Sensitivity analysis and parameter estimation for distributed hydrological modeling: potential of variational methods

Variational methods are widely used for the analysis and control of computationally intensive spatially distributed systems. In particular, the adjoint state method enables a very efficient calculation of the derivatives of an objective function (response function to be analysed or cost function to be optimised) with respect to model inputs. In this contribution, it is shown that the potential of variational methods for distributed catchment scale hydrology should be considered. A distributed flash flood model, coupling kinematic wave overland flow and Green Ampt infiltration, is applied to a small catchment of the Thoré basin and used as a relatively simple (synthetic observations) but didactic application case. It is shown that forward and adjoint sensitivity analysis provide a local but extensive insight on the relation between the assigned model parameters and the simulated hydrological response. Spatially distributed parameter sensitivities can be obtained for a very modest calculation effort (~6 times the computing time of a single model run) and the singular value decomposition (SVD) of the Jacobian matrix provides an interesting perspective for the analysis of the rainfall-runoff relation. For the estimation of model parameters, adjoint-based derivatives were found exceedingly efficient in driving a bound-constrained quasi-Newton algorithm. The reference parameter set is retrieved independently from the optimization initial condition when the very common dimension reduction strategy (i.e. scalar multipliers) is adopted. Furthermore, the sensitivity analysis results suggest that most of the variability in this high-dimensional parameter space can be captured with a few orthogonal directions. A parametrization based on the SVD leading singular vectors was found very promising but should be combined with another regularization strategy in order to prevent overfitting

Distributed lightning monitoring: an affordable proposal

In theaters and the filmmaking industry, video streams, images, audio streams and scalar data are commonly used. In these fields, one of the most important magnitudes to be collected and controlled is the light intensity in different scene spots. So, it is extremely important to be able to deploy a network of light sensors which are usually integrated in a more general Wireless Multimedia Sensor Network (WMSN). If many light measurements have to be acquired, the simpler and cheaper the sensor, the more affordable theWMSN will be. In this paper we propose the use of a set of very cheap light sensors (photodiodes) and to spectrally and directionally correct their measurements using mathematical methods. A real testing of the proposed solution has been accomplished, obtaining quite accurate light measurements. Testing results are also presented throughout the paper.Telefonica Chair "Intelligence in Networks" of the University of Seville (Spain

Exploration and mining evaluation system and price prediction of uranium resources

Purpose. The paper introduces the development of the Uranium Resources Technical and Economic Evaluation Expert System (URTEEES) from the viewpoint of requirement analysis, system design, functional structure and application etc. Methods. The system is based on C/B/S mixed mode and applies ASP.NET technology with .Net Framework being selected as the development platform as well as the uranium resources database providing data support at the bottom layer. The paper also proves the efficiency of the system in the context of certain case studies. Findings. Since the system can performs the functions of scenario analysis, sensitivity analysis, shareholder’s returns analysis, horizontal comparison of different projects, it can improve the ability of project senior decision-makers for rapid response to the rivals and meet the demand of pricing negotiations. Moreover, the system demonstrates its efficiency in the context of case studies as the system incorporates a number of advanced methods, e.g. the Quantum Particle Swarm Optimization (QPSO) Back Propagation (BP) QPSO-BP model which can improve the generalization ability of BP network to predict the uranium price. Originality. Technical and economic evaluation model can be set up by users independently according to the current stage of a project (mainly, these are exploration stage, development stage and production stage) as well as according to the selected mining method (e.g. underground mining, surface mining, or in-situ leaching mining). Then, the technical and economic evaluation parameters can be generated. By means of inputting the value of each parameter in a simple and convenient way, the evaluation results can be calculated directly and shown in the form of diagrams; moreover, feasibility evaluation report can be generated automatically, making the process of technical and economic evaluation accurate and efficient. Practical implications. URTEEES performs the functions of decision-making analysis, metal resources database management, data management, comprehensive query etc. The system is a good basis for further development of other expert systems.Мета. Розробка експертно-аналітичної системи техніко-економічного оцінювання запасів урану з точки зору аналізу вимог, системи проектування, функціональної структури і напрямів застосування. Методика. Проектна система повинна включати два основні блоки. Перший – існуючі дані щодо оцінки ресурсів урану для отримання відповідних параметрів, які можуть бути використані для створення моделей оцінки й забезпечення основи для їх порівняння при оцінці нового проекту. Другий – допоміжна інформація, така як закони і правила, культурна інформація, яка насправді є накопиченням даних проекту і досвіду. Пропонована система заснована на використанні комбінованого режиму C/B/S; при цьому система використовує технологію ASP.NET с Nеt Framework, обрану в якості платформи розробки, а також базу даних по запасах урану, що забезпечує інформаційну підтримку на нижньому рівні. Результати. Розроблена нова система URTEEES виконує функції імовірнісного аналізу, аналізу чутливості, аналізу прибутковості для акціонерів, а також горизонтальне порівняння різних проектів, отже, може поліпшити результативність прийняття рішень керівниками проекту для швидкого реагування на дії конкурентів, крім того, дана система відповідає вимогам процесу ціноутворення. Реалізація проектної системи показує високу ефективність, оскільки включає в себе безліч методів з поліпшеними характеристиками, наприклад, модель QPSO-BP, яка удосконалила узагальнюючі можливості нейронної мережі ВР з метою оптимізації та ефективного прогнозування ціни на уран. Наукова новизна. В системі розроблена модель техніко-економічного оцінювання в залежності від стадійності реалізації проекту (в основному, це стадія геологорозвідувальних робіт, стадія розробки родовища і стадія промислового видобутку), а також способу ведення гірничих робіт (наприклад, підземні гірничі роботи, відкриті гірничі роботи або ж роботи, пов’язані з підземним вилуговуванням), а результати оцінювання можна безпосередньо підрахувати і представити наочно у вигляді діаграм. Крім того, представляється можливим автоматично сформувати техніко-економічне обґрунтування, що дозволяє зробити процес техніко-економічного оцінювання точним і ефективним. Практична значимість. Система URTEEES дозволяє виконувати функції аналізу процесу прийняття рішень, управління базою даних запасів металів, управління даними, універсальної пошукової системи в гірничодобувній промисловості.Цель. Разработка экспертно-аналитической системы технико-экономического оценивания запасов урана с точки зрения анализа требований, системы проектирования, функциональной структуры и применения. Методика. Проектная система должна включать два основных блока. Первый – существующие данные об оценке ресурсов урана для получения соответствующих параметров, которые могут быть использованы для создания моделей оценки и обеспечения основы для их сравнения при оценке нового проекта. Второй – вспомогательная информация, такая как законы и правила, культурная информация, которая на самом деле является накоплением данных проекта и опыта. Предлагаемая система основана на использовании комбинированного режима C/B/S; при этом система использует технологию ASP.NET с Net Framework, выбранную в качестве платформы разработки, а также базу данных по запасам урана, что обеспечивает информационную поддержку на нижнем уровне. Результаты. Разработанная система выполняет функции вероятностного анализа, анализа чувствительности, анализа доходности для акционеров, а также горизонтальное сравнение различных проектов, следовательно, может улучшить результативность принятия решений руководителями проекта для быстрого реагирования на действия конкурентов; кроме того, данная система соответствует требованиям процесса ценообразования. Реализация проектной системы показывает высокую эффективность, поскольку включает в себя множество методов с улучшенными характеристиками, например, модель QPSO-BP, которая усовершенствовала обобщающие возможности нейронной сети BP с целью оптимизации и эффективного прогнозирования цены на уран. Научная новизна. В системе разработана модель технико-экономического оценивания в зависимости от стадийности реализации проекта (в основном, это стадия геологоразведочных работ, стадия разработки месторождения и стадия промышленной добычи), а также способа ведения горных работ (например, подземные горные работы, открытые горные работы или же работы, связанные с подземным выщелачиванием), а результаты оценивания можно непосредственно подсчитать и представить наглядно в виде диаграмм. Кроме того, представляется возможным автоматически сформировать технико-экономическое обоснование, что позволяет сделать процесс технико-экономического оценивания точным и эффективным. Практическая значимость. Система URTEEES позволяет выполнять функции анализа процесса принятия решений, управления базой данных запасов металлов, управления данными, универсальной поисковой системы в горнодобывающей промышленности.This research project is made possible through the financial support from National Natural Science Foundation of China (No.51374242, No.51404305 and No.51504286)

Low cost multimedia sensor networks for obtaining lighting maps

In many applications, video streams, images, audio streams and scalar data are commonly used. In these fields, one of the most important magnitudes to be collected and controlled is the light intensity in different spots. So, it is extremely important to be able to deploy a network of light sensors which are usually integrated in a more general Wireless Multimedia Sensor Network (WMSN). Light control systems have increasing applications in many places like streets, roads, buildings, theaters, etc. In these situations having a dense grid of sensing spots significantly enhances measuring precision and control performance. When a great number of measuring spots are required, the cost of the sensor becomes a very important concern. In this paper the use of very low cost light sensors is proposed and it is shown how to overcome its limited performance by directionally correcting its results. A correction factor is derived for several lighting conditions. The proposed method is firstly applied to measure light in a single spot. Additionally a prototype of a sensor network is employed to draw the lighting map of a surface. Finally the sensor grid is employed to estimate the position and power of a set of light sources in a certain region of interest (street, building,…). These three applications have shown that using low cost sensors instead of luxmeters is a feasible approach to estimate illuminance levels in a room and to derive light sources maps. The obtained error measuring spots illuminance or estimating lamp emittances are quite acceptable in many practical applications.Telefonica Chair "Intelligence in Networks" of the University of Seville (Spain

Real-time human ambulation, activity, and physiological monitoring:taxonomy of issues, techniques, applications, challenges and limitations

Automated methods of real-time, unobtrusive, human ambulation, activity, and wellness monitoring and data analysis using various algorithmic techniques have been subjects of intense research. The general aim is to devise effective means of addressing the demands of assisted living, rehabilitation, and clinical observation and assessment through sensor-based monitoring. The research studies have resulted in a large amount of literature. This paper presents a holistic articulation of the research studies and offers comprehensive insights along four main axes: distribution of existing studies; monitoring device framework and sensor types; data collection, processing and analysis; and applications, limitations and challenges. The aim is to present a systematic and most complete study of literature in the area in order to identify research gaps and prioritize future research directions