Dataflow-Oriented Provenance System for Multifusion Wireless Sensor Networks

We present a dataflow-oriented provenance system for data fusion sensor networks. This model works best with net- works sensing dynamic objects and although our system is generic, we model it on a proximity binary sensor network. We introduce a network-level fault-tolerance mechanism by using the cognitive strength of provenance models. Our provenance model reduce the limitations of a sensor’s capability and decrease the error-prone nature of wireless sen- sor networks. In addition provenance data is used in order to efficiently build the dynamic data fusion scenario and to adjust the network such as turning of some sensors. In a fault-tolerant, self-adjusting sensor network, sensor data produce more accurate results and with the improvements, tasks such as target localization is more precisely done. One other aspect of our network is that by having computation nodes spread to the network, the computation is done in a distributed manner and as nodes make decisions based on the provenance and fusion data available, the network has a distributed intelligence. Keywords: Multifusion, Wireless Sensor Networks, Open Provenance Mode

Considering Human Aspects on Strategies for Designing and Managing Distributed Human Computation

A human computation system can be viewed as a distributed system in which the processors are humans, called workers. Such systems harness the cognitive power of a group of workers connected to the Internet to execute relatively simple tasks, whose solutions, once grouped, solve a problem that systems equipped with only machines could not solve satisfactorily. Examples of such systems are Amazon Mechanical Turk and the Zooniverse platform. A human computation application comprises a group of tasks, each of them can be performed by one worker. Tasks might have dependencies among each other. In this study, we propose a theoretical framework to analyze such type of application from a distributed systems point of view. Our framework is established on three dimensions that represent different perspectives in which human computation applications can be approached: quality-of-service requirements, design and management strategies, and human aspects. By using this framework, we review human computation in the perspective of programmers seeking to improve the design of human computation applications and managers seeking to increase the effectiveness of human computation infrastructures in running such applications. In doing so, besides integrating and organizing what has been done in this direction, we also put into perspective the fact that the human aspects of the workers in such systems introduce new challenges in terms of, for example, task assignment, dependency management, and fault prevention and tolerance. We discuss how they are related to distributed systems and other areas of knowledge.Comment: 3 figures, 1 tabl

Machine learning-based automated segmentation with a feedback loop for 3D synchrotron micro-CT

Die Entwicklung von Synchrotronlichtquellen der dritten Generation hat die Grundlage für die Untersuchung der 3D-Struktur opaker Proben mit einer Auflösung im Mikrometerbereich und höher geschaffen. Dies führte zur Entwicklung der Röntgen-Synchrotron-Mikro-Computertomographie, welche die Schaffung von Bildgebungseinrichtungen zur Untersuchung von Proben verschiedenster Art förderte, z.B. von Modellorganismen, um die Physiologie komplexer lebender Systeme besser zu verstehen. Die Entwicklung moderner Steuerungssysteme und Robotik ermöglichte die vollständige Automatisierung der Röntgenbildgebungsexperimente und die Kalibrierung der Parameter des Versuchsaufbaus während des Betriebs. Die Weiterentwicklung der digitalen Detektorsysteme führte zu Verbesserungen der Auflösung, des Dynamikbereichs, der Empfindlichkeit und anderer wesentlicher Eigenschaften. Diese Verbesserungen führten zu einer beträchtlichen Steigerung des Durchsatzes des Bildgebungsprozesses, aber auf der anderen Seite begannen die Experimente eine wesentlich größere Datenmenge von bis zu Dutzenden von Terabyte zu generieren, welche anschließend manuell verarbeitet wurden. Somit ebneten diese technischen Fortschritte den Weg für die Durchführung effizienterer Hochdurchsatzexperimente zur Untersuchung einer großen Anzahl von Proben, welche Datensätze von besserer Qualität produzierten. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft besteht daher ein hoher Bedarf an einem effizienten, automatisierten Workflow für die Röntgendatenanalyse, welcher eine solche Datenlast bewältigen und wertvolle Erkenntnisse für die Fachexperten liefern kann. Die bestehenden Lösungen für einen solchen Workflow sind nicht direkt auf Hochdurchsatzexperimente anwendbar, da sie für Ad-hoc-Szenarien im Bereich der medizinischen Bildgebung entwickelt wurden. Daher sind sie nicht für Hochdurchsatzdatenströme optimiert und auch nicht in der Lage, die hierarchische Beschaffenheit von Proben zu nutzen. Die wichtigsten Beiträge der vorliegenden Arbeit sind ein neuer automatisierter Analyse-Workflow, der für die effiziente Verarbeitung heterogener Röntgendatensätze hierarchischer Natur geeignet ist. Der entwickelte Workflow basiert auf verbesserten Methoden zur Datenvorverarbeitung, Registrierung, Lokalisierung und Segmentierung. Jede Phase eines Arbeitsablaufs, die eine Trainingsphase beinhaltet, kann automatisch feinabgestimmt werden, um die besten Hyperparameter für den spezifischen Datensatz zu finden. Für die Analyse von Faserstrukturen in Proben wurde eine neue, hochgradig parallelisierbare 3D-Orientierungsanalysemethode entwickelt, die auf einem neuartigen Konzept der emittierenden Strahlen basiert und eine präzisere morphologische Analyse ermöglicht. Alle entwickelten Methoden wurden gründlich an synthetischen Datensätzen validiert, um ihre Anwendbarkeit unter verschiedenen Abbildungsbedingungen quantitativ zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass der Workflow in der Lage ist, eine Reihe von Datensätzen ähnlicher Art zu verarbeiten. Darüber hinaus werden die effizienten CPU/GPU-Implementierungen des entwickelten Workflows und der Methoden vorgestellt und der Gemeinschaft als Module für die Sprache Python zur Verfügung gestellt. Der entwickelte automatisierte Analyse-Workflow wurde erfolgreich für Mikro-CT-Datensätze angewandt, die in Hochdurchsatzröntgenexperimenten im Bereich der Entwicklungsbiologie und Materialwissenschaft gewonnen wurden. Insbesondere wurde dieser Arbeitsablauf für die Analyse der Medaka-Fisch-Datensätze angewandt, was eine automatisierte Segmentierung und anschließende morphologische Analyse von Gehirn, Leber, Kopfnephronen und Herz ermöglichte. Darüber hinaus wurde die entwickelte Methode der 3D-Orientierungsanalyse bei der morphologischen Analyse von Polymergerüst-Datensätzen eingesetzt, um einen Herstellungsprozess in Richtung wünschenswerter Eigenschaften zu lenken

Calpain cleavage of Junctophilin-2 generates a spectrum of calcium-dependent cleavage products and DNA-rich NT1-fragment domains in cardiomyocytes

Calpains are calcium-activated neutral proteases involved in the regulation of key signaling pathways. Junctophilin-2 (JP2) is a Calpain-specific proteolytic target and essential structural protein inside Ca2+ release units required for excitation-contraction coupling in cardiomyocytes. While downregulation of JP2 by Calpain cleavage in heart failure has been reported, the precise molecular identity of the Calpain cleavage sites and the (patho-)physiological roles of the JP2 proteolytic products remain controversial. We systematically analyzed the JP2 cleavage fragments as function of Calpain-1 versus Calpain-2 proteolytic activities, revealing that both Calpain isoforms preferentially cleave mouse JP2 at R565, but subsequently at three additional secondary Calpain cleavage sites. Moreover, we identified the Calpain-specific primary cleavage products for the first time in human iPSC-derived cardiomyocytes. Knockout of RyR2 in hiPSC-cardiomyocytes destabilized JP2 resulting in an increase of the Calpain-specific cleavage fragments. The primary N-terminal cleavage product NT1 accumulated in the nucleus of mouse and human cardiomyocytes in a Ca2+-dependent manner, closely associated with euchromatic chromosomal regions, where NT1 is proposed to function as a cardio-protective transcriptional regulator in heart failure. Taken together, our data suggest that stabilizing NT1 by preventing secondary cleavage events by Calpain and other proteases could be an important therapeutic target for future studies

Resource provisioning and scheduling algorithms for hybrid workflows in edge cloud computing

In recent years, Internet of Things (IoT) technology has been involved in a wide range of application domains to provide real-time monitoring, tracking and analysis services. The worldwide number of IoT-connected devices is projected to increase to 43 billion by 2023, and IoT technologies are expected to engaged in 25% of business sector. Latency-sensitive applications in scope of intelligent video surveillance, smart home, autonomous vehicle, augmented reality, are all emergent research directions in industry and academia. These applications are required connecting large number of sensing devices to attain the desired level of service quality for decision accuracy in a sensitive timely manner. Moreover, continuous data stream imposes processing large amounts of data, which adds a huge overhead on computing and network resources. Thus, latency-sensitive and resource-intensive applications introduce new challenges for current computing models, i.e, batch and stream. In this thesis, we refer to the integrated application model of stream and batch applications as a hybrid work ow model. The main challenge of the hybrid model is achieving the quality of service (QoS) requirements of the two computation systems. This thesis provides a systemic and detailed modeling for hybrid workflows which describes the internal structure of each application type for purposes of resource estimation, model systems tuning, and cost modeling. For optimizing the execution of hybrid workflows, this thesis proposes algorithms, techniques and frameworks to serve resource provisioning and task scheduling on various computing systems including cloud, edge cloud and cooperative edge cloud. Overall, experimental results provided in this thesis demonstrated strong evidences on the responsibility of proposing different understanding and vision on the applications of integrating stream and batch applications, and how edge computing and other emergent technologies like 5G networks and IoT will contribute on more sophisticated and intelligent solutions in many life disciplines for more safe, secure, healthy, smart and sustainable society