Streaming visualisation of quantitative mass spectrometry data based on a novel raw signal decomposition method

As data rates rise, there is a danger that informatics for high-throughput LC-MS becomes more opaque and inaccessible to practitioners. It is therefore critical that efficient visualisation tools are available to facilitate quality control, verification, validation, interpretation, and sharing of raw MS data and the results of MS analyses. Currently, MS data is stored as contiguous spectra. Recall of individual spectra is quick but panoramas, zooming and panning across whole datasets necessitates processing/memory overheads impractical for interactive use. Moreover, visualisation is challenging if significant quantification data is missing due to data-dependent acquisition of MS/MS spectra. In order to tackle these issues, we leverage our seaMass technique for novel signal decomposition. LC-MS data is modelled as a 2D surface through selection of a sparse set of weighted B-spline basis functions from an over-complete dictionary. By ordering and spatially partitioning the weights with an R-tree data model, efficient streaming visualisations are achieved. In this paper, we describe the core MS1 visualisation engine and overlay of MS/MS annotations. This enables the mass spectrometrist to quickly inspect whole runs for ionisation/chromatographic issues, MS/MS precursors for coverage problems, or putative biomarkers for interferences, for example. The open-source software is available from http://seamass.net/viz/

Hybrid Improved Differential Evolution and Splinebased Jaya for Photovoltaic MPPT Technique

Some Soft Computing algorithms to solve themaximum power point tracking (MPPT) method problem ofthe photovoltaic system under partially shaded conditions willstop tracking Global Maxima and produce reference voltage orthe best duty-cycle if the difference between the worst and thebest candidate solution is smaller than the specified threshold.A large threshold value will produce fast converging, but theaccuracy value will be low, and vice versa, then thedetermination of the threshold value will be very dilemma.Therefore, this study proposed a combination of ImprovedDifferential Evolution (IDE) and Jaya optimization based onpredictive curves using cubic spline interpolation to determinethe best particles after the IDE reaches convergent criteria, sothat with a large threshold value it will still get high accuracyand high convergent speed. Furthermore, the algorithmproposed in this study is known as Improved DifferentialEvolution and Jaya Based Spline (IDESJaya). The proposedalgorithm is compared with conventional P&O, Jaya based onSpline, and IDE. Simulation results show that the IDESJayatechnique is faster converging, provides a better overalltracking efficiency and higher accuracy

The Effelsberg-Bonn HI Survey: Data reduction

Starting in winter 2008/2009 an L-band 7-Feed-Array receiver is used for a 21-cm line survey performed with the 100-m telescope, the Effelsberg-Bonn HI survey (EBHIS). The EBHIS will cover the whole northern hemisphere for decl.>-5 deg comprising both the galactic and extragalactic sky out to a distance of about 230 Mpc. Using state-of-the-art FPGA-based digital fast Fourier transform spectrometers, superior in dynamic range and temporal resolution to conventional correlators, allows us to apply sophisticated radio frequency interference (RFI) mitigation schemes. In this paper, the EBHIS data reduction package and first results are presented. The reduction software consists of RFI detection schemes, flux and gain-curve calibration, stray-radiation removal, baseline fitting, and finally the gridding to produce data cubes. The whole software chain is successfully tested using multi-feed data toward many smaller test fields (1--100 square degrees) and recently applied for the first time to data of two large sky areas, each covering about 2000 square degrees. The first large area is toward the northern galactic pole and the second one toward the northern tip of the Magellanic Leading Arm. Here, we demonstrate the data quality of EBHIS Milky Way data and give a first impression on the first data release in 2011.Comment: 17 pages, 14 figures; to be published in ApJ

Einstein equations in the null quasi-spherical gauge III: numerical algorithms

We describe numerical techniques used in the construction of our 4th order evolution for the full Einstein equations, and assess the accuracy of representative solutions. The code is based on a null gauge with a quasi-spherical radial coordinate, and simulates the interaction of a single black hole with gravitational radiation. Techniques used include spherical harmonic representations, convolution spline interpolation and filtering, and an RK4 "method of lines" evolution. For sample initial data of "intermediate" size (gravitational field with 19% of the black hole mass), the code is accurate to 1 part in 10^5, until null time z=55 when the coordinate condition breaks down.Comment: Latex, 38 pages, 29 figures (360Kb compressed

Trajectory optimization based on recursive B-spline approximation for automated longitudinal control of a battery electric vehicle

Diese Arbeit beschreibt ein neuartiges Verfahren zur linearen und nichtlinearen gewichteten Kleinste-Quadrate-Approximation einer unbeschränkten Anzahl von Datenpunkten mit einer B-Spline-Funktion. Das entwickelte Verfahren basiert auf iterativen Algorithmen zur Zustandsschätzung und sein Rechenaufwand nimmt linear mit der Anzahl der Datenpunkte zu. Das Verfahren ermöglicht eine Verschiebung des beschränkten Definitionsbereichs einer B-Spline-Funktion zur Laufzeit, sodass der aktuell betrachtete Datenpunkt ungeachtet des anfangs gewählten Definitionsbereichs bei der Approximation berücksichtigt werden kann. Zudem ermöglicht die Verschiebeoperation die Reduktion der Größen der Matrizen in den Zustandsschätzern zur Senkung des Rechenaufwands sowohl in Offline-Anwendungen, in denen alle Datenpunkte gleichzeitig zur Verarbeitung vorliegen, als auch in Online-Anwendungen, in denen in jedem Zeitschritt weitere Datenpunkte beobachtet werden. Das Trajektorienoptimierungsproblem wird so formuliert, dass das Approximationsverfahren mit Datenpunkten aus Kartendaten eine B-Spline-Funktion berechnet, die die gewünschte Geschwindigkeitstrajektorie bezüglich der Zeit repräsentiert. Der Rechenaufwand des resultierenden direkten Trajektorienoptimierungsverfahrens steigt lediglich linear mit der unbeschränkten zeitlichen Trajektorienlänge an. Die Kombination mit einem adaptiven Modell des Antriebsstrangs eines batterie-elektrischen Fahrzeugs mit festem Getriebeübersetzungsverhältnis ermöglicht die Optimierung von Geschwindigkeitstrajektorien hinsichtlich Fahrzeit, Komfort und Energieverbrauch. Das Trajektorienoptimierungsverfahren wird zu einem Fahrerassistenzsystem für die automatisierte Fahrzeuglängsführung erweitert, das simulativ und in realen Erprobungsfahrten getestet wird. Simulierte Fahrten auf der gewählten Referenzstrecke benötigten bis zu 3,4 % weniger Energie mit der automatisierten Längsführung als mit einem menschlichen Fahrer bei derselben Durchschnittsgeschwindigkeit. Für denselben Energieverbrauch erzielt die automatisierte Längsführung eine 2,6 % höhere Durchschnittsgeschwindigkeit als ein menschlicher Fahrer

Methods for constraint-based conceptual free-form surface design

Zusammenfassung Der constraint-basierte Entwurf von Freiformfl„chen ist eine m„chtige Methode im Computer gest�tzten Entwurf. Bekannte Realisierungen beschr„nken sich jedoch meist auf Interpolation von Rand- und isoparametrischen Kurven. In diesem Zusammenhang sind die sog. "Multi-patch" Methoden die am weitesten verbreitete Vorgehensweise. Hier versucht man Fl„chenverb„nde aus einem Netz von dreidimensionalen Kurven (oft gemischt mit unstrukturierten Punktewolken) derart zu generieren, dass die Kurven und Punkte von den Fl„chen interpoliert werden. Die Kurven werden als R„nder von rechteckigen oder dreieckigen bi-polynomialen oder polynomialen Fl„chen betrachtet. Unter dieser Einschr„nkung leidet die Flexibilit„t des Verfahrens. In dieser Dissertation schlagen wir vor, beliebige, d.h. auch nicht iso-parametrische, Kurven zu verwenden. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile: Erstens kann so beispielsweise eine B-spline Fl„che entlang einer benutzerdefinierten Kurve verformt werden w„hrend andere Kurven oder Punkte fixiert sind. Zweitens, kann eine B-spline Fl„che Kurven interpolieren, die sich nicht auf iso-parametrische Linien der Fl„che abbilden lassen. Wir behandeln drei Arten von Constraints: Inzidenz einer beliebigen Kurve auf einer B-spline Fl„che, Fixieren von Fl„chennormalen entlang einer beliebigen Kurve (dieser Constraint dient zur Herstellung von tangentialen šberg„ngen zwischen zwei Fl„chen) und die sog. Variational Constrains. Letztere dienen unter anderem zur Optimierung der physikalischen und optischen Eigenschaften der Fl„chen. Es handelt sich hierbei um die Gausschen Normalgleichungen der Fl„chenfunktionale zweiter Ordnung, wie sie in der Literatur bekannt sind. Die Dissertation gliedert sich in zwei Teile. Der erste Teil befasst sich mit der Aufstellung der linearen Gleichungssysteme, welche die oben erw„hnten Constraints repr„sentieren. Der zweite Teil behandelt Methoden zum L”sen dieser Gleichungssysteme. Der Kern des ersten Teiles ist die Erweiterung und Generalisierung des auf Polarformen (Blossoms) basierenden Algorithmus f�r Verkettung von Polynomen auf Bezier und B-spline Basis: Gegeben sei eine B-spline Fl„che und eine B-spline Kurve im Parameterraum der Fl„che. Wir zeigen, dass die Kontrollpunkte der dreidimensionalen Fl„chenkurve, welche als polynomiale Verkettung der beiden definiert ist, durch eine im Voraus berechenbare lineare Tranformation (eine Matrix) der Fl„chenkontrollpunkte ausgedr�ckt werden k”nnen. Dadurch k”nnen Inzidenzbeziehungen zwischen Kurven und Fl„chen exakt und auf eine sehr elegante und kompakte Art definiert werden. Im Vergleich zu den bekannten Methoden ist diese Vorgehensweise effizienter, numerisch stabiler und erh”ht nicht die Konditionszahl der zu l”senden linearen Gleichungen. Die Effizienz wird erreicht durch Verwendung von eigens daf�r entwickelten Datenstrukturen und sorgf„ltige Analyse von kombinatorischen Eigenschaften von Polarformen. Die Gleichungen zur Definition von Tangentialit„ts- und Variational Constraints werden als Anwendung und Erweiterung dieses Algorithmus implementiert. Beschrieben werden auch symbolische und numerische Operationen auf B-spline Polynomen (Multiplikation, Differenzierung, Integration). Dabei wird konsistent die Matrixdarstellung von B-spline Polynomen verwendet. Das L”sen dieser Art von Constraintproblemen bedeutet das Finden der Kontrollpunkte einer B-spline Fl„che derart, dass die definierten Bedingungen erf�llt werden. Dies wird durch L”sen von, im Allgemeinen, unterbestimmten und schlecht konditionierten linearen Gleichungssystemen bewerkstelligt. Da in solchen F„llen keine eindeutige, numerisch stabile L”sung existiert, f�hren die �blichen Methoden zum L”sen von linearen Gleichungssystemen nicht zum Erfolg. Wir greifen auf die Anwendung von sog. Regularisierungsmethoden zur�ck, die auf der Singul„rwertzerlegung (SVD) der Systemmatrix beruhen. Insbesondere wird die L-curve eingesetzt, ein "numerischer Hochfrequenzfilter", der uns in die Lage versetzt eine stabile L”sung zu berechnen. Allerdings reichen auch diese Methoden im Allgemeinen nicht aus, eine Fl„che zu generieren, welche die erw�nschten „sthetischen und physikalischen Eigenschaften besitzt. Verformt man eine Tensorproduktfl„che entlang einer nicht isoparametrischen Kurve, entstehen unerw�nschte Oszillationen und Verformungen. Dieser Effekt wird "Surface-Aliasing" genannt. Wir stellen zwei Methoden vor um diese Aliasing-Effekte zu beseitigen: Die erste Methode wird vorzugsweise f�r Deformationen einer existierenden B-spline Fl„che entlang einer nicht isoparametrischen Kurve angewendet. Es erfogt eine Umparametrisierung der zu verformenden Fl„che derart, dass die Kurve in der neuen Fl„che auf eine isoparametrische Linie abgebildet wird. Die Umparametrisierung einer B- spline Fl„che ist keine abgeschlossene Operation; die resultierende Fl„che besitzt i.A. keine B-spline Darstellung. Wir berechnen eine beliebig genaue Approximation der resultierenden Fl„che mittels Interpolation von Kurvennetzen, die von der umzuparametrisierenden Fl„che gewonnen werden. Die zweite Methode ist rein algebraisch: Es werden zus„tzliche Bedingungen an die L”sung des Gleichungssystems gestellt, die die Aliasing-Effekte unterdr�cken oder ganz beseitigen. Es wird ein restriktionsgebundenes Minimum einer Zielfunktion gesucht, deren globales Minimum bei "optimaler" Form der Fl„che eingenommen wird. Als Zielfunktionen werden Gl„ttungsfunktionale zweiter Ordnung eingesetzt. Die stabile L”sung eines solchen Optimierungsproblems kann aufgrund der nahezu linearen Abh„ngigkeit des Gleichungen nur mit Hilfe von Regularisierungsmethoden gewonnen werden, welche die vorgegebene Zielfunktion ber�cksichtigen. Wir wenden die sog. Modifizierte Singul„rwertzerlegung in Verbindung mit dem L-curve Filter an. Dieser Algorithmus minimiert den Fehler f�r die geometrischen Constraints so, dass die L”sung gleichzeitig m”glichst nah dem Optimum der Zielfunktion ist.The constrained-based design of free-form surfaces is currently limited to tensor-product interpolation of orthogonal curve networks or equally spaced grids of points. The, so- called, multi-patch methods applied mainly in the context of scattered data interpolation construct surfaces from given boundary curves and derivatives along them. The limitation to boundary curves or iso-parametric curves considerably lowers the flexibility of this approach. In this thesis, we propose to compute surfaces from arbitrary (that is, not only iso-parametric) curves. This allows us to deform a B-spline surface along an arbitrary user-defined curve, or, to interpolate a B-spline surface through a set of curves which cannot be mapped to iso-parametric lines of the surface. We consider three kinds of constraints: the incidence of a curve on a B-spline surface, prescribed surface normals along an arbitrary curve incident on a surface and the, so-called, variational constraints which enforce a physically and optically advantageous shape of the computed surfaces. The thesis is divided into two parts: in the first part, we describe efficient methods to set up the equations for above mentioned linear constraints between curves and surfaces. In the second part, we discuss methods for solving such constraints. The core of the first part is the extension and generalization of the blossom-based polynomial composition algorithm for B-splines: let be given a B-spline surface and a B-spline curve in the domain of that surface. We compute a matrix which represents a linear transformation of the surface control points such that after the transformation we obtain the control points of the curve representing the polynomial composition of the domain curve and the surface. The result is a 3D B-spline curve always exactly incident on the surface. This, so-called, composition matrix represents a set of linear curve-surface incidence constraints. Compared to methods used previously our approach is more efficient, numerically more stable and does not unnecessarily increase the condition number of the matrix. The thesis includes a careful analysis of the complexity and combinatorial properties of the algorithm. We also discuss topics regarding algebraic operations on B-spline polynomials (multiplication, differentiation, integration). The matrix representation of B-spline polynomials is used throughout the thesis. We show that the equations for tangency and variational constraints are easily obtained re-using the methods elaborated for incidence constraints. The solving of generalized curve-surface constraints means to find the control points of the unknown surface given one or several curves incident on that surface. This is accomplished by solving of large and, generally, under-determined and badly conditioned linear systems of equations. In such cases, no unique and numerically stable solution exists. Hence, the usual methods such as Gaussian elimination or QR-decomposition cannot be applied in straightforward manner. We propose to use regularization methods based on Singular Value Decomposition (SVD). We apply the so-called L-curve, which can be seen as an numerical high-frequency filter. The filter automatically singles out a stable solution such that best possible satisfaction of defined constraints is achieved. However, even the SVD along with the L-curve filter cannot be applied blindly: it turns out that it is not sufficient to require only algebraic stability of the solution. Tensor-product surfaces deformed along arbitrary incident curves exhibit unwanted deformations due to the rectangular structure of the model space. We discuss a geometric and an algebraic method to remove this, so-called, Surface aliasing effect. The first method reparametrizes the surface such that a general curve constraint is converted to iso-parametric curve constraint which can be easily solved by standard linear algebra methods without aliasing. The reparametrized surface is computed by means of the approximated surface-surface composition algorithm, which is also introduced in this thesis. While this is not possible symbolically, an arbitrary accurate approximation of the resulting surface is obtained using constrained curve network interpolation. The second method states additional constraints which suppress or completely remove the aliasing. Formally we solve a constrained least square approximation problem: we minimize an surface objective function subject to defined curve constraints. The objective function is chosen such that it takes in the minimal value if the surface has optimal shape; we use a linear combination of second order surface smoothing functionals. When solving such problems we have to deal with nearly linearly dependent equations. Problems of this type are called ill-posed. Therefore sophisticated numerical methods have to be applied in order to obtain a set of degrees of freedom (control points of the surface) which are sufficient to satisfy given constraints. The remaining unused degrees of freedom are used to enforce an optically pleasing shape of the surface. We apply the Modified Truncated SVD (MTSVD) algorithm in connection with the L-curve filter which determines a compromise between an optically pleasant shape of the surface and constraint satisfaction in a particularly efficient manner

Representation and application of spline-based finite elements

Isogeometric analysis, as a generalization of the finite element method, employs spline methods to achieve the same representation for both geometric modeling and analysis purpose. Being one of possible tool in application to the isogeometric analysis, blending techniques provide strict locality and smoothness between elements. Motivated by these features, this thesis is devoted to the design and implementation of this alternative type of finite elements. This thesis combines topics in geometry, computer science and engineering. The research is mainly focused on the algorithmic aspects of the usage of the spline-based finite elements in the context of developing generalized methods for solving different model problems. The ability for conversion between different representations is significant for the modeling purpose. Methods for conversion between local and global representations are presented

Automated longitudinal control based on nonlinear recursive B-spline approximation for battery electric vehicles

This works presents a driver assistance system for energy-efficient ALC of a BEV. The ALC calculates a temporal velocity trajectory from map data. The trajectory is represented by a cubic B-spline function and results from an optimization problem with respect to travel time, driving comfort and energy consumption. For the energetic optimization we propose an adaptive model of the required electrical traction power. The simple power train of a BEV allows the formulation of constraints as soft constraints. This leads to an unconstrained optimization problem that can be solved with iterative filter-based data approximation algorithms. The result is a direct trajectory optimization method of which the effort grows linearly with the trajectory length, as opposed to exponentially as with most other direct methods. We evaluate ALC in real test drives with a BEV. We also investigate the energy-saving potential in driving simulations with ALC compared to MLC. On the chosen reference route the ALC saves up to 3.4% energy compared to MLC at same average velocity, and achieves a 2.6% higher average velocity than MLC at the same energy consumptio

Interrogation of Optical Fiber Sensors for Civil Engineering Applications using Widely Tunable Laser

Předložená disertační práce zkoumá možnosti použití nového typu polovodičového MGY- Laseru elektricky laditelného v širokém spektrálním rozsahu a zabývá se možnostmi jeho nasazení v optovláknové senzorové síti založené na metodě FBG (Fiber Bragg Grating). Výzkum byl započat komplexními dlouhodobými testy reálného měřícího scénáře z oblasti stavebnictví, sestaveného pro účely ověření limitujících aspektů současných technik. Inženýrské aplikace nabízejí velké množství vzájemně se vylučujících požadavků pro návrh strukturálních senzorových systémů. Tyto požadavky jsou sdíleny mnoha dalšími technologickými oblastmi, což přispívá k vysokému stupni univerzálnosti použití dosažených výsledků. Na základě posouzení stavu současné techniky a aplikačních požadavků byly v práci nejprve identifikovány aspekty, které mají být výzkumem zlepšeny. V dalším kroku byl detailně charakterizován MG-Y laser Syntune/Finisar S7500. Na základě dat získaných měřením byla zkoumána nová metoda spojitého řízená vlnové délky záření laseru. Provedené experimenty vedly nejen k návrhu nového způsobu spojité regulace vlnové délky ale také k vytvoření prostředků pro vlastní kalibraci systému na základě jeho vnitřních vlastností (podélných módů rezonátoru).This dissertation investigates the use of a MG-Y-Laser, a novel type of semiconductor laser that is electrically tunable over a wide spectral range, for the interrogation of Fiber Bragg Grating (FBG) based fiber-optical sensing networks. The research started with a complex long-term test of a real world measurement scenario from the field of civil engineering to elucidate limiting aspects of state of the art techniques. Civil engineering applications pose a multitude of mutually exclusive challenges toward structural sensing systems. These challenges are shared by many other fields of technology, making the results to a large degree universally applicable. Following an assessment of the state of art and the application requirements, the aspects to be improved by the research were identified. A Syntune/Finisar S7500 MG-Y-Laser device was then thoroughly characterized. Based on the gathered measurement data, novel tuning methods aimed at wavelength continuous control were investigated. This led to the invention of a tuning method that not only allows wavelength continuous control but also provides a means of self calibration based on intrinsic properties (longitudinal cavity modes) of the device.