Systems Engineering: Availability and Reliability

Current trends in Industry 4.0 are largely related to issues of reliability and availability. As a result of these trends and the complexity of engineering systems, research and development in this area needs to focus on new solutions in the integration of intelligent machines or systems, with an emphasis on changes in production processes aimed at increasing production efficiency or equipment reliability. The emergence of innovative technologies and new business models based on innovation, cooperation networks, and the enhancement of endogenous resources is assumed to be a strong contribution to the development of competitive economies all around the world. Innovation and engineering, focused on sustainability, reliability, and availability of resources, have a key role in this context. The scope of this Special Issue is closely associated to that of the ICIE’2020 conference. This conference and journal’s Special Issue is to present current innovations and engineering achievements of top world scientists and industrial practitioners in the thematic areas related to reliability and risk assessment, innovations in maintenance strategies, production process scheduling, management and maintenance or systems analysis, simulation, design and modelling

Applied Metaheuristic Computing

For decades, Applied Metaheuristic Computing (AMC) has been a prevailing optimization technique for tackling perplexing engineering and business problems, such as scheduling, routing, ordering, bin packing, assignment, facility layout planning, among others. This is partly because the classic exact methods are constrained with prior assumptions, and partly due to the heuristics being problem-dependent and lacking generalization. AMC, on the contrary, guides the course of low-level heuristics to search beyond the local optimality, which impairs the capability of traditional computation methods. This topic series has collected quality papers proposing cutting-edge methodology and innovative applications which drive the advances of AMC

Improving Energy Efficiency through Data-Driven Modeling, Simulation and Optimization

In October 2014, the EU leaders agreed upon three key targets for the year 2030: a reduction by at least 40% in greenhouse gas emissions, savings of at least 27% for renewable energy, and improvements by at least 27% in energy efficiency. The increase in computational power combined with advanced modeling and simulation tools makes it possible to derive new technological solutions that can enhance the energy efficiency of systems and that can reduce the ecological footprint. This book compiles 10 novel research works from a Special Issue that was focused on data-driven approaches, machine learning, or artificial intelligence for the modeling, simulation, and optimization of energy systems

Applied Methuerstic computing

For decades, Applied Metaheuristic Computing (AMC) has been a prevailing optimization technique for tackling perplexing engineering and business problems, such as scheduling, routing, ordering, bin packing, assignment, facility layout planning, among others. This is partly because the classic exact methods are constrained with prior assumptions, and partly due to the heuristics being problem-dependent and lacking generalization. AMC, on the contrary, guides the course of low-level heuristics to search beyond the local optimality, which impairs the capability of traditional computation methods. This topic series has collected quality papers proposing cutting-edge methodology and innovative applications which drive the advances of AMC

Operations Management

Global competition has caused fundamental changes in the competitive environment of the manufacturing and service industries. Firms should develop strategic objectives that, upon achievement, result in a competitive advantage in the market place. The forces of globalization on one hand and rapidly growing marketing opportunities overseas, especially in emerging economies on the other, have led to the expansion of operations on a global scale. The book aims to cover the main topics characterizing operations management including both strategic issues and practical applications. A global environmental business including both manufacturing and services is analyzed. The book contains original research and application chapters from different perspectives. It is enriched through the analyses of case studies

Beyond hairballs: depicting complexity of a kinase-phosphatase network in the budding yeast

Les kinases et les phosphatases (KP) représentent la plus grande famille des enzymes dans la cellule. Elles régulent les unes les autres ainsi que 60 % du protéome, formant des réseaux complexes kinase-phosphatase (KP-Net) jouant un rôle essentiel dans la signalisation cellulaire. Ces réseaux caractérisés d’une organisation de type commandes-exécutions possèdent généralement une structure hiérarchique. Malgré les nombreuse études effectuées sur le réseau KP-Net chez la levure, la structure hiérarchique ainsi que les principes fonctionnels sont toujours peux connu pour ce réseau. Dans ce contexte, le but de cette thèse consistait à effectuer une analyse d’intégration des données provenant de différentes sources avec la structure hiérarchique d’un réseau KP-Net de haute qualité chez la levure, S. cerevisiae, afin de générer des hypothèses concernant les principes fonctionnels de chaque couche de la hiérarchie du réseau KP-Net. En se basant sur une curation de données d’interactions effectuée dans la présente et dans d’autres études, le plus grand et authentique réseau KP-Net reconnu jusqu’à ce jour chez la levure a été assemblé dans cette étude. En évaluant le niveau hiérarchique du KP-Net en utilisant la métrique de la centralisation globale et en élucidant sa structure hiérarchique en utilisant l'algorithme vertex-sort (VS), nous avons trouvé que le réseau KP-Net possède une structure hiérarchique ayant la forme d’un sablier, formée de trois niveaux disjoints (supérieur, central et inférieur). En effet, le niveau supérieur du réseau, contenant un nombre élevé de KPs, était enrichi par des KPs associées à la régulation des signaux cellulaire; le niveau central, formé d’un nombre limité de KPs fortement connectées les unes aux autres, était enrichi en KPs impliquées dans la régulation du cycle cellulaire; et le niveau inférieur, composé d’un nombre important de KPs, était enrichi en KPs impliquées dans des processus cellulaires diversifiés. En superposant une grande multitude de propriétés biologiques des KPs sur le réseau KP-Net, le niveau supérieur était enrichi en phosphatases alors que le niveau inférieur en était appauvri, suggérant que les phosphatases seraient moins régulées par phosphorylation et déphosphorylation que les kinases. De plus, le niveau central était enrichi en KPs représentant des « bottlenecks », participant à plus d’une voie de signalisation, codées par des gènes essentiels et en KPs qui étaient les plus strictement régulées dans l’espace et dans le temps. Ceci implique que les KPs qui jouent un rôle essentiel dans le réseau KP-Net devraient être étroitement contrôlées. En outre, cette étude a montré que les protéines des KPs classées au niveau supérieur du réseau sont exprimées à des niveaux d’abondance plus élevés et à un niveau de bruit moins élevé que celles classées au niveau inférieur du réseau, suggérant que l’expression des enzymes à des abondances élevées invariables au niveau supérieur du réseau KP-Net pourrait être importante pour assurer un système robuste de signalisation. L’étude de l’algorithme VS a montré que le degré des nœuds affecte leur classement dans les différents niveaux d’un réseau hiérarchique sans biaiser les résultats biologiques du réseau étudié. En outre, une analyse de robustesse du réseau KP-Net a montré que les niveaus du réseau KP-Net sont modérément stable dans des réseaux bruités générés par ajout d’arrêtes au réseau KP-Net. Cependant, les niveaux de ces réseaux bruités et de ceux du réseau KP-Net se superposent significativement. De plus, les propriétés topologiques et biologiques du réseau KP-Net étaient retenues dans les réseaux bruités à différents niveaux. Ces résultats indiquant que bien qu’une robustesse partielle de nos résultats ait été observée, ces derniers représentent l’état actuel de nos connaissances des réseaux KP-Nets. Finalement, l’amélioration des techniques dédiées à l’identification des substrats des KPs aideront davantage à comprendre comment les réseaux KP-Nets fonctionnent. À titre d’exemple, je décris, dans cette thèse, une stratégie que nous avons conçu et qui permet à déterminer les interactions KP-substrats et les sous-unités régulatrices sur lesquelles ces interactions dépendent. Cette stratégie est basée sur la complémentation des fragments de protéines basée sur la cytosine désaminase chez la levure (OyCD PCA). L’OyCD PCA représente un essai in vivo à haut débit qui promet une description plus précise des réseaux KP-Nets complexes. En l’appliquant pour déterminer les substrats de la kinase cycline-dépendante de type 1 (Cdk1, appelée aussi Cdc28) chez la levure et l’implication des cyclines dans la phosphorylation de ces substrats par Cdk1, l’essai OyCD PCA a montré un comportement compensatoire collectif des cyclines pour la majorité des substrats. De plus, cet essai a montré que la tubuline- γ est phosphorylée spécifiquement par Clb3-Cdk1, établissant ainsi le moment pendant lequel cet événement contrôle l'assemblage du fuseau mitotique.Kinases and phosphatases (KP) form the largest family of enzymes in living cells. They regulate each other and 60 % of the proteome forming complex kinase-phosphatase networks (KP-Net) essential for cell signaling. Such networks having the command-execution aspect tend to have a hierarchical structure. Despite the extensive study of the KP-Net in the budding yeast, the hierarchical structure as well as the functional principles of this network are still not known. In this context, this thesis aims to perform an integrative analysis of multi-omics data with the hierarchical structure of a bona fide KP-Net in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae, in order to generate hypotheses about the functional principles of each layer in the KP-Net hierarchy. Based on a literature curation effort accomplished in this and in other studies, the largest bona fide KP-Net of the S. cerevisiae known to date was assembled in this thesis. By assessing the hierarchical level of the KP-Net using the global reaching centrality and by elucidating the its hierarchical structure using the vertex-sort (VS) algorithm, we found that the KP-Net has a moderate hierarchical structure made of three disjoint layers (top, core and bottom) resembling a bow tie shape. The top layer having a large size was found enriched for signaling regulation; the core layer made of few strongly connected KPs was found enriched mostly for cell cycle regulation; and the bottom layer having a large size was found enriched for diverse biological processes. On overlaying a wide range of KP biological properties on top of the KP-Net hierarchical structure, the top layer was found enriched for and the bottom layer was found depleted for phosphatases, suggesting that phosphatases are less regulated by phosphorylation and dephosphoryation interactions (PDI) than kinases. Moreover, the core layer was found enriched for KPs representing bottlenecks, pathway-shared components, essential genes and for the most tightly regulated KPs in time and space, implying that KPs playing an essential role in the KP-Net should be firmly controlled. Interestingly, KP proteins in the top layer were found more abundant and less noisy than those of the bottom layer, suggesting that availability of enzymes at invariable protein expression level at the top of the network might be important to ensure a robust signaling. Analysis of the VS algorithm showed that node degrees affect their classification in the different layers of a network hierarchical structure without biasing biological results of the sorted network. Robustness analysis of the KP-Net showed that KP-Net layers are moderately stable in noisy networks generated by adding edges to the KP-Net. However, layers of these noisy overlap significantly with those of the KP-Net. Moreover, topological and biological properties of the KP-Net were retained in the noisy networks to different levels. These findings indicate that despite the observed partial robustness of our results, they mostly represent our current knowledge about KP-Nets. Finally, enhancement of techniques dedicated to identify KPs substrates will enhance our understanding about how KP-Nets function. As an example, I describe here a strategy that we devised to help in determining KP-substrate interactions and the regulatory subunits on which these interactions depend. The strategy is based on a protein-fragment complementation assay based on the optimized yeast cytosine deaminase (OyCD PCA). The OyCD PCA represents a large scale in vivo screen that promises a substantial improvement in delineating the complex KP-Nets. We applied the strategy to determine substrates of the cyclin-dependent kinase 1 (Cdk1; also called Cdc28) and cyclins implicated in phosphorylation of these substrates by Cdk1 in S. cerevisiae. The OyCD PCA showed a wide compensatory behavior of cyclins for most of the substrates and the phosphorylation of γ-tubulin specifically by Clb3-Cdk1, thus establishing the timing of the latter event in controlling assembly of the mitotic spindle

Systematic Approaches for Telemedicine and Data Coordination for COVID-19 in Baja California, Mexico

Conference proceedings info: ICICT 2023: 2023 The 6th International Conference on Information and Computer Technologies Raleigh, HI, United States, March 24-26, 2023 Pages 529-542We provide a model for systematic implementation of telemedicine within a large evaluation center for COVID-19 in the area of Baja California, Mexico. Our model is based on human-centric design factors and cross disciplinary collaborations for scalable data-driven enablement of smartphone, cellular, and video Teleconsul-tation technologies to link hospitals, clinics, and emergency medical services for point-of-care assessments of COVID testing, and for subsequent treatment and quar-antine decisions. A multidisciplinary team was rapidly created, in cooperation with different institutions, including: the Autonomous University of Baja California, the Ministry of Health, the Command, Communication and Computer Control Center of the Ministry of the State of Baja California (C4), Colleges of Medicine, and the College of Psychologists. Our objective is to provide information to the public and to evaluate COVID-19 in real time and to track, regional, municipal, and state-wide data in real time that informs supply chains and resource allocation with the anticipation of a surge in COVID-19 cases. RESUMEN Proporcionamos un modelo para la implementación sistemática de la telemedicina dentro de un gran centro de evaluación de COVID-19 en el área de Baja California, México. Nuestro modelo se basa en factores de diseño centrados en el ser humano y colaboraciones interdisciplinarias para la habilitación escalable basada en datos de tecnologías de teleconsulta de teléfonos inteligentes, celulares y video para vincular hospitales, clínicas y servicios médicos de emergencia para evaluaciones de COVID en el punto de atención. pruebas, y para el tratamiento posterior y decisiones de cuarentena. Rápidamente se creó un equipo multidisciplinario, en cooperación con diferentes instituciones, entre ellas: la Universidad Autónoma de Baja California, la Secretaría de Salud, el Centro de Comando, Comunicaciones y Control Informático. de la Secretaría del Estado de Baja California (C4), Facultades de Medicina y Colegio de Psicólogos. Nuestro objetivo es proporcionar información al público y evaluar COVID-19 en tiempo real y rastrear datos regionales, municipales y estatales en tiempo real que informan las cadenas de suministro y la asignación de recursos con la anticipación de un aumento de COVID-19. 19 casos.ICICT 2023: 2023 The 6th International Conference on Information and Computer Technologieshttps://doi.org/10.1007/978-981-99-3236-