Directional statistics and filtering using libDirectional

In this paper, we present libDirectional, a MATLAB library for directional statistics and directional estimation. It supports a variety of commonly used distributions on the unit circle, such as the von Mises, wrapped normal, and wrapped Cauchy distributions. Furthermore, various distributions on higher-dimensional manifolds such as the unit hypersphere and the hypertorus are available. Based on these distributions, several recursive filtering algorithms in libDirectional allow estimation on these manifolds. The functionality is implemented in a clear, well-documented, and object-oriented structure that is both easy to use and easy to extend

Recent advances in directional statistics

Mainstream statistical methodology is generally applicable to data observed in Euclidean space. There are, however, numerous contexts of considerable scientific interest in which the natural supports for the data under consideration are Riemannian manifolds like the unit circle, torus, sphere and their extensions. Typically, such data can be represented using one or more directions, and directional statistics is the branch of statistics that deals with their analysis. In this paper we provide a review of the many recent developments in the field since the publication of Mardia and Jupp (1999), still the most comprehensive text on directional statistics. Many of those developments have been stimulated by interesting applications in fields as diverse as astronomy, medicine, genetics, neurology, aeronautics, acoustics, image analysis, text mining, environmetrics, and machine learning. We begin by considering developments for the exploratory analysis of directional data before progressing to distributional models, general approaches to inference, hypothesis testing, regression, nonparametric curve estimation, methods for dimension reduction, classification and clustering, and the modelling of time series, spatial and spatio-temporal data. An overview of currently available software for analysing directional data is also provided, and potential future developments discussed.Comment: 61 page

Directional Estimation for Robotic Beating Heart Surgery

In robotic beating heart surgery, a remote-controlled robot can be used to carry out the operation while automatically canceling out the heart motion. The surgeon controlling the robot is shown a stabilized view of the heart. First, we consider the use of directional statistics for estimation of the phase of the heartbeat. Second, we deal with reconstruction of a moving and deformable surface. Third, we address the question of obtaining a stabilized image of the heart

Directional Estimation for Robotic Beating Heart Surgery

In robotic beating heart surgery, a remote-controlled robot can be used to carry out the operation while automatically canceling out the heart motion. The surgeon controlling the robot is shown a stabilized view of the heart. First, we consider the use of directional statistics for estimation of the phase of the heartbeat. Second, we deal with reconstruction of a moving and deformable surface. Third, we address the question of obtaining a stabilized image of the heart

Multitarget Tracking Using Orientation Estimation for Optical Belt Sorting

In optical belt sorting, accurate predictions of the bulk material particles’ motions are required for high-quality results. By implementing a multitarget tracker tailored to the scenario and deriving novel motion models, the predictions are greatly enhanced. The tracker’s reliability is improved by also considering the particles’ orientations. To this end, new estimators for directional quantities based on orthogonal basis functions are presented and shown to outperform the state of the art

Analysis and synthesis techniques of nonlinear dynamical systems with applications to diagnostic of controlled thermonuclear fusion reactors

Nonlinear dynamical systems are of wide interest to engineers, physicists and mathematicians, and this is due to the fact that most of physical systems in nature are inherently non-linear. The nonlinearity of these systems has consequences on their time-evolution, which in some cases can be completely unpredictable, apparently random, although fundamentally deterministic. Chaotic systems are striking examples of this. In most cases, there are no hard and fast rules to analyse these systems. Often, their solutions cannot be obtained in closed form, and it is necessary to resort to numerical integration techniques, which, in case of high sensitivity to initial conditions, lead to ill-conditioning problems and high computational costs. The dynamical system theory, the branch of mathematics used to describe the behaviour of these systems, focuses not on finding exact solutions to the equations describing the dynamical system, but rather on knowing if the system stabilises to a steady state in the long term, and what are the possible attractors, e.g. a quasi-periodic or chaotic attractors. Regarding the synthesis, from both a practical and a theoretical standpoint, it is very desirable to develop methods of synthesizing these systems. Although extensive theory has been developed for linear systems, no complete formulation for nonlinear systems synthesis is present today. The main topic of this thesis is the solution of engineering problems related to the analysis and synthesis of nonlinear and chaotic systems. In particular, a new algorithm which optimizes Lyapunov exponents estimation in piecewise linear systems has been applied to PWL and polynomial chaotic systems. In the field of complex systems synthesis, a systematic method to project systems of order 2n characterized by two positive Lyapunov exponents, has been proposed. This procedure couples nth-order chaotic systems with a suitable nonlinear coupling function. Furthermore, a method for the fault detection has been developed. In the field of time series analysis, a new denoising method, based on the wavelet transform of the noisy signal, has been described. The method implements a variable thresholding, whose optimal value is determined by analysing the cross-correlation between the denoised signal and the residuals and by applying different criteria depending on the particular decomposition level. Finally, a study of dynamical behaviour of Type I ELMs has been performed for a future modelization of the phenomenon. In this context, a statistical analysis of time intervals between successive Type I ELMs has been proposed.---------------------------------- Il tema principale di questa tesi è la soluzione di problemi ingegneristici legati all’analisi e alla sintesi di sistemi dinamici non lineari. I sistemi dinamici non lineari sono di largo interesse per ingegneri, fisici e matematici, e questo è dovuto al fatto che la maggior parte dei sistemi fisici in natura è intrinsecamente non lineare. La non linearità di questi sistemi ha conseguenze sulla loro evoluzione temporale, che in certi casi può rivelarsi del tutto imprevedibile, apparentemente casuale, seppure fondamentalmente deterministica. I sistemi caotici sono un esempio lampante di questo comportamento. Nella maggior parte dei casi non esistono delle regole standard per l’analisi di questi sistemi. Spesso, le soluzioni non possono essere ottenute in forma chiusa, ed è necessario ricorrere a tecniche di integrazione numerica, che, in caso di elevata sensibilità alle condizioni iniziali, portano a problemi di mal condizionamento e di elevato costo computazionale. La teoria dei sistemi dinamici, la branca della matematica usata per descrivere il comportamento di questi sistemi, non si concentra sulla ricerca di soluzioni esatte per le equazioni che descrivono il sistema dinamico, ma piuttosto sull’analisi del comportamento a lungo termine del sistema, per sapere se questo si stabilizzi in uno stato stabile e per sapere quali siano i possibili attrattori, ad esempio, attrattori quasi-periodici o caotici. Per quanto riguarda la sintesi, sia da un punto di vista pratico che teorico, è molto importante lo sviluppo di metodi in grado di sintetizzare questi sistemi. Sebbene per i sistemi lineari sia stata sviluppata una teoria ampia e esaustiva, al momento non esiste alcuna formulazione completa per la sintesi di sistemi non lineari. In questa tesi saranno affrontati problemi di caratterizzazione, analisi e sintesi, legati allo studio di sistemi non lineari e caotici. La caratterizzazione dinamica di un sistema non lineare permette di individuarne il comportamento qualitativo a lungo termine. Gli esponenti di Lyapunov sono degli strumenti che permettono di determinare il comportamento asintotico di un sistema dinamico. Essi danno informazioni circa il tasso di divergenza di traiettorie vicine, caratteristica chiave delle dinamiche caotiche. Le tecniche esistenti per il calcolo degli esponenti di Lyapunov sono computazionalmente costose, e questo fatto ha in qualche modo precluso l’uso estensivo di questi strumenti in problemi di grandi dimensioni. Inoltre, durante il calcolo degli esponenti sorgono dei problemi di tipo numerico, per ciò il calcolo deve essere affrontato con cautela. L’implementazione di algoritmi veloci e accurati per il calcolo degli esponenti di Lyapunov è un problema di interesse attuale. In molti casi pratici il vettore di stato del sistema non è disponibile, e una serie temporale rappresenta l’unica informazione a disposizione. L’analisi di serie storiche è un metodo di analisi dei dati provenienti da serie temporali che ha lo scopo di estrarre delle statistiche significative e altre caratteristiche dei dati, e di ottenere una comprensione della struttura e dei fattori fondamentali che hanno prodotto i dati osservati. Per esempio, un problema dei reattori a fusione termonucleare controllata è l’analisi di serie storiche della radiazione Dα, caratteristica del fenomeno chiamato Edge Localized Modes (ELMs). La comprensione e il 16 controllo degli ELMs sono problemi cruciali per il funzionamento di ITER, in cui il type-I ELMy H-mode è stato scelto come scenario di funzionamento standard. Determinare se la dinamica degli ELM sia caotica o casuale è cruciale per la corretta descrizione dell’ELM cycle. La caratterizzazione dinamica effettuata sulle serie temporali ricorrendo al cosiddetto spazio di embedding, può essere utilizzata per distinguere serie random da serie caotiche. Uno dei problemi più frequenti che si incontra nell’analisi di serie storiche sperimentali è la presenza di rumore, che in alcuni casi può raggiungere anche il 10% o il 20% del segnale. È quindi essenziale , prima di ogni analisi, sviluppare una tecnica appropriata e robusta per il denosing. Quando il modello del sistema è noto, l’analisi di serie storiche può essere applicata al rilevamento di guasti. Questo problema può essere formalizzato come un problema di identificazione dei parametri. In questi casi, la teorie dell’algebra differenziale fornisce utili informazioni circa la natura dei rapporti fra l’osservabile scalare, le variabili di stato e gli altri parametri del sistema. La sintesi di sistemi caotici è un problema fondamentale e interessante. Questi sistemi non implicano soltanto un metodo di realizzazione di modelli matematici esistenti ma anche di importanti sistemi fisici reali. La maggior parte dei metodi presentati in letteratura dimostra numericamente la presenza di dinamiche caotiche, per mezzo del calcolo degli esponenti di Lyapunov. In particolare, le dinamiche ipercaotiche sono identificate dalla presenza di due esponenti di Lyapunov positivi

Untangling hotel industry’s inefficiency: An SFA approach applied to a renowned Portuguese hotel chain

The present paper explores the technical efficiency of four hotels from Teixeira Duarte Group - a renowned Portuguese hotel chain. An efficiency ranking is established from these four hotel units located in Portugal using Stochastic Frontier Analysis. This methodology allows to discriminate between measurement error and systematic inefficiencies in the estimation process enabling to investigate the main inefficiency causes. Several suggestions concerning efficiency improvement are undertaken for each hotel studied.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

New Techniques for Coherence Imaging Fusion Plasmas

Imaging diagnostic techniques are desirable for fusion plasma experiments for their wide coverage and high spatial resolution, which allows for a more complete comparison with the predictions made by plasma physics models than traditional techniques. Benchmarking models against measurements made on current experiments improves our understanding of the physics and reduces the uncertainties involved with designing future experiments and reactors. This thesis presents new techniques for coherence imaging (CI), an interferometric narrowband spectral imaging technique used to measure the brightness, shift and width of spectral lines emitted by the plasma in the visible range. From these measurements, 2-D maps of emitting species flow velocity, and temperature can be inferred via Doppler shifts and broadening respectively. For passive hydrogen Balmer series emission in the tokamak divertor, Stark broadening is strong enough to provide a 2-D map of electron density $n_e$. First, we introduce novel CI instrument designs based on pixelated phase-mask (PPM) interferometry, which improve spatial resolution and robustness over typical linear carrier designs. Secondly, we introduce a new method for absolute calibration of CI flow velocity measurements using emission lines from standard gas-discharge lamps instead of a tuneable laser. This method significantly reduces hardware costs while maintaining high measurement accuracy — ±1 km/s compared to typical ion flows in the tokamak plasma edge of < 30 km/s. Lastly, we present improved methods for CI measurement of ne, using modern lineshape models to improve accuracy and using a multi-delay PPM-CI instrument design to minimise errors caused by Doppler broadening, extending the valid measurement range to lower $n_e$. This is demonstrated with experimental measurements of H$_\gamma$ and H$_\delta$ emission on the Magnum-PSI linear plasma experiment with a direct comparison to Thomson scattering measurements