Design and validation of structural health monitoring system based on bio-inspired algorithms

The need of ensure the proper performance of the structures in service has made of structural health monitoring (SHM) a priority research area. Researchers all around the world have focused efforts on the development of new ways to continuous monitoring the structures and analyze the data collected from the inspection process in order to provide information about the current state and avoid possible catastrophes. To perform an effective analysis of the data, the development of methodologies is crucial in order to assess the structures with a low computational cost and with a high reliability. These desirable features can be found in biological systems, and these can be emulated by means of computational systems. The use of bio-inspired algorithms is a recent approach that has demonstrated its effectiveness in data analysis in different areas. Since these algorithms are based in the emulation of biological systems that have demonstrated its effectiveness for several generations, it is possible to mimic the evolution process and its adaptability characteristics by using computational algorithms. Specially in pattern recognition, several algorithms have shown good performance. Some widely used examples are the neural networks, the fuzzy systems and the genetic algorithms. This thesis is concerned about the development of bio-inspired methodologies for structural damage detection and classification. This document is organized in five chapters. First, an overview of the problem statement, the objectives, general results, a brief theoretical background and the description of the different experimental setups are included in Chapter 1 (Introduction). Chapters 2 to 4 include the journal papers published by the author of this thesis. The discussion of the results, some conclusions and the future work can be found on Chapter 5. Finally, Appendix A includes other contributions such as a book chapter and some conference papers.La necesidad de asegurar el correcto funcionamiento de las estructuras en servicio ha hecho de la monitorización de la integridad estructural un área de gran interés. Investigadores en todas las partes del mundo centran sus esfuerzos en el desarrollo de nuevas formas de monitorización contínua de estructuras que permitan analizar e interpretar los datos recogidos durante el proceso de inspección con el objetivo de proveer información sobre el estado actual de la estructura y evitar posibles catástrofes. Para desarrollar un análisis efectivo de los datos, es necesario el desarrollo de metodologías para inspeccionar la estructura con un bajo coste computacional y alta fiabilidad. Estas características deseadas pueden ser encontradas en los sistemas biológicos y pueden ser emuladas mediante herramientas computacionales. El uso de algoritmos bio-inspirados es una reciente técnica que ha demostrado su efectividad en el análisis de datos en diferentes áreas. Dado que estos algoritmos se basan en la emulación de sistemas biológicos que han demostrado su efectividad a lo largo de muchas generaciones, es posible imitar el proceso de evolución y sus características de adaptabilidad al medio usando algoritmos computacionales. Esto es así, especialmente, en reconocimiento de patrones, donde muchos de estos algoritmos brindan excelentes resultados. Algunos ejemplos ampliamente usados son las redes neuronales, los sistemas fuzzy y los algoritmos genéticos. Esta tesis involucra el desarrollo de unas metodologías bio-inspiradas para la detección y clasificación de daños estructurales. El documento está organizado en cinco capítulos. En primer lugar, se incluye una descripción general del problema, los objetivos del trabajo, los resultados obtenidos, un breve marco conceptual y la descripción de los diferentes escenarios experimentales en el Capítulo 1 (Introducción). Los Capítulos 2 a 4 incluyen los artículos publicados en diferentes revistas indexadas. La revisión de los resultados, conclusiones y el trabajo futuro se encuentra en el Capítulo 5. Finalmente, el Anexo A incluye otras contribuciones tales como un capítulo de libro y algunos trabajos publicados en conferencias

Machine learning with limited label availability: algorithms and applications

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Techniques for clustering gene expression data

Many clustering techniques have been proposed for the analysis of gene expression data obtained from microarray experiments. However, choice of suitable method(s) for a given experimental dataset is not straightforward. Common approaches do not translate well and fail to take account of the data profile. This review paper surveys state of the art applications which recognises these limitations and implements procedures to overcome them. It provides a framework for the evaluation of clustering in gene expression analyses. The nature of microarray data is discussed briefly. Selected examples are presented for the clustering methods considered

Unsupervised clustering of IoT signals through feature extraction and self organizing maps

This thesis scope is to build a clustering model to inspect the structural properties of a dataset composed of IoT signals and to classify these through unsupervised clustering algorithms. To this end, a feature-based representation of the signals is used. Different feature selection algorithms are then used to obtain reduced feature spaces, so as to decrease the computational cost and the memory demand. Thus, the IoT signals are clustered using Self-Organizing Maps (SOM) and then evaluatedope

Fractals in the Nervous System: conceptual Implications for Theoretical Neuroscience

This essay is presented with two principal objectives in mind: first, to document the prevalence of fractals at all levels of the nervous system, giving credence to the notion of their functional relevance; and second, to draw attention to the as yet still unresolved issues of the detailed relationships among power law scaling, self-similarity, and self-organized criticality. As regards criticality, I will document that it has become a pivotal reference point in Neurodynamics. Furthermore, I will emphasize the not yet fully appreciated significance of allometric control processes. For dynamic fractals, I will assemble reasons for attributing to them the capacity to adapt task execution to contextual changes across a range of scales. The final Section consists of general reflections on the implications of the reviewed data, and identifies what appear to be issues of fundamental importance for future research in the rapidly evolving topic of this review

Multi-tier framework for the inferential measurement and data-driven modeling

A framework for the inferential measurement and data-driven modeling has been proposed and assessed in several real-world application domains. The architecture of the framework has been structured in multiple tiers to facilitate extensibility and the integration of new components. Each of the proposed four tiers has been assessed in an uncoupled way to verify their suitability. The first tier, dealing with exploratory data analysis, has been assessed with the characterization of the chemical space related to the biodegradation of organic chemicals. This analysis has established relationships between physicochemical variables and biodegradation rates that have been used for model development. At the preprocessing level, a novel method for feature selection based on dissimilarity measures between Self-Organizing maps (SOM) has been developed and assessed. The proposed method selected more features than others published in literature but leads to models with improved predictive power. Single and multiple data imputation techniques based on the SOM have also been used to recover missing data in a Waste Water Treatment Plant benchmark. A new dynamic method to adjust the centers and widths of in Radial basis Function networks has been proposed to predict water quality. The proposed method outperformed other neural networks. The proposed modeling components have also been assessed in the development of prediction and classification models for biodegradation rates in different media. The results obtained proved the suitability of this approach to develop data-driven models when the complex dynamics of the process prevents the formulation of mechanistic models. The use of rule generation algorithms and Bayesian dependency models has been preliminary screened to provide the framework with interpretation capabilities. Preliminary results obtained from the classification of Modes of Toxic Action (MOA) indicate that this could be a promising approach to use MOAs as proxy indicators of human health effects of chemicals.Finally, the complete framework has been applied to three different modeling scenarios. A virtual sensor system, capable of inferring product quality indices from primary process variables has been developed and assessed. The system was integrated with the control system in a real chemical plant outperforming multi-linear correlation models usually adopted by chemical manufacturers. A model to predict carcinogenicity from molecular structure for a set of aromatic compounds has been developed and tested. Results obtained after the application of the SOM-dissimilarity feature selection method yielded better results than models published in the literature. Finally, the framework has been used to facilitate a new approach for environmental modeling and risk management within geographical information systems (GIS). The SOM has been successfully used to characterize exposure scenarios and to provide estimations of missing data through geographic interpolation. The combination of SOM and Gaussian Mixture models facilitated the formulation of a new probabilistic risk assessment approach.Aquesta tesi proposa i avalua en diverses aplicacions reals, un marc general de treball per al desenvolupament de sistemes de mesurament inferencial i de modelat basats en dades. L'arquitectura d'aquest marc de treball s'organitza en diverses capes que faciliten la seva extensibilitat així com la integració de nous components. Cadascun dels quatre nivells en que s'estructura la proposta de marc de treball ha estat avaluat de forma independent per a verificar la seva funcionalitat. El primer que nivell s'ocupa de l'anàlisi exploratòria de dades ha esta avaluat a partir de la caracterització de l'espai químic corresponent a la biodegradació de certs compostos orgànics. Fruit d'aquest anàlisi s'han establert relacions entre diverses variables físico-químiques que han estat emprades posteriorment per al desenvolupament de models de biodegradació. A nivell del preprocés de les dades s'ha desenvolupat i avaluat una nova metodologia per a la selecció de variables basada en l'ús del Mapes Autoorganitzats (SOM). Tot i que el mètode proposat selecciona, en general, un major nombre de variables que altres mètodes proposats a la literatura, els models resultants mostren una millor capacitat predictiva. S'han avaluat també tot un conjunt de tècniques d'imputació de dades basades en el SOM amb un conjunt de dades estàndard corresponent als paràmetres d'operació d'una planta de tractament d'aigües residuals. Es proposa i avalua en un problema de predicció de qualitat en aigua un nou model dinàmic per a ajustar el centre i la dispersió en xarxes de funcions de base radial. El mètode proposat millora els resultats obtinguts amb altres arquitectures neuronals. Els components de modelat proposat s'han aplicat també al desenvolupament de models predictius i de classificació de les velocitats de biodegradació de compostos orgànics en diferents medis. Els resultats obtinguts demostren la viabilitat d'aquesta aproximació per a desenvolupar models basats en dades en aquells casos en els que la complexitat de dinàmica del procés impedeix formular models mecanicistes. S'ha dut a terme un estudi preliminar de l'ús de algorismes de generació de regles i de grafs de dependència bayesiana per a introduir una nova capa que faciliti la interpretació dels models. Els resultats preliminars obtinguts a partir de la classificació dels Modes d'acció Tòxica (MOA) apunten a que l'ús dels MOA com a indicadors intermediaris dels efectes dels compostos químics en la salut és una aproximació factible.Finalment, el marc de treball proposat s'ha aplicat en tres escenaris de modelat diferents. En primer lloc, s'ha desenvolupat i avaluat un sensor virtual capaç d'inferir índexs de qualitat a partir de variables primàries de procés. El sensor resultant ha estat implementat en una planta química real millorant els resultats de les correlacions multilineals emprades habitualment. S'ha desenvolupat i avaluat un model per a predir els efectes carcinògens d'un grup de compostos aromàtics a partir de la seva estructura molecular. Els resultats obtinguts desprès d'aplicar el mètode de selecció de variables basat en el SOM milloren els resultats prèviament publicats. Aquest marc de treball s'ha usat també per a proporcionar una nova aproximació al modelat ambiental i l'anàlisi de risc amb sistemes d'informació geogràfica (GIS). S'ha usat el SOM per a caracteritzar escenaris d'exposició i per a desenvolupar un nou mètode d'interpolació geogràfica. La combinació del SOM amb els models de mescla de gaussianes dona una nova formulació al problema de l'anàlisi de risc des d'un punt de vista probabilístic