcircuit algorithm and the chip's individual connections.Here we use a popular candidate algorithm as embodied in the adaptive filter, which learns to decorrelate its inputs from a reference ('teaching', 'error') signal. This algorithm is computationally powerful enough to be used in a very wide variety of engineering applications. However, the crucial issue is whether the external connectivity required by such applications can be implemented biologically.We argue that some applications appear to be in principle biologically implausible: these include the Smith predictor and Kalman filter (for state estimation), and the feedback-error-learning scheme for adaptive inverse control. However, even for plausible schemes, such as forward models for noise cancellation and novelty-detection, and the recurrent architecture for adaptive inverse control, there is unlikely to be a simple mapping between microzone function and internal model structure.This initial analysis suggests that cerebellar involvement in particular behaviours is therefore unlikely to have a neat classification into categories such as 'forward model'. It is more likely that cerebellar microzones learn a task-specific adaptive-filter operation which combines a number of signal-processing roles. © 2012 Elsevier Ltd

Intelligent control of industrial processes

A detailed survey of the field of intelligent control is presented. Current practices are reviewed and the need for a unifying framework to identify and strengthen the underlying core principles is postulated. Intelligent control is redefined to make explicit use of human systems in control as a reference model. Psychological theories of intelligent behaviour reveal certain basic attributes. From these a set of necessary and sufficient conditions for intelligent control are derived. Learning ability is identified as a crucial element. Necessary attributes for learning are prediction capabilities, internal world model, estimation of the model parameters, and active probing to reduce uncertainties. This framewoik is used to define a Learning Based Predictive Control (LBPC) strategy. LBPC is derived from Predictive Functional Control techniques with an adaptive layer implemented by recursive least squares. Improved performance above conventional adaptive control is demonstrated. Distributed parameter systems are identified as a suitable application area requiring an intelligent control approach. Such systems are invariably complex, ill-defined, and nonlinear. Plasticating extrusion processes are considered in particular. LBPC is applied to control of the primary loop to regulate melt temperature and pressure at the die. A novel control technique is proposed for dynamic profile control of extruder barrel wall temperature. This is a two-level hierarchical scheme combining the benefits of LBPC control blocks at the lowest level with decision logic operating at the higher level as a supervisor. This Logic Based Strategy allows multivariable control of non-square systems with more outputs than inputs. The application of LBS to an extruder is demonstrated

Enhancing Computer Network Security through Improved Outlier Detection for Data Streams

V několika posledních letech se metody strojového učení (zvláště ty zabývající se detekcí odlehlých hodnot - OD) v oblasti kyberbezpečnosti opíraly o zjišťování anomálií síťového provozu spočívajících v nových schématech útoků. Detekce anomálií v počítačových sítích reálného světa se ale stala stále obtížnější kvůli trvalému nárůstu vysoce objemných, rychlých a dimenzionálních průběžně přicházejících dat (SD), pro která nejsou k dispozici obecně uznané a pravdivé informace o anomalitě. Účinná detekční schémata pro vestavěná síťová zařízení musejí být rychlá a paměťově nenáročná a musejí být schopna se potýkat se změnami konceptu, když se vyskytnou. Cílem této disertace je zlepšit bezpečnost počítačových sítí zesílenou detekcí odlehlých hodnot v datových proudech, obzvláště SD, a dosáhnout kyberodolnosti, která zahrnuje jak detekci a analýzu, tak reakci na bezpečnostní incidenty jako jsou např. nové zlovolné aktivity. Za tímto účelem jsou v práci navrženy čtyři hlavní příspěvky, jež byly publikovány nebo se nacházejí v recenzním řízení časopisů. Zaprvé, mezera ve volbě vlastností (FS) bez učitele pro zlepšování již hotových metod OD v datových tocích byla zaplněna navržením volby vlastností bez učitele pro detekci odlehlých průběžně přicházejících dat označované jako UFSSOD. Následně odvozujeme generický koncept, který ukazuje dva aplikační scénáře UFSSOD ve spojení s online algoritmy OD. Rozsáhlé experimenty ukázaly, že UFSSOD coby algoritmus schopný online zpracování vykazuje srovnatelné výsledky jako konkurenční metoda upravená pro OD. Zadruhé představujeme nový aplikační rámec nazvaný izolovaný les založený na počítání výkonu (PCB-iForest), jenž je obecně schopen využít jakoukoliv online OD metodu založenou na množinách dat tak, aby fungovala na SD. Do tohoto algoritmu integrujeme dvě varianty založené na klasickém izolovaném lese. Rozsáhlé experimenty provedené na 23 multidisciplinárních datových sadách týkajících se bezpečnostní problematiky reálného světa ukázaly, že PCB-iForest jasně překonává už zavedené konkurenční metody v 61 % případů a dokonce dosahuje ještě slibnějších výsledků co do vyváženosti mezi výpočetními náklady na klasifikaci a její úspěšností. Zatřetí zavádíme nový pracovní rámec nazvaný detekce odlehlých hodnot a rozpoznávání schémat útoku proudovým způsobem (SOAAPR), jenž je na rozdíl od současných metod schopen zpracovat výstup z různých online OD metod bez učitele proudovým způsobem, aby získal informace o nových schématech útoku. Ze seshlukované množiny korelovaných poplachů jsou metodou SOAAPR vypočítány tři různé soukromí zachovávající podpisy podobné otiskům prstů, které charakterizují a reprezentují potenciální scénáře útoku s ohledem na jejich komunikační vztahy, projevy ve vlastnostech dat a chování v čase. Evaluace na dvou oblíbených datových sadách odhalila, že SOAAPR může soupeřit s konkurenční offline metodou ve schopnosti korelace poplachů a významně ji překonává z hlediska výpočetního času . Navíc se všechny tři typy podpisů ve většině případů zdají spolehlivě charakterizovat scénáře útoků tím, že podobné seskupují k sobě. Začtvrté představujeme algoritmus nepárového kódu autentizace zpráv (Uncoupled MAC), který propojuje oblasti kryptografického zabezpečení a detekce vniknutí (IDS) pro síťovou bezpečnost. Zabezpečuje síťovou komunikaci (autenticitu a integritu) kryptografickým schématem s podporou druhé vrstvy kódy autentizace zpráv, ale také jako vedlejší efekt poskytuje funkcionalitu IDS tak, že vyvolává poplach na základě porušení hodnot nepárového MACu. Díky novému samoregulačnímu rozšíření algoritmus adaptuje svoje vzorkovací parametry na základě zjištění škodlivých aktivit. Evaluace ve virtuálním prostředí jasně ukazuje, že schopnost detekce se za běhu zvyšuje pro různé scénáře útoku. Ty zahrnují dokonce i situace, kdy se inteligentní útočníci snaží využít slabá místa vzorkování.ObhájenoOver the past couple of years, machine learning methods - especially the Outlier Detection (OD) ones - have become anchored to the cyber security field to detect network-based anomalies rooted in novel attack patterns. Due to the steady increase of high-volume, high-speed and high-dimensional Streaming Data (SD), for which ground truth information is not available, detecting anomalies in real-world computer networks has become a more and more challenging task. Efficient detection schemes applied to networked, embedded devices need to be fast and memory-constrained, and must be capable of dealing with concept drifts when they occur. The aim of this thesis is to enhance computer network security through improved OD for data streams, in particular SD, to achieve cyber resilience, which ranges from the detection, over the analysis of security-relevant incidents, e.g., novel malicious activity, to the reaction to them. Therefore, four major contributions are proposed, which have been published or are submitted journal articles. First, a research gap in unsupervised Feature Selection (FS) for the improvement of off-the-shell OD methods in data streams is filled by proposing Unsupervised Feature Selection for Streaming Outlier Detection, denoted as UFSSOD. A generic concept is retrieved that shows two application scenarios of UFSSOD in conjunction with online OD algorithms. Extensive experiments have shown that UFSSOD, as an online-capable algorithm, achieves comparable results with a competitor trimmed for OD. Second, a novel unsupervised online OD framework called Performance Counter-Based iForest (PCB-iForest) is being introduced, which generalized, is able to incorporate any ensemble-based online OD method to function on SD. Two variants based on classic iForest are integrated. Extensive experiments, performed on 23 different multi-disciplinary and security-related real-world data sets, revealed that PCB-iForest clearly outperformed state-of-the-art competitors in 61 % of cases and even achieved more promising results in terms of the tradeoff between classification and computational costs. Third, a framework called Streaming Outlier Analysis and Attack Pattern Recognition, denoted as SOAAPR is being introduced that, in contrast to the state-of-the-art, is able to process the output of various online unsupervised OD methods in a streaming fashion to extract information about novel attack patterns. Three different privacy-preserving, fingerprint-like signatures are computed from the clustered set of correlated alerts by SOAAPR, which characterize and represent the potential attack scenarios with respect to their communication relations, their manifestation in the data's features and their temporal behavior. The evaluation on two popular data sets shows that SOAAPR can compete with an offline competitor in terms of alert correlation and outperforms it significantly in terms of processing time. Moreover, in most cases all three types of signatures seem to reliably characterize attack scenarios to the effect that similar ones are grouped together. Fourth, an Uncoupled Message Authentication Code algorithm - Uncoupled MAC - is presented which builds a bridge between cryptographic protection and Intrusion Detection Systems (IDSs) for network security. It secures network communication (authenticity and integrity) through a cryptographic scheme with layer-2 support via uncoupled message authentication codes but, as a side effect, also provides IDS-functionality producing alarms based on the violation of Uncoupled MAC values. Through a novel self-regulation extension, the algorithm adapts its sampling parameters based on the detection of malicious actions on SD. The evaluation in a virtualized environment clearly shows that the detection rate increases over runtime for different attack scenarios. Those even cover scenarios in which intelligent attackers try to exploit the downsides of sampling

Using MapReduce Streaming for Distributed Life Simulation on the Cloud

Distributed software simulations are indispensable in the study of large-scale life models but often require the use of technically complex lower-level distributed computing frameworks, such as MPI. We propose to overcome the complexity challenge by applying the emerging MapReduce (MR) model to distributed life simulations and by running such simulations on the cloud. Technically, we design optimized MR streaming algorithms for discrete and continuous versions of Conway’s life according to a general MR streaming pattern. We chose life because it is simple enough as a testbed for MR’s applicability to a-life simulations and general enough to make our results applicable to various lattice-based a-life models. We implement and empirically evaluate our algorithms’ performance on Amazon’s Elastic MR cloud. Our experiments demonstrate that a single MR optimization technique called strip partitioning can reduce the execution time of continuous life simulations by 64%. To the best of our knowledge, we are the first to propose and evaluate MR streaming algorithms for lattice-based simulations. Our algorithms can serve as prototypes in the development of novel MR simulation algorithms for large-scale lattice-based a-life models.https://digitalcommons.chapman.edu/scs_books/1014/thumbnail.jp

Investigation of mobile devices usage and mobile augmented reality applications among older people

Mobile devices such as tablets and smartphones have allow users to communicate, entertainment, access information and perform productivity. However, older people are having issues to utilise mobile devices that may affect their quality of life and wellbeing. There are some potentials of mobile Augmented Reality (AR) applications to increase older users mobile usage by enhancing their experience and learning. The study aims to investigate mobile devices potential barriers and influence factors in using mobile devices. It also seeks to understand older people issues in using AR applications