Robust leak localization in water distribution networks using machine learning techniques

Aplicat embargament des de la data de lectura fins el 20 de desembre de 2019This PhD thesis presents a methodology to detect, estimate and localize water leaks (with the main focus in the localization problem) in water distribution networks using hydraulic models and machine learning techniques. The actual state of the art is introduced, the theoretical basis of the machine learning techniques applied are explained and the hydraulic model is also detailed. The whole methodology is presented and tested into different water distribution networks and district metered areas based on simulated and real case studies and compared with published methods. The focus of the contributions is to bring more robust methods against the uncertainties that effects the problem of leak detection, by dealing with them using the self-similarity to create features monitored by the change detection technique intersection-of-confidence-interval, and the leak localization where the problem is tackled using machine learning techniques. By using those techniques, it is expected to learn the leak behavior considering their uncertainty to be used in the diagnosis stage after the training phase. One method for the leak detection problem is presented that is able to estimate the leak size and the time that the leak has been produced. This method captures the normal, leak-free, behavior and contrast it with the new measurements in order to evaluate the state of the network. If the behavior is not normal check if it is due to a leak. To have a more robust leak detection method, a specific validation is designed to operate specifically with leaks and in the temporal region where the leak is most apparent. A methodology to extent the current model-based approach to localize water leaks by means of classifiers is proposed where the non-parametric k-nearest neighbors classifier and the parametric multi-class Bayesian classifier are proposed. A new data-driven approach to localize leaks using a multivariate regression technique without the use of hydraulic models is also introduced. This method presents a clear benefit over the model-based technique by removing the need of the hydraulic model despite of the topological information is still required. Also, the information of the expected leaks is not required since information of the expected hydraulic behavior with leak is exploited to find the place where the leak is more suitable. This method has a good performance in practice, but is very sensitive to the number of sensor in the network and their sensor placement. The proposed sensor placement techniques reduce the computational load required to take into account the amount of data needed to model the uncertainty compared with other optimization approaches while are designed to work with the leak localization problem. More precisely, the proposed hybrid feature selection technique for sensor placement is able to work with any method that can be evaluated with confusion matrix and still being specialized for the leak localization task. This last method is good for a few sensors, but lacks of precision when the number of sensors to place is large. To overcome this problem an incremental sensor placement is proposed which is better for a larger number of sensors to place but worse when the number is small.Aquesta tesi presenta una nova metodologia per a localització de fuites en xarxes de distribució d'aigua potable. Primer s'ha revisat l'estat del art actual i les bases teòriques tant de les tècniques de machine learning utilitzades al llarg de la tesi com els mètodes existents de localització de fuites. La metodologia presentada s'ha provat en diferents xarxes d'aigua simulades i reals, comparant el resultats amb altres mètodes publicats. L'objectiu principal de la contribució aportada és el de desenvolupar mètodes més robustos enfront les incerteses que afecten a la localització de fuites. En el cas de la detecció i estimació de la magnitud de la fuita, s'utilitza la tècnica self-similarity per crear els indicadors es monitoritzen amb la tècnica de detecció de canvis ("intersection-of-confidence-intervals"). En el cas de la localització de les fuites, s'han fet servir les tècniques de classificadors i interpoladors provinents del machine learning. A l'utilitzar aquestes tècniques s'espera captar el comportament de la fuita i de la incertesa per aprendre i tenir-ho en compte en la fase de la localització de la fuita. El mètode de la detecció de fallades proposat és capaç d'estimar la magnitud de la fuita i l'instant en que s'ha produït. Aquest mètode captura el comportament normal, sense fuita, i el contrasta amb les noves mesures per avaluar l'estat de la xarxa. En el cas que el comportament no sigui el normal, es procedeix a comprovar si això és degut a una fuita. Per tenir una mètode de detecció més robust, es fa servir una capa de validació especialment dissenyada per treballar específicament amb fuites i en la regió temporal en que la fuita és més evident. Per tal de millorar l'actual metodologia de localització de fuites mitjançant models hidràulics s'ha proposat l'ús de classificadors. Per una banda es proposa el classificador no paramètric k-nearest neighbors i per l'altre banda el classificador Bayesià paramètric per múltiples classes. Finalment, s'ha desenvolupat un nou mètode de localització de fuites basat en models de dades mitjançant la regressió de múltiples paràmetres sense l'ús del model hidràulic de la xarxa. Finalment, s'ha tractat el problema de la col·locació de sensors. El rendiment de la localització de fuites està relacionada amb la col·locació de sensors i és particular per a cada mètode de localització. Amb l'objectiu de maximitzar el rendiment dels mètodes de localització de fuites presentats anteriorment, es presenten i avaluen tècniques de col·locació de sensors específicament dissenyats ja que el problema de combinatòria no es pot manejar intentant cada possible combinació de sensors a part de les xarxes més petites amb pocs sensors per instal·lar. Aquestes tècniques de col·locació de sensors exploten el potencial de les tècniques de selecció de variables per tal de realitzar la tasca desitjada.Esta tesis doctoral presenta una nueva metodología para detectar, estimar el tamaño y localizar fugas de agua (donde el foco principal está puesto en el problema de la localización de fugas) en redes de distribución de agua potable. La tesis presenta una revisión del estado actual y las bases de las técnicas de machine learning que se aplican, así como una explicación del modelo hidráulico de las redes de agua. El conjunto de la metodología se presenta y prueba en diferentes redes de distribución de agua y sectores de consumo con casos de estudio simulados y reales, y se compara con otros métodos ya publicados. La contribución principal es la de desarrollar métodos más robustos frente a la incertidumbre de los datos. En la detección de fugas, la incertidumbre se trata con la técnica del self-similarity para la generación de indicadores que luego son monitoreados per la técnica de detección de cambios conocida como intersection-of-confidece-interval. En la localización de fugas el problema de la incertidumbre se trata con técnicas de machine learning. Al utilizar estas técnicas se espera aprender el comportamiento de la fuga y su incertidumbre asociada para tenerlo en cuenta en la fase de diagnóstico. El método presentado para la detección de fugas tiene la habilidad de estimar la magnitud y el instante en que la fuga se ha producido. Este método captura el comportamiento normal, sin fugas, del sistema y lo contrasta con las nuevas medidas para evaluar el estado actual de la red. En el caso de que el comportamiento no sea el normal, se comprueba si es debido a la presencia de una fuga en el sistema. Para obtener un método de detección más robusto, se considera una capa de validación especialmente diseñada para trabajar específicamente con fugas y durante el periodo temporal donde la fuga es más evidente. Esta técnica se compara con otras ya publicadas proporcionando una detección más fiable, especialmente en el caso de fugas pequeñas, al mismo tiempo que proporciona más información que puede ser usada en la fase de la localización de la fuga permitiendo mejorarla. El principal problema es que el método es más lento que los otros métodos analizados. Con el fin de mejorar la actual metodología de localización de fugas mediante modelos hidráulicos, se propone la utilización de clasificadores. Concretamente, se propone el clasificador no paramétrico k-nearest neighbors y el clasificador Bayesiano paramétrico para múltiples clases. La propuesta de localización de fugas mediante modelos hidráulicos y clasificadores permite gestionar la incertidumbre de los datos mejor para obtener un diagnóstico de la localización de la fuga más preciso. El principal inconveniente recae en el coste computacional, aunque no se realiza en tiempo real, de los datos necesarios por el clasificador para aprender correctamente la dispersión de los datos. Además, el método es muy dependiente de la calidad del modelo hidráulico de la red. En el campo de la localización de fugas, se a propuesto un nuevo método de localización de fugas basado en modelos de datos mediante la regresión de múltiples parámetros sin el uso de modelo hidráulico. Este método presenta un claro beneficio respecto a las técnicas basadas en modelos hidráulicos ya que prescinde de su uso, aunque la información topológica de la red es aún necesaria. Además, la información del comportamiento de la red para cada fuga no es necesario, ya que el conocimiento del efecto hidráulico de una fuga en un determinado punto de la red es utilizado para la localización. Este método ha dado muy buenos resultados en la práctica, aunque es muy sensible al número de sensores y a su colocación en la red. Finalmente, se trata el problema de la colocación de sensores. El desempeño de la localización de fugas está ligado a la colocación de los sensores y es particular para cada método. Con el objetivo de maximizar el desempeño de los métodos de localización de fugas presentados, técnicas de colocación de sensores específicamente diseñados para ellos se han presentado y evaluado. Dado que el problema de combinatoria que presenta no puede ser tratado analizando todas las posibles combinaciones de sensores excepto en las redes más pequeñas con unos pocos sensores para instalar. Estas técnicas de colocación de sensores explotan el potencial de las técnicas de selección de variables para realizar la tarea deseada. Las técnicas de colocación de sensores propuestas reducen la carga computacional, requerida para tener en cuenta todos los datos necesarios para modelar bien la incertidumbre, comparado con otras propuestas de optimización al mismo tiempo que están diseñadas para trabajar en la tarea de la localización de fugas. Más concretamente, la propuesta basada en la técnica híbrida de selección de variables para la colocación de sensores es capaz de trabajar con cualquier técnica de localización de fugas que se pueda evaluar con la matriz de confusión y ser a la vez óptimo. Este método es muy bueno para la colocación de sensores, pero el rendimiento disminuye a medida que el número de sensores a colocar crece. Para evitar este problema, se propone método de colocación de sensores de forma incremental que presenta un mejor rendimiento para un número alto de sensores a colocar, aunque no es tan eficaz con pocos sensores a colocar.Postprint (published version

Robust leak localization in water distribution networks using machine learning techniques

This PhD thesis presents a methodology to detect, estimate and localize water leaks (with the main focus in the localization problem) in water distribution networks using hydraulic models and machine learning techniques. The actual state of the art is introduced, the theoretical basis of the machine learning techniques applied are explained and the hydraulic model is also detailed. The whole methodology is presented and tested into different water distribution networks and district metered areas based on simulated and real case studies and compared with published methods. The focus of the contributions is to bring more robust methods against the uncertainties that effects the problem of leak detection, by dealing with them using the self-similarity to create features monitored by the change detection technique intersection-of-confidence-interval, and the leak localization where the problem is tackled using machine learning techniques. By using those techniques, it is expected to learn the leak behavior considering their uncertainty to be used in the diagnosis stage after the training phase. One method for the leak detection problem is presented that is able to estimate the leak size and the time that the leak has been produced. This method captures the normal, leak-free, behavior and contrast it with the new measurements in order to evaluate the state of the network. If the behavior is not normal check if it is due to a leak. To have a more robust leak detection method, a specific validation is designed to operate specifically with leaks and in the temporal region where the leak is most apparent. A methodology to extent the current model-based approach to localize water leaks by means of classifiers is proposed where the non-parametric k-nearest neighbors classifier and the parametric multi-class Bayesian classifier are proposed. A new data-driven approach to localize leaks using a multivariate regression technique without the use of hydraulic models is also introduced. This method presents a clear benefit over the model-based technique by removing the need of the hydraulic model despite of the topological information is still required. Also, the information of the expected leaks is not required since information of the expected hydraulic behavior with leak is exploited to find the place where the leak is more suitable. This method has a good performance in practice, but is very sensitive to the number of sensor in the network and their sensor placement. The proposed sensor placement techniques reduce the computational load required to take into account the amount of data needed to model the uncertainty compared with other optimization approaches while are designed to work with the leak localization problem. More precisely, the proposed hybrid feature selection technique for sensor placement is able to work with any method that can be evaluated with confusion matrix and still being specialized for the leak localization task. This last method is good for a few sensors, but lacks of precision when the number of sensors to place is large. To overcome this problem an incremental sensor placement is proposed which is better for a larger number of sensors to place but worse when the number is small.Aquesta tesi presenta una nova metodologia per a localització de fuites en xarxes de distribució d'aigua potable. Primer s'ha revisat l'estat del art actual i les bases teòriques tant de les tècniques de machine learning utilitzades al llarg de la tesi com els mètodes existents de localització de fuites. La metodologia presentada s'ha provat en diferents xarxes d'aigua simulades i reals, comparant el resultats amb altres mètodes publicats. L'objectiu principal de la contribució aportada és el de desenvolupar mètodes més robustos enfront les incerteses que afecten a la localització de fuites. En el cas de la detecció i estimació de la magnitud de la fuita, s'utilitza la tècnica self-similarity per crear els indicadors es monitoritzen amb la tècnica de detecció de canvis ("intersection-of-confidence-intervals"). En el cas de la localització de les fuites, s'han fet servir les tècniques de classificadors i interpoladors provinents del machine learning. A l'utilitzar aquestes tècniques s'espera captar el comportament de la fuita i de la incertesa per aprendre i tenir-ho en compte en la fase de la localització de la fuita. El mètode de la detecció de fallades proposat és capaç d'estimar la magnitud de la fuita i l'instant en que s'ha produït. Aquest mètode captura el comportament normal, sense fuita, i el contrasta amb les noves mesures per avaluar l'estat de la xarxa. En el cas que el comportament no sigui el normal, es procedeix a comprovar si això és degut a una fuita. Per tenir una mètode de detecció més robust, es fa servir una capa de validació especialment dissenyada per treballar específicament amb fuites i en la regió temporal en que la fuita és més evident. Per tal de millorar l'actual metodologia de localització de fuites mitjançant models hidràulics s'ha proposat l'ús de classificadors. Per una banda es proposa el classificador no paramètric k-nearest neighbors i per l'altre banda el classificador Bayesià paramètric per múltiples classes. Finalment, s'ha desenvolupat un nou mètode de localització de fuites basat en models de dades mitjançant la regressió de múltiples paràmetres sense l'ús del model hidràulic de la xarxa. Finalment, s'ha tractat el problema de la col·locació de sensors. El rendiment de la localització de fuites està relacionada amb la col·locació de sensors i és particular per a cada mètode de localització. Amb l'objectiu de maximitzar el rendiment dels mètodes de localització de fuites presentats anteriorment, es presenten i avaluen tècniques de col·locació de sensors específicament dissenyats ja que el problema de combinatòria no es pot manejar intentant cada possible combinació de sensors a part de les xarxes més petites amb pocs sensors per instal·lar. Aquestes tècniques de col·locació de sensors exploten el potencial de les tècniques de selecció de variables per tal de realitzar la tasca desitjada.Esta tesis doctoral presenta una nueva metodología para detectar, estimar el tamaño y localizar fugas de agua (donde el foco principal está puesto en el problema de la localización de fugas) en redes de distribución de agua potable. La tesis presenta una revisión del estado actual y las bases de las técnicas de machine learning que se aplican, así como una explicación del modelo hidráulico de las redes de agua. El conjunto de la metodología se presenta y prueba en diferentes redes de distribución de agua y sectores de consumo con casos de estudio simulados y reales, y se compara con otros métodos ya publicados. La contribución principal es la de desarrollar métodos más robustos frente a la incertidumbre de los datos. En la detección de fugas, la incertidumbre se trata con la técnica del self-similarity para la generación de indicadores que luego son monitoreados per la técnica de detección de cambios conocida como intersection-of-confidece-interval. En la localización de fugas el problema de la incertidumbre se trata con técnicas de machine learning. Al utilizar estas técnicas se espera aprender el comportamiento de la fuga y su incertidumbre asociada para tenerlo en cuenta en la fase de diagnóstico. El método presentado para la detección de fugas tiene la habilidad de estimar la magnitud y el instante en que la fuga se ha producido. Este método captura el comportamiento normal, sin fugas, del sistema y lo contrasta con las nuevas medidas para evaluar el estado actual de la red. En el caso de que el comportamiento no sea el normal, se comprueba si es debido a la presencia de una fuga en el sistema. Para obtener un método de detección más robusto, se considera una capa de validación especialmente diseñada para trabajar específicamente con fugas y durante el periodo temporal donde la fuga es más evidente. Esta técnica se compara con otras ya publicadas proporcionando una detección más fiable, especialmente en el caso de fugas pequeñas, al mismo tiempo que proporciona más información que puede ser usada en la fase de la localización de la fuga permitiendo mejorarla. El principal problema es que el método es más lento que los otros métodos analizados. Con el fin de mejorar la actual metodología de localización de fugas mediante modelos hidráulicos, se propone la utilización de clasificadores. Concretamente, se propone el clasificador no paramétrico k-nearest neighbors y el clasificador Bayesiano paramétrico para múltiples clases. La propuesta de localización de fugas mediante modelos hidráulicos y clasificadores permite gestionar la incertidumbre de los datos mejor para obtener un diagnóstico de la localización de la fuga más preciso. El principal inconveniente recae en el coste computacional, aunque no se realiza en tiempo real, de los datos necesarios por el clasificador para aprender correctamente la dispersión de los datos. Además, el método es muy dependiente de la calidad del modelo hidráulico de la red. En el campo de la localización de fugas, se a propuesto un nuevo método de localización de fugas basado en modelos de datos mediante la regresión de múltiples parámetros sin el uso de modelo hidráulico. Este método presenta un claro beneficio respecto a las técnicas basadas en modelos hidráulicos ya que prescinde de su uso, aunque la información topológica de la red es aún necesaria. Además, la información del comportamiento de la red para cada fuga no es necesario, ya que el conocimiento del efecto hidráulico de una fuga en un determinado punto de la red es utilizado para la localización. Este método ha dado muy buenos resultados en la práctica, aunque es muy sensible al número de sensores y a su colocación en la red. Finalmente, se trata el problema de la colocación de sensores. El desempeño de la localización de fugas está ligado a la colocación de los sensores y es particular para cada método. Con el objetivo de maximizar el desempeño de los métodos de localización de fugas presentados, técnicas de colocación de sensores específicamente diseñados para ellos se han presentado y evaluado. Dado que el problema de combinatoria que presenta no puede ser tratado analizando todas las posibles combinaciones de sensores excepto en las redes más pequeñas con unos pocos sensores para instalar. Estas técnicas de colocación de sensores explotan el potencial de las técnicas de selección de variables para realizar la tarea deseada. Las técnicas de colocación de sensores propuestas reducen la carga computacional, requerida para tener en cuenta todos los datos necesarios para modelar bien la incertidumbre, comparado con otras propuestas de optimización al mismo tiempo que están diseñadas para trabajar en la tarea de la localización de fugas. Más concretamente, la propuesta basada en la técnica híbrida de selección de variables para la colocación de sensores es capaz de trabajar con cualquier técnica de localización de fugas que se pueda evaluar con la matriz de confusión y ser a la vez óptimo. Este método es muy bueno para la colocación de sensores, pero el rendimiento disminuye a medida que el número de sensores a colocar crece. Para evitar este problema, se propone método de colocación de sensores de forma incremental que presenta un mejor rendimiento para un número alto de sensores a colocar, aunque no es tan eficaz con pocos sensores a colocar

The influence of model and measurement uncertainties on damage detection of experimental structures through recursive algorithms

In this work, we developed a framework for identifying frame-type structures regarding the measurement uncertainty and the uncertainty involved in inherent and structural parameters. The identification process is illustrated and examined on a one-eight-scale four-story moment-resisting steel frame under seismic excitation using two well-known recursive schemes: the Extended Kalman filter (EKF) and Unscented Kalman Filter (UKF) methods. The nonlinear system equations were assessed by applying a first-order instantaneous linearization approach through the EKF method. In contrast, the UKF algorithm employs several sample points to estimate moments of random variables’ nonlinear transformations. A nonlinear transformation is applied to distribute sample points to derive the precise mean and covariance up to the second order of any nonlinearity. Accordingly, it is theoretically expected that the UKF algorithm is more capable of identifying the nonlinear systems and determining the unknown parameters than the EKF algorithm. The capability of the EKF and UKF algorithms was assessed by considering a 4-story moment-resisting steel frame with several inherent uncertainties, including the material behavior model, boundary conditions, and constraints. In addition to these uncertainties, the combination of acceleration and displacement responses of different structural levels is employed to evaluate the capability of the algorithms. The information entropy measure is used to investigate further the uncertainty of a group of established model parameters. As highlighted, a good agreement is observed between the results using the information entropy measure criterion and those using the UKF and EKF algorithms. The results illustrate that using the responses of fewer levels placed in the proper positions may lead to improved outcomes than those of more improperly positioned levels

Soft sensor development and process control of anaerobic digestion

This thesis focuses on soft sensor development based on fuzzy logic used for real time online monitoring of anaerobic digestion to improve methane output and for robust fermentation. Important process parameter indicators such as pH, biogas production, daily difference in pH and daily difference in biogas production were used to infer alkalinity, a reliable indicator of process stability. Additionally, a fuzzy logic and a rule-based controller were developed and tested with single stage anaerobic digesters operating with cow slurry and cellulose. Alkalinity predictions from the fuzzy logic algorithm were used by both controllers to regulate the organic loading rate that aimed to optimise the biogas process. The predictive performance of a software sensor determining alkalinity that was designed using fuzzy logic and subtractive clustering and was validated against multiple linear regression models that were developed (Partner N° 2, Rothamsted Research 2010) for the same purpose. More accurate alkalinity predictions were achieved by utilizing a fuzzy software sensor designed with less amount of data compared to a multiple linear regression model whose design was based on a larger database. Those models were utilised to control the organic loading rate of a twostage, semi-continuously fed stirred reactor system. Three 5l reactors without support media and three 5l reactors with different support media (burst cell reticulated polyurethane foam coarse, burst cell reticulated polyurethane foam medium and sponge) were operated with cow slurry for a period of seven weeks and twenty weeks respectively. Reactors with support media were proven to be more stable than the reactors without support media but did not exhibit higher gas productivity. Biomass support media were found to influence digester recovery positively by reducing the recovery period. Optimum process parameter ranges were identified for reactors with and without support media. Increased biogas production was found to occur when the loading rates were 3-3.5g VS/l/d and 4-5g VS/l/d respectively. Optimum pH ranges were identified between 7.1-7.3 and 6.9-7.2 for reactors with and without support media respectively, whereas all reactors became unstable at ph<6.9. Alkalinity levels for system stability appeared to be above 3500 mg/l of HCO3 - for reactors without media and 3480 mg/l of HCO3 - for reactors with support media. Biogas production was maximized when alkalinity was 3 between 3500-4500 mg/l of HCO3 - for reactors without support media and 3480- 4300 mg/l of HCO3 - for reactors with support media. Two fuzzy logic models predicting alkalinity based on the operation of the three 5l reactors with support media were developed (FIS I, FIS II). The FIS II design was based on a larger database than FIS I. FIS II performance when applied to the reactor where sponge was used as the support media was characterized by quite good MAE and bias values of 466.53 mg/l of HCO3- and an acceptable value for R2= 0.498. The NMSE was close to 0 with a value of 0.03 and a slightly higher FB= 0.154 than desired. The fuzzy system robustness was tested by adding NaHCO3 to the reactor with the burst cell reticulated polyurethane foam medium and by diluting the reactor where sponge was used as the support media with water. FIS I and FIS II were able to follow the system output closely in the first case, but not in the second. FIS II functionality as an alkalinity predictor was tested through the application on a 28l cylindrical reactor with sponge as the biomass support media treating cow manure. If data that was recorded when severe temperature fluctuations occurred (that highly impact digester performance), are excluded, FIS II performance can be characterized as good by having R2= 0.54 and MAE=Bias= 587 mg/l of HCO3-. Predicted alkalinity values followed observed alkalinity values closely during the days that followed NaHCO3 addition and water dilution. In a second experiment a rulebased and a Mamdani fuzzy logic controller were developed to regulate the organic loading rate based on alkalinity predictions from FIS II. They were tested through the operation of five 6.5l reactors with biomass support media treating cellulose. The performance indices of MAE=763.57 mg/l of HCO3-, Bias= 398.39 mg/l of HCO3-, R2= 0.38 and IA= 0.73 indicate a pretty good correlation between predicted and observed values. However, although both controllers managed to keep alkalinity within the desired levels suggested for stability (>3480 mg/l of HCO3-), the reactors did not reach a stable state suggesting that different loading rates should be applied for biogas systems treating cellulose.New Generation Biogas (NGB

Aeronautical engineering: A continuing bibliography with indexes (supplement 257)

This bibliography lists 560 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in September 1990. Subject coverage includes: design, construction and testing of aircraft and aircraft engines; aircraft components, equipment and systems; ground support systems; and theoretical and applied aspects of aerodynamics and general fluid dynamics

A Hybrid Nonlinear Model Predictive Control and Recurrent Neural Networks for Fault-Tolerant Control of an Autonomous Underwater Vehicle

The operation of Autonomous Unmanned Vehicles (AUVs) that is used for environment protection, risk evaluation and plan determination for emergency, are among the most important and challenging problems. An area that has received much attention for use of AUVs is in underwater applications where much work remains to be done to equip AUVs with systems to steer them accurately and reliably in harsh marine environments. Design of control strategies for AUVs is very challenging as compared to other systems due to their operational environment (ocean). Particularly when hydrodynamic parameters uncertainties are to be integrated into both the controller design as well as AUVs nonlinear dynamics. On the other hand, AUVs like all other mechanical systems are prone to faults. Dealing effectively with faulty situations for mechanical systems is an important consideration since faults can result in abnormal operation or even a failure. Hence, fault tolerant and fault-accommodating methods in the controller design are among active research topics for maintaining the reliability of complex AUV control systems. The objective of this thesis is to develop a nonlinear Model Predictive Control (MPC) that requires solving an online Quadratic Programming (QP) problem by using a Recurrent Neural Network (RNN). Also, an Extended Kalman Filter (EKF) is integrated with the developed scheme to provide the MPC algorithm with the system states estimates as well as a nonlinear prediction. This hybrid control approach utilizes both the mathematical model of the system as well as the adaptive nature of the intelligent technique through neural networks. The reason behind the selection of MPC is to benefit from its main capability in optimization within the current time slots while taking future time slots into consideration. The proposed control method is integrated with EKF which is an appropriate method for state estimation and data reconciliation of nonlinear systems. In order to address the high performance runtime cost of solving the MPC problem (formulated as a quadratic programming problem), an RNN is developed that has a low model complexity as well as good performance in real-time implementation. The proposed method is first developed to control an AUV following a desired trajectory. Since the problem of trajectory tracking and path following of AUVs exhibit nonlinear behavior, the effectiveness of the developed MPC-RNN algorithm is studied in comparison with two other control system methods, namely the linear MPC using Kalman Filter (KF) and the conventional nonlinear MPC using the EKF. In order to guarantee the fault-tolerant features of our proposed control method when faced with severe actuator faults, the developed MPC-RNN scheme is integrated with a dual Extended Kalman Filter that is used for a combined estimation of AUV states and parameters. The actuator faults are defined as the system parameters that are to be estimated online by the dual-EKF. Therefore, the developed Active Fault-Tolerant Control (AFTC) strategy is then applied to an AUV faced with loss of effectiveness (LOE) actuator fault scenarios while following a trajectory. Analysis and discussions regarding the comparison of the proposed AFTC method with Fault-Tolerant Nonlinear Model Predictive Control (FTNMPC) algorithm are presented in this work. The proposed approach to AFTC exploits the advantages of the MPC-RNN algorithm properties as well as accounting explicitly for severe control actuator faults in the nonlinear AUV model with uncertainties that are formulated by the MPC

Aeronautical engineering: A continuing bibliography with indexes (supplement 240)

This bibliography lists 629 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in May, 1989. Subject coverage includes: design, construction and testing of aircraft and aircraft engines; aircraft components, equipment and systems; ground support systems; and theoretical and applied aspects of aerodynamics and general fluid dynamics

Immune fingerprinting in acute severe sepsis

Sepsis kills more people than car accidents, breast cancer, and bowel cancer combined. The key areas integral for ensuring improvements in the care of sepsis patients include improved risk stratification, better microorganism identification techniques, and a reduction in the burden of second-hit nosocomial infections. This work addresses each of these key areas in turn, with the ultimate aim of improving patient care through applied translation research. Firstly, this work will combine small-scale yet complex immunological data with new statistical modelling techniques to form a new approach to microbe identification based on “immune fingerprints”. This new approach will allow discrimination between Grampositive and Gram-negative infecting organisms using a small set of immune markers suitable for development into point-of-care technology. These immune fingerprints will also be used to improve the diagnosis of sepsis and provide risk stratification models. Secondly, this thesis will offer new insights into immunosuppression that may impact upon current and future clinical trials. Specifically, it will suggest that aminobisphosphonates may help in the treatment of sepsis related-immunosuppression and that sepsis neutrophils gain the ability to act as antigen presenting cells