Wind turbine condition assessment through power curve copula modeling

Power curves constructed from wind speed and active power output measurements provide an established method of analyzing wind turbine performance. In this paper it is proposed that operational data from wind turbines are used to estimate bivariate probability distribution functions representing the power curve of existing turbines so that deviations from expected behavior can be detected. Owing to the complex form of dependency between active power and wind speed, which no classical parameterized distribution can approximate, the application of empirical copulas is proposed; the statistical theory of copulas allows the distribution form of marginal distributions of wind speed and power to be expressed separately from information about the dependency between them. Copula analysis is discussed in terms of its likely usefulness in wind turbine condition monitoring, particularly in early recognition of incipient faults such as blade degradation, yaw and pitch errors

Recent advances in directional statistics

Mainstream statistical methodology is generally applicable to data observed in Euclidean space. There are, however, numerous contexts of considerable scientific interest in which the natural supports for the data under consideration are Riemannian manifolds like the unit circle, torus, sphere and their extensions. Typically, such data can be represented using one or more directions, and directional statistics is the branch of statistics that deals with their analysis. In this paper we provide a review of the many recent developments in the field since the publication of Mardia and Jupp (1999), still the most comprehensive text on directional statistics. Many of those developments have been stimulated by interesting applications in fields as diverse as astronomy, medicine, genetics, neurology, aeronautics, acoustics, image analysis, text mining, environmetrics, and machine learning. We begin by considering developments for the exploratory analysis of directional data before progressing to distributional models, general approaches to inference, hypothesis testing, regression, nonparametric curve estimation, methods for dimension reduction, classification and clustering, and the modelling of time series, spatial and spatio-temporal data. An overview of currently available software for analysing directional data is also provided, and potential future developments discussed.Comment: 61 page

Generating Best Management Practices for Avian Conservation in a Land-Sparing Agriculture System, and the Habitat-Specific Survival of a Priority Migrant

A large amount of the world’s biodiversity is located in a disproportionately small amount of area, namely the tropics. Many of these areas are experiencing rapid landscape changes, mainly in the form of deforestation for agricultural practices. Current conservation efforts are focused on agricultural areas and their ability to provide habitat. The conservation value of a novel land-sparing agroforestry system, known as Integrated Open Canopy (IOC), was recently demonstrated on the study site when applied to coffee. IOC coffee supports forest species that are uncommon or absent in shade grown coffee. I generated best management practices for IOC farms relative to the conservation of forest-dependent birds by examining what features support the highest richness of species. The goal was to help develop guidelines for the implementation of IOC grown coffee. The Golden-winged warbler (Vermivora chrysoptera) is a Neartic-Neotropical migrant of high conservation priority which has been documented using a range of nonbreeding habitat types, including IOC coffee farms. However, as is the case with many migrant species, little is known about whether survival differs among habitats. Though generally forest dependent, previous work found Golden-winged warblers select for habitat features other than categorical forest types, such as canopy height and microhabitat features. In an attempt to identify quality nonbreeding habitat, I estimated Golden-winged survival rates specific to an array of habitat features

Vision and Locomotion Shape the Interactions between Neuron Types in Mouse Visual Cortex

Cortical computation arises from the interaction of multiple neuronal types, including pyramidal (Pyr) cells and interneurons expressing Sst, Vip, or Pvalb. To study the circuit underlying such interactions, we imaged these four types of cells in mouse primary visual cortex (V1). Our recordings in darkness were consistent with a "disinhibitory" model in which locomotion activates Vip cells, thus inhibiting Sst cells and disinhibiting Pyr cells. However, the disinhibitory model failed when visual stimuli were present: locomotion increased Sst cell responses to large stimuli and Vip cell responses to small stimuli. A recurrent network model successfully predicted each cell type's activity from the measured activity of other types. Capturing the effects of locomotion, however, required allowing it to increase feedforward synaptic weights and modulate recurrent weights. This network model summarizes interneuron interactions and suggests that locomotion may alter cortical computation by changing effective synaptic connectivity

Reliability Models and Failure Detection Algorithms for Wind Turbines

Durante las pasadas décadas, la industria eólica ha sufrido un crecimiento muysignificativo en Europa llevando a la generación eólica al puesto más relevanteen cuanto a producción energética mediante fuentes renovables. Sin embargo, siconsideramos los aspectos económicos, el sector eólico todavía no ha alcanzadoel nivel competitivo necesario para batir a los sistemas de generación de energíaconvencionales.Los costes principales en la explotación de parques eólicos se asignan a lasactividades relacionadas con la Operación y Mantenimiento (O&M). Esto se debeal hecho de que, en la actualidad, la Operación y Mantenimiento está basadaprincipalmente en acciones correctivas o preventivas. Por tanto, el uso de técnicaspredictivas podría reducir de forma significativa los costes relacionados con lasactividades de mantenimiento mejorando así los beneficios globales de la explotaciónde los parques eólicos.Aunque los beneficios del mantenimiento predictivo se consideran cada díamás importantes, existen todavía la necesidad de investigar y explorar dichastécnicas. Modelos de fiabilidad avanzados y algoritmos de predicción de fallospueden facilitar a los operadores la detección anticipada de fallos de componentesen los aerogeneradores y, en base a ello, adaptar sus estrategias de mantenimiento.Hasta la fecha, los modelos de fiabilidad de turbinas eólicas se basan, casiexclusivamente, en la edad de la turbina. Esto es así porque fueron desarrolladosoriginalmente para máquinas que trabajan en entornos ‘amigables’, por ejemplo, enel interior de naves industriales. Los aerogeneradores, al contrario, están expuestosa condiciones ambientales altamente variables y, por tanto, los modelos clásicosde fiabilidad no reflejan la realidad con suficiente precisión. Es necesario, portanto, desarrollar nuevos modelos de fiabilidad que sean capaces de reproducir el comportamiento de los fallos de las turbinas eólicas y sus componentes, teniendoen cuenta las condiciones meteorológicas y operacionales en su emplazamiento.La predicción de fallos se realiza habitualmente utilizando datos que se obtienendel sistema de Supervisión Control y Adquisición de Datos (SCADA) o de Sistemasde Monitorización de Condición (CMS). Cabe destacar que en turbinas eólicasmodernas conviven ambos tipos de sistemas y la fusión de ambas fuentes de datospuede mejorar significativamente la detección de fallos. Esta tesis pretende mejorarlas prácticas actuales de Operación y Mantenimiento mediante: (1) el desarrollo demodelos avanzados de fiabilidad y detección de fallos basados en datos que incluyanlas condiciones ambientales y operacionales existentes en los parques eólicos y (2)la aplicación de nuevos algoritmos de detección de fallos que usen las condicionesambientales y operacionales del emplazamiento, así como datos procedentes tantode sistemas SCADA como CMS. Estos dos objetivos se han dividido en cuatrotareas.En la primera tarea se ha realizado un análisis exhaustivo tanto de los fallosproducidos en un amplio conjunto de aerogeneradores (amplio en número de turbinasy en longitud de los registros) como de sus tiempos de parada asociados. De estaforma, se han visualizado los componentes que más fallan en función de la tecnologíadel aerogenerador, así como sus modos de fallo. Esta información es vital para eldesarrollo posterior de modelos de fiabilidad y mantenimiento.En segundo lugar, se han investigado las condiciones meteorológicas previasa sucesos con fallos de los principales componentes de los aerogeneradores. Seha desarrollado un entorno de aprendizaje basado en datos utilizando técnicas deagrupamiento ‘k-means clustering’ y reglas de asociación ‘a priori’. Este entorno escapaz de manejar grandes cantidades de datos proporcionando resultados útiles yfácilmente visualizables. Adicionalmente, se han aplicado algoritmos de detecciónde anomalías y patrones para encontrar cambios abruptos y patrones recurrentesen la serie temporal de la velocidad del viento en momentos previos a los fallosde los componentes principales de los aerogeneradores. En la tercera tarea, sepropone un nuevo modelo de fiabilidad que incorpora directamente las condicionesmeteorológicas registradas durante los dos meses previos al fallo. El modelo usados procesos estadísticos separados, uno genera los sucesos de fallos, así comoceros ocasionales mientras que el otro genera los ceros estructurales necesarios paralos algoritmos de cálculo. Los posibles efectos no observados (heterogeneidad) en el parque eólico se tienen en cuenta de forma adicional. Para evitar problemas de‘over-fitting’ y multicolinearidades, se utilizan sofisticadas técnicas de regularización.Finalmente, la capacidad del modelo se verifica usando datos históricos de fallosy lecturas meteorológicas obtenidas en los mástiles meteorológicos de los parqueseólicos.En la última tarea se han desarrollado algoritmos de predicción basados encondiciones meteorológicas y en datos operacionales y de vibraciones. Se ha‘entrenado’ una red de Bayes, para predecir los fallos de componentes en unparque eólico, basada fundamentalmente en las condiciones meteorológicas delemplazamiento. Posteriormente, se introduce una metodología para fusionar datosde vibraciones obtenidos del CMS con datos obtenidos del sistema SCADA, conel objetivo de analizar las relaciones entre ambas fuentes. Estos datos se hanutilizado para la predicción de fallos en el eje principal utilizando varios algoritmosde inteligencia artificial, ‘random forests’, ‘gradient boosting machines’, modelosgeneralizados lineales y redes neuronales artificiales. Además, se ha desarrolladouna herramienta para la evaluación on-line de los datos de vibraciones (CMS)denominada DAVE (‘Distance Based Automated Vibration Evaluation’).Los resultados de esta tesis demuestran que el comportamiento de los fallos delos componentes de aerogeneradores está altamente influenciado por las condicionesmeteorológicas del emplazamiento. El entorno de aprendizaje basado en datos escapaz de identificar las condiciones generales y temporales específicas previas alos fallos de componentes. Además, se ha demostrado que, con los modelos defiabilidad y algoritmos de detección propuestos, la Operación y Mantenimiento delas turbinas eólicas puede mejorarse significativamente. Estos modelos de fiabilidady de detección de fallos son los primeros que proporcionan una representaciónrealística y específica del emplazamiento, al considerar combinaciones complejasde las condiciones ambientales, así como indicadores operacionales y de estadode operación obtenidos a partir de la fusión de datos de vibraciones CMS y datosdel SCADA. Por tanto, este trabajo proporciona entornos prácticos, modelos yalgoritmos que se podrán aplicar en el campo del mantenimiento predictivo deturbinas eólicas.<br /

A Cellular Resolution Map of Barrel Cortex Activity during Tactile Behavior

SummaryComprehensive measurement of neural activity remains challenging due to the large numbers of neurons in each brain area. We used volumetric two-photon imaging in mice expressing GCaMP6s and nuclear red fluorescent proteins to sample activity in 75% of superficial barrel cortex neurons across the relevant cortical columns, approximately 12,000 neurons per animal, during performance of a single whisker object localization task. Task-related activity peaked during object palpation. An encoding model related activity to behavioral variables. In the column corresponding to the spared whisker, 300 layer (L) 2/3 pyramidal neurons (17%) each encoded touch and whisker movements. Touch representation declined by half in surrounding columns; whisker movement representation was unchanged. Following the emergence of stereotyped task-related movement, sensory representations showed no measurable plasticity. Touch direction was topographically organized, with distinct organization for passive and active touch. Our work reveals sparse and spatially intermingled representations of multiple tactile features.Video Abstrac

Going to the Zoo: Using Tags to Create Measures for Animal Health, Well-being and Welfare in a Managed Care Setting

This PhD investigates how animal-attached motion-sensitive electronic tags might create behavioural biomarkers for animal ‘state’. Such biomarkers could indicate good health, disease, and injuries as well as positive and negative affective states. Success could have widespread implications for the well-being of numerous species in managed care by optimising welfare practices. This work primarily involved loggerhead sea turtles, Caretta caretta, in different states of health at the Arca del Mar rehabilitation centre, Oceanogràfic, Valencia, Spain, however the potential of tags for various aquatic, aerial and terrestrial species is also considered. Initially, the concept of tag-derived behavioural biomarkers for health (TDBBs) was established, examining data from ‘healthy’ and ‘unhealthy’ rehabilitating sea turtles to identify potentially useful metrics for specific injuries and/or diseases. Then, potential TDBBs for ‘healthy’ turtles and those with gas emboli were created, with variance in body attitude, number of 45° turns per hour and mean angular velocity per hour showing the most promise to differentiate the two groups. TDBBs were also explored for welfare, giving ‘healthy’ turtles nutritional enrichment, demonstrating that enrichment procedures do not always affect captive animal behaviour. To consider welfare implications of captivity, the movement behaviour of free-living and managed-care loggerheads was compared to determine wild-type and captive behaviour overlap. Findings revealed significant differences in the variance in pitch, heading and absolute angular velocity as well as the number of turns per hour. The final research topic considered trajectory step length data (the distances travelled in between turns), derived from tags deployed on nine wild species, for informing enclosure size for captive animals. The findings revealed that existing enclosure size guidelines regularly only permitted animals to undertake a very small percentage (often less than 3 %) of the step lengths recorded from free-living conspecifics. Last, the potential of TDBBs is reviewed, with limitations and future research discussed

Towards an Efficient Gas Exchange Monitoring with Electrical Impedance Tomography - Optimization and validation of methods to investigate and understand pulmonary blood flow with indicator dilution

In vielen Fällen sind bei Patienten, die unter stark gestörtem Gasaustausch der Lunge leiden, die regionale Lungenventilation und die Perfusion nicht aufeinander abgestimmt. Besonders bei Patienten mit akutem Lungenversagen sind sehr heterogene räumliche Verteilungen von Belüftung und Perfusion der Lunge zu beobachten. Diese Patienten müssen auf der Intensivstation künstlich beatmet und überwacht werden, um einen ausreichenden Gasaustausch sicherzustellen. Bei schweren Lungenverletzungen ist es schwierig, durch die Anwendung hoher Beatmungsdrücke und -volumina eine optimale Balance zwischen dem Rekrutieren kollabierter Regionen zu finden, und gleichzeitig die Lunge vor weiterem Schaden durch die von außen angelegten Drücke zu schützen. Das Interesse für eine bettseitige Messung und Darstellung der regionalen Belüftungs- und Perfusionsverteilung für den Einsatz auf der Intensivstation ist in den letzten Jahren stark gestiegen, um eine lungenprotektive Beatmung zu ermöglichen und klinische Diagnosen zu vereinfachen. Die Elektrische-Impedanztomographie (EIT) ist ein nicht-invasives, strahlungsfreies und sehr mobil einsetzbares System. Es bietet eine hohe zeitliche Abtastung und eine funktionelle räumliche Auflösung, die es ermöglicht, dynamische (patho-) physiologische Prozesse zu visualisieren und zu überwachen. Die medizinische Forschung an EIT hat sich dabei hauptsächlich auf die Schätzung der räumlichen Belüftung konzentriert. Kommerziell erhältliche Systeme haben gezeigt, dass die EIT eine wertvolle Entscheidungshilfe während der mechanischen Beatmung darstellt. Allerdings ist die Abschätzung der pulmonalen Perfusion mit EIT noch nicht etabliert. Dies könnte das fehlende Glied sein, um die Analyse des pulmonalen Gasaustauschs am Krankenbett zu ermöglichen. Obwohl einige Publikationen die prinzipielle Machbarkeit der indikatorgestützten EIT zur Schätzung der räumlichen Verteilung des pulmonalen Blutflusses gezeigt haben, müssen diese Methoden optimiert und durch Vergleich mit dem Goldstandard des Lungenperfusions-Monitorings validiert werden. Darüber hinaus ist weitere Forschung notwendig, um zu verstehen welche physiologischen Informationen der EIT-Perfusionsschätzung zugrunde liegen. Mit der vorliegenden Arbeit soll die Frage beantwortet werden, ob bei der klinischen Anwendung von EIT neben der regionalen Belüftung auch räumliche Informationen des pulmonalen Blutflusses geschätzt werden können, um damit potenziell den pulmonalen Gasaustausch am Krankenbett beurteilen zu können. Die räumliche Verteilung der Perfusion wurde durch Bolusinjektion einer leitfähigen Kochsalzlösung als Indikator geschätzt, um die Verteilung des Indikators während seines Durchgangs durch das Gefäßsystem der Lunge zu verfolgen. Verschiedene dynamische EIT-Rekonstruktionsmethoden und Perfusionsparameter Schätzmethoden wurden entwickelt und verglichen, um den pulmonalen Blutfluss robust beurteilen zu können. Die geschätzten regionalen EIT-Perfusionsverteilungen wurden gegen Goldstandard Messverfahren der Lungenperfusion validiert. Eine erste Validierung wurde anhand von Daten einer tierexperimentellen Studie durchgeführt, bei der die Multidetektor-Computertomographie als vergleichende Lungenperfusionsmessung verwendet wurde. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit eine umfassende präklinische Tierstudie durchgeführt, um die Lungenperfusion mit indikatorverstärkter EIT und Positronen-Emissions-Tomographie während mehrerer verschiedener experimenteller Zustände zu untersuchen. Neben einem gründlichen Methodenvergleich sollte die klinische Anwendbarkeit der indikatorgestützten EIT-Perfusionsmessung untersucht werden, indem wir vor allem die minimale Indikatorkonzentration analysierten, die eine robuste Perfusionsschätzung erlaubte und den geringsten Einfluss für den Patienten darstellt. Neben den experimentellen Validierungsstudien wurden zwei in-silico-Untersuchungen durchgeführt, um erstens die Sensitivität von EIT gegenüber des Durchgangs eines leitfähigen Indikators durch die Lunge vor stark heterogenem pulmonalen Hintergrund zu bewerten. Zweitens untersuchten wir die physiologischen Einflüsse, die zu den rekonstruierten EITPerfusionsbildern beitragen, um die Limitationen der Methode besser zu verstehen. Die Analysen zeigten, dass die Schätzung der Lungenperfusion auf der Basis der indikatorverstärkten EIT ein großes Potenzial für die Anwendung in der klinischen Praxis aufweist, da wir sie mit zwei Goldstandard-Perfusionsmesstechniken validieren konnten. Zudem konnten wertvolle Schlüsse über die physiologischen Einflüsse auf die geschätzten EIT Perfusionsverteilungen gezogen werden