Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration

RESUMEN Los peces nativos son indicadores de la salud de los ecosistemas acuáticos, y se han convertido en un elemento de calidad clave para evaluar el estado ecológico de los ríos. La comprensión de los factores que afectan a las especies nativas de peces es importante para la gestión y conservación de los ecosistemas acuáticos. El objetivo general de esta tesis es analizar las relaciones entre variables biológicas y de hábitat (incluyendo la conectividad) a través de una variedad de escalas espaciales en los ríos Mediterráneos, con el desarrollo de herramientas de modelación para apoyar la toma de decisiones en la restauración de ríos. Esta tesis se compone de cuatro artículos. El primero tiene como objetivos modelar la relación entre un conjunto de variables ambientales y la riqueza de especies nativas (NFSR), y evaluar la eficacia de potenciales acciones de restauración para mejorar la NFSR en la cuenca del río Júcar. Para ello se aplicó un enfoque de modelación de red neuronal artificial (ANN), utilizando en la fase de entrenamiento el algoritmo Levenberg-Marquardt. Se aplicó el método de las derivadas parciales para determinar la importancia relativa de las variables ambientales. Según los resultados, el modelo de ANN combina variables que describen la calidad de ribera, la calidad del agua y el hábitat físico, y ayudó a identificar los principales factores que condicionan el patrón de distribución de la NFSR en los ríos Mediterráneos. En la segunda parte del estudio, el modelo fue utilizado para evaluar la eficacia de dos acciones de restauración en el río Júcar: la eliminación de dos azudes abandonados, con el consiguiente incremento de la proporción de corrientes. Estas simulaciones indican que la riqueza aumenta con el incremento de la longitud libre de barreras artificiales y la proporción del mesohabitat de corriente, y demostró la utilidad de las ANN como una poderosa herramienta para apoyar la toma de decisiones en el manejo y restauración ecológica de los ríos Mediterráneos. El segundo artículo tiene como objetivo determinar la importancia relativa de los dos principales factores que controlan la reducción de la riqueza de peces (NFSR), es decir, las interacciones entre las especies acuáticas, variables del hábitat (incluyendo la conectividad fluvial) y biológicas (incluidas las especies invasoras) en los ríos Júcar, Cabriel y Turia. Con este fin, tres modelos de ANN fueron analizados: el primero fue construido solamente con variables biológicas, el segundo se construyó únicamente con variables de hábitat y el tercero con la combinación de estos dos grupos de variables. Los resultados muestran que las variables de hábitat son los ¿drivers¿ más importantes para la distribución de NFSR, y demuestran la importancia ecológica de los modelos desarrollados. Los resultados de este estudio destacan la necesidad de proponer medidas de mitigación relacionadas con la mejora del hábitat (incluyendo la variabilidad de caudales en el río) como medida para conservar y restaurar los ríos Mediterráneos. El tercer artículo busca comparar la fiabilidad y relevancia ecológica de dos modelos predictivos de NFSR, basados en redes neuronales artificiales (ANN) y random forests (RF). La relevancia de las variables seleccionadas por cada modelo se evaluó a partir del conocimiento ecológico y apoyado por otras investigaciones. Los dos modelos fueron desarrollados utilizando validación cruzada k-fold y su desempeño fue evaluado a través de tres índices: el coeficiente de determinación (R2 ), el error cuadrático medio (MSE) y el coeficiente de determinación ajustado (R2 adj). Según los resultados, RF obtuvo el mejor desempeño en entrenamiento. Pero, el procedimiento de validación cruzada reveló que ambas técnicas generaron resultados similares (R2 = 68% para RF y R2 = 66% para ANN). La comparación de diferentes métodos de machine learning es muy útil para el análisis crítico de los resultados obtenidos a través de los modelos. El cuarto artículo tiene como objetivo evaluar la capacidad de las ANN para identificar los factores que afectan a la densidad y la presencia/ausencia de Luciobarbus guiraonis en la demarcación hidrográfica del Júcar. Se utilizó una red neuronal artificial multicapa de tipo feedforward (ANN) para representar relaciones no lineales entre descriptores de L. guiraonis con variables biológicas y de hábitat. El poder predictivo de los modelos se evaluó con base en el índice Kappa (k), la proporción de casos correctamente clasificados (CCI) y el área bajo la curva (AUC) característica operativa del receptor (ROC). La presencia/ausencia de L. guiraonis fue bien predicha por el modelo ANN (CCI = 87%, AUC = 0.85 y k = 0.66). La predicción de la densidad fue moderada (CCI = 62%, AUC = 0.71 y k = 0.43). Las variables más importantes que describen la presencia/ausencia fueron: radiación solar, área de drenaje y la proporción de especies exóticas de peces con un peso relativo del 27.8%, 24.53% y 13.60% respectivamente. En el modelo de densidad, las variables más importantes fueron el coeficiente de variación de los caudales medios anuales con una importancia relativa del 50.5% y la proporción de especies exóticas de peces con el 24.4%. Los modelos proporcionan información importante acerca de la relación de L. guiraonis con variables bióticas y de hábitat, este nuevo conocimiento podría utilizarse para apoyar futuros estudios y para contribuir en la toma de decisiones para la conservación y manejo de especies en los en los ríos Júcar, Cabriel y Turia.Olaya Marín, EJ. (2013). Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/28853TESI

Review and Comparison of Intelligent Optimization Modelling Techniques for Energy Forecasting and Condition-Based Maintenance in PV Plants

Within the field of soft computing, intelligent optimization modelling techniques include various major techniques in artificial intelligence. These techniques pretend to generate new business knowledge transforming sets of "raw data" into business value. One of the principal applications of these techniques is related to the design of predictive analytics for the improvement of advanced CBM (condition-based maintenance) strategies and energy production forecasting. These advanced techniques can be used to transform control system data, operational data and maintenance event data to failure diagnostic and prognostic knowledge and, ultimately, to derive expected energy generation. One of the systems where these techniques can be applied with massive potential impact are the legacy monitoring systems existing in solar PV energy generation plants. These systems produce a great amount of data over time, while at the same time they demand an important e ort in order to increase their performance through the use of more accurate predictive analytics to reduce production losses having a direct impact on ROI. How to choose the most suitable techniques to apply is one of the problems to address. This paper presents a review and a comparative analysis of six intelligent optimization modelling techniques, which have been applied on a PV plant case study, using the energy production forecast as the decision variable. The methodology proposed not only pretends to elicit the most accurate solution but also validates the results, in comparison with the di erent outputs for the di erent techniques

Failure mode prediction and energy forecasting of PV plants to assist dynamic maintenance tasks by ANN based models

In the field of renewable energy, reliability analysis techniques combining the operating time of the system with the observation of operational and environmental conditions, are gaining importance over time. In this paper, reliability models are adapted to incorporate monitoring data on operating assets, as well as information on their environmental conditions, in their calculations. To that end, a logical decision tool based on two artificial neural networks models is presented. This tool allows updating assets reliability analysis according to changes in operational and/or environmental conditions. The proposed tool could easily be automated within a supervisory control and data acquisition system, where reference values and corresponding warnings and alarms could be now dynamically generated using the tool. Thanks to this capability, on-line diagnosis and/or potential asset degradation prediction can be certainly improved. Reliability models in the tool presented are developed according to the available amount of failure data and are used for early detection of degradation in energy production due to power inverter and solar trackers functional failures. Another capability of the tool presented in the paper is to assess the economic risk associated with the system under existing conditions and for a certain period of time. This information can then also be used to trigger preventive maintenance activities

Observation of charge ordering signal in monovalent doped Nd0.75Na0.25-xKxMn1O3 (0 ≤ x ≤ 0.10) manganites

K doping in the compound of Nd0.75Na0.25-xKxMn1O3 (x = 0, 0.05 and 0.10) manganites have been investigated to study its effect on crystalline phase and surface morphology as well as electrical transport and magnetic properties. The structure properties of the Nd0.75Na0.25- xKxMnO3 manganite have been characterized using X-ray diffraction measurement and it proved that the crystalline phase of samples were essentially single phased and indexed as orthorhombic structure with space group of Pnma. The morphological study from scanning electron microscope showed there was an improvement on the grains boundaries and sizes as well as the compactness with K doping suggestively due to the difference of ionic radius. On the other hand, DC electrical resistivity measurement showed all samples exhibit insulating behavior. However, analysis of dlnρ/dT-1 vs. T revealed the clearly peaks could be observed at temperature 210K for x = 0 and the peaks were shifted to the lower temperature around 190 K and 165 K for x = 0.05 and x = 0.1 respectively, indicate the existence of charge ordering (CO) state in the compound. Meanwhile, the investigation on magnetic behavior showed all samples exhibit transition from paramagnetic phase to anti-ferromagnetic phase with decreasing temperature and the TN was observed to shift to lower temperature suggestively due to weakening of CO stat

Some thoughts on neural network modelling of micro-abrasion-corrosion processes

There is increasing interest in the interactions of microabrasion, involving small particles of less than 10 μm in size, with corrosion. This is because such interactions occur in many environments ranging from the offshore to health care sectors. In particular, micro-abrasion-corrosion can occur in oral processing, where the abrasive components of food interacting with the acidic environment, can lead to degradation of the surface dentine of teeth. Artificial neural networks (ANNs) are computing mechanisms based on the biological brain. They are very effective in various areas such as modelling, classification and pattern recognition. They have been successfully applied in almost all areas of engineering and many practical industrial applications. Hence, in this paper an attempt has been made to model the data obtained in microabrasion-corrosion experiments on polymer/steel couple and a ceramic/lasercarb coating couple using ANN. A multilayer perceptron (MLP) neural network is applied and the results obtained from modelling the tribocorrosion processes will be compared with those obtained from a relatively new class of neural networks namely resource allocation network