Formal methods applied to the analysis of phylogenies: Phylogenetic model checking

Los árboles filogenéticos son abstracciones útiles para modelar y caracterizar la evolución de un conjunto de especies o poblaciones respecto del tiempo. La proposición, verificación y generalización de hipótesis sobre un árbol filogenético inferido juegan un papel importante en el estudio y comprensión de las relaciones evolutivas. Actualmente, uno de los principales objetivos científicos es extraer o descubrir los mensajes biológicos implícitos y las propiedades estructurales subyacentes en la filogenia. Por ejemplo, la integración de información genética en una filogenia ayuda al descubrimiento de genes conservados en todo o parte del árbol, la identificación de posiciones covariantes en el ADN o la estimación de las fechas de divergencia entre especies. Consecuentemente, los árboles ayudan a comprender el mecanismo que gobierna la deriva evolutiva. Hoy en día, el amplio espectro de métodos y herramientas heterogéneas para el análisis de filogenias enturbia y dificulta su utilización, además del fuerte acoplamiento entre la especificación de propiedades y los algoritmos utilizados para su evaluación (principalmente scripts ad hoc). Este problema es el punto de arranque de esta tesis, donde se analiza como solución la posibilidad de introducir un entorno formal de verificación de hipótesis que, de manera automática y modular, estudie la veracidad de dichas propiedades definidas en un lenguaje genérico e independiente (en una lógica formal asociada) sobre uno de los múltiples softwares preparados para ello. La contribución principal de la tesis es la propuesta de un marco formal para la descripción, verificación y manipulación de relaciones causales entre especies de forma independiente del código utilizado para su valoración. Para ello, exploramos las características de las técnicas de model checking, un paradigma en el que una especificación expresada en lógica temporal se verifica con respecto a un modelo del sistema que representa una implementación a un cierto nivel de detalle. Se ha aplicado satisfactoriamente en la industria para el modelado de sistemas y su verificación, emergiendo del ámbito de las ciencias de la computación. Las contribuciones concretas de la tesis han sido: A) La identificación e interpretación de los árboles filogeneticos como modelos de la evolución, adaptados al entorno de las técnicas de model checking. B) La definición de una lógica temporal que captura las propiedades filogenéticas habituales junto con un método de construcción de propiedades. C) La clasificación de propiedades filogenéticas, identificando categorías de propiedades según estén centradas en la estructura del árbol, en las secuencias o sean híbridas. D) La extensión de las lógicas y modelos para contemplar propiedades cuantitativas de tiempo, probabilidad y de distancias. E) El desarrollo de un entorno para la verificación de propiedades booleanas, cuantitativas y paramétricas. F) El establecimiento de los principios para la manipulación simbolica de objetos filogenéticos, p. ej., clados. G) La explotación de las herramientas de model checking existentes, detectando sus problemas y carencias en el campo de filogenia y proponiendo mejoras. H) El desarrollo de técnicas "ad hoc" para obtener ganancia de complejidad alrededor de dos frentes: distribución de los cálculos y datos, y el uso de sistemas de información. Los puntos A-F se centran en las aportaciones conceptuales de nuestra aproximación, mientras que los puntos G-H enfatizan la parte de herramientas e implementación. Los contenidos de la tesis están contrastados por la comunidad científica mediante las siguientes publicaciones en conferencias y revistas internacionales. La introducción de model checking como entorno formal para analizar propiedades biológicas (puntos A-C) ha llevado a la publicación de nuestro primer artículo de congreso [1]. En [2], desarrollamos la verificación de hipótesis filogenéticas sobre un árbol de ejemplo construido a partir de las relaciones impuestas por un conjunto de proteínas codificadas por el ADN mitocondrial humano (ADNmt). En ese ejemplo, usamos una herramienta automática y genérica de model checking (punto G). El artículo de revista [7] resume lo básico de los artículos de congreso previos y extiende la aplicación de lógicas temporales a propiedades filogenéticas no consideradas hasta ahora. Los artículos citados aquí engloban los contenidos presentados en las Parte I--II de la tesis. El enorme tamaño de los árboles y la considerable cantidad de información asociada a los estados (p.ej., la cadena de ADN) obligan a la introducción de adaptaciones especiales en las herramientas de model checking para mantener un rendimiento razonable en la verificación de propiedades y aliviar también el problema de la explosión de estados (puntos G-H). El artículo de congreso [3] presenta las ventajas de rebanar el ADN asociado a los estados, la partición de la filogenia en pequeños subárboles y su distribución entre varias máquinas. Además, la idea original del model checking rebanado se complementa con la inclusión de una base de datos externa para el almacenamiento de secuencias. El artículo de revista [4] reúne las nociones introducidas en [3] junto con la implementación y resultados preliminares presentados [5]. Este tema se corresponde con lo presentado en la Parte III de la tesis. Para terminar, la tesis reaprovecha las extensiones de las lógicas temporales con tiempo explícito y probabilidades a fin de manipular e interrogar al árbol sobre información cuantitativa. El artículo de congreso [6] ejemplifica la necesidad de introducir probabilidades y tiempo discreto para el análisis filogenético de un fenotipo real, en este caso, el ratio de distribución de la intolerancia a la lactosa entre diversas poblaciones arraigadas en las hojas de la filogenia. Esto se corresponde con el Capítulo 13, que queda englobado dentro de las Partes IV--V. Las Partes IV--V completan los conceptos presentados en ese artículo de conferencia hacia otros dominios de aplicación, como la puntuación de árboles, y tiempo continuo (puntos E-F). La introducción de parámetros en las hipótesis filogenéticas se plantea como trabajo futuro. Referencias [1] Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, José Ignacio Requeno, and José Manuel Colom. Temporal logics for phylogenetic analysis via model checking. In Proceedings IEEE International Workshop on Mining and Management of Biological and Health Data, pages 152-157. IEEE, 2010. [2] José Ignacio Requeno, Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, and José Manuel Colom. Phylogenetic analysis using an SMV tool. In Miguel P. Rocha, Juan M. Corchado Rodríguez, Florentino Fdez-Riverola, and Alfonso Valencia, editors, Proceedings 5th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 93 of Advances in Intelligent and Soft Computing, pages 167-174. Springer, Berlin, 2011. [3] José Ignacio Requeno, Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, and José Manuel Colom. Sliced model checking for phylogenetic analysis. In Miguel P. Rocha, Nicholas Luscombe, Florentino Fdez-Riverola, and Juan M. Corchado Rodríguez, editors, Proocedings 6th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 154 of Advances in Intelligent and Soft Computing, pages 95-103. Springer, Berlin, 2012. [4] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Model checking software for phylogenetic trees using distribution and database methods. Journal of Integrative Bioinformatics, 10(3):229-233, 2013. [5] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Speeding up phylogenetic model checking. In Mohd Saberi Mohamad, Loris Nanni, Miguel P. Rocha, and Florentino Fdez-Riverola, editors, Proceedings 7th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 222 of Advances in Intelligent Systems and Computing, pages 119-126. Springer, Berlin, 2013. [6] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Timed and probabilistic model checking over phylogenetic trees. In Miguel P. Rocha et al., editors, Proceedings 8th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, Advances in Intelligent and Soft Computing. Springer, Berlin, 2014. [7] José Ignacio Requeno, Gregorio de Miguel Casado, Roberto Blanco, and José Manuel Colom. Temporal logics for phylogenetic analysis via model checking. IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 10(4):1058-1070, 2013

Model-driven development of data intensive applications over cloud resources

The proliferation of sensors over the last years has generated large amounts of raw data, forming data streams that need to be processed. In many cases, cloud resources are used for such processing, exploiting their flexibility, but these sensor streaming applications often need to support operational and control actions that have real-time and low-latency requirements that go beyond the cost effective and flexible solutions supported by existing cloud frameworks, such as Apache Kafka, Apache Spark Streaming, or Map-Reduce Streams. In this paper, we describe a model-driven and stepwise refinement methodological approach for streaming applications executed over clouds. The central role is assigned to a set of Petri Net models for specifying functional and non-functional requirements. They support model reuse, and a way to combine formal analysis, simulation, and approximate computation of minimal and maximal boundaries of non-functional requirements when the problem is either mathematically or computationally intractable. We show how our proposal can assist developers in their design and implementation decisions from a performance perspective. Our methodology allows to conduct performance analysis: The methodology is intended for all the engineering process stages, and we can (i) analyse how it can be mapped onto cloud resources, and (ii) obtain key performance indicators, including throughput or economic cost, so that developers are assisted in their development tasks and in their decision taking. In order to illustrate our approach, we make use of the pipelined wavefront array

Effect of a thermal annealing on the mechanical behaviour of green pm compacts

Cold die compaction can produce different effects on the dimensional and mechanical behaviour of green PM compacts. They can be due to different causes, such as residual stresses, microcracks and others. Residual stresses should be relieved by means of applying thermal annealing treatments. In this work, the authors present the results obtained from uniaxial compression tests applied on green specimens of an atomised iron based powder, compacted to different densities and having undergone thermal annealings at several temperatures, always below the sintering one. The stress-strain compression curves obtained are compared with those corresponding to as compacted samples. The results seem indicate the existence of residual stresses that could act at different levels: microscopically, in the contact among particles, and macroscopically, in the overall specimen resistance.Postprint (published version

Contributions to the deadlock problem in multithreaded software applications observed as Resource Allocation Systems

Desde el punto de vista de la competencia por recursos compartidos sucesivamente reutilizables, se dice que un sistema concurrente compuesto por procesos secuenciales está en situación de bloqueo si existe en él un conjunto de procesos que están indefinidamente esperando la liberación de ciertos recursos retenidos por miembros del mismo conjunto de procesos. En sistemas razonablemente complejos o distribuidos, establecer una política de asignación de recursos que sea libre de bloqueos puede ser un problema muy difícil de resolver de forma eficiente. En este sentido, los modelos formales, y particularmente las redes de Petri, se han ido afianzando como herramientas fructíferas que permiten abstraer el problema de asignación de recursos en este tipo de sistemas, con el fin de abordarlo analíticamente y proveer métodos eficientes para la correcta construcción o corrección de estos sistemas. En particular, la teoría estructural de redes de Petri se postula como un potente aliado para lidiar con el problema de la explosión de estados inherente a aquéllos. En este fértil contexto han florecido una serie de trabajos que defienden una propuesta metodológica de diseño orientada al estudio estructural y la correspondiente corrección física del problema de asignación de recursos en familias de sistemas muy significativas en determinados contextos de aplicación, como el de los Sistemas de Fabricación Flexible. Las clases de modelos de redes de Petri resultantes asumen ciertas restricciones, con significado físico en el contexto de aplicación para el que están destinadas, que alivian en buena medida la complejidad del problema. En la presente tesis, se intenta acercar ese tipo de aproximación metodológica al diseño de aplicaciones software multihilo libres de bloqueos. A tal efecto, se pone de manifiesto cómo aquellas restricciones procedentes del mundo de los Sistemas de Fabricación Flexible se muestran demasiado severas para aprehender la versatilidad inherente a los sistemas software en lo que respecta a la interacción de los procesos con los recursos compartidos. En particular, se han de resaltar dos necesidades de modelado fundamentales que obstaculizan la mera adopción de antiguas aproximaciones surgidas bajo el prisma de otros dominios: (1) la necesidad de soportar el anidamiento de bucles no desplegables en el interior de los procesos, y (2) la posible compartición de recursos no disponibles en el arranque del sistema pero que son creados o declarados por un proceso en ejecución. A resultas, se identifica una serie de requerimientos básicos para la definición de un tipo de modelos orientado al estudio de sistemas software multihilo y se presenta una clase de redes de Petri, llamada PC2R, que cumple dicha lista de requerimientos, manteniéndose a su vez respetuosa con la filosofía de diseño de anteriores subclases enfocadas a otros contextos de aplicación. Junto con la revisión e integración de anteriores resultados en el nuevo marco conceptual, se aborda el estudio de propiedades inherentes a los sistemas resultantes y su relación profunda con otros tipos de modelos, la confección de resultados y algoritmos eficientes para el análisis estructural de vivacidad en la nueva clase, así como la revisión y propuesta de métodos de resolución de los problemas de bloqueo adaptadas a las particularidades físicas del dominio de aplicación. Asimismo, se estudia la complejidad computacional de ciertas vertientes relacionadas con el problema de asignación de recursos en el nuevo contexto, así como la traslación de los resultados anteriormente mencionados sobre el dominio de la ingeniería de software multihilo, donde la nueva clase de redes permite afrontar problemas inabordables considerando el marco teórico y las herramientas suministradas para subclases anteriormente explotadas

A Specification Language for Performance and Economical Analysis of Short Term Data Intensive Energy Management Services

Requirements of Energy Management Services include short and long term processing of data in a massively interconnected scenario. The complexity and variety of short term applications needs methodologies that allow designers to reason about the models taking into account functional and non-functional requirements. In this paper we present a component based specification language for building trustworthy continuous dataflow applications. Component behaviour is defined by Petri Nets in order to translate to the methodology all the advantages derived from a mathematically based executable model to support analysis, verification, simulation and performance evaluation. The paper illustrates how to model and reason with specifications of advanced dataflow abstractions such as smart grids

Elastic behaviour under compressive stresses states of sintered metallic parts

The mechanical response in service of a component is mainly determined by its elastic behaviour. Traditionally, metallic materials have been characterized by means of tensile tests, even in the case of sintered ones. In this condition, the elasticity of sintered parts has been always supposed to be linear, with a Young modulus dependent on the density. However, no attention has received the elastic behaviour under compressive stresses. In this work, the authors present the results obtained from cyclic uniaxial compression tests applied on sintered metallic samples with different densities. The elastic behaviour under compression is no longer linear and different mechanisms occur during the deformation process. Assuming a power law relating compressive stress and strain, an elastic modulus dependent on the density and the loading path has been obtained.Postprint (published version

Caractérisation par spectrophotométrie FT-IR du PVC soumis à une dégradation thermochimique en milieu acide oxydant

El presente estudio pretende profundizar en los efectos que provoca la exposición con HNO3 sobre la estructura del PVC. A tal fin se han sometido una serie de probetas a exposición en medio HNO3 a distintas concentraciones (0, 6, 30 y 60 % en peso) durante un período de tiempo hasta 90 días a temperaturas comprendidas entre -15 y 60ºC. La técnica utilizada para medir los cambios químicos y microestructurales que han experimentado las probetas sometidas a estas condiciones de degradación es la espectrofotometría FT-IR.This work studies the effects caused by HNO3 exposition in PVC’s structure. The samples of PVC have been submitted to different concentration (0,6,30 y 60% in weight), temperatures (between –15 and 60ºC) and different periods of exposition. The extent of degradation was determined by evaluating the chemical changes and microestructural changes in PVC by means of FT-IR spectrophotometry.Ce travail vise à approfondir l’étude des effets de l’exposition au HNO3 sur la structure du PVC. Pour ce faire, plusieurs éprouvettes ont été exposées au HNO3 à différentes concentrations (0,6, 30 et 60% de poids) sur une période de 90 jours maximum, à des températures comprises entre –15 et 60 °C. La spectrophotométrie FT-IR a été la technique utilisée pour mesurer les modifications chimiques et micro-structurelles observées dans les éprouvettes soumises à ces conditions de dégradation

Estudio experimental del llenado de moldes pulvimetalúrgicos

En el proceso de conformado pulvimetalúrgico, la consolidación del polvo se inicia con el llenado del molde en el que se fabricará la preforma porosa, el cuál está caracterizado por la distribución de densidades del polvo dentro del molde y depende tanto de las propiedades del mismo como del método de llenado utilizado. A continuación, presentamos los primeros resultados obtenidos mediante un montaje experimental que reproduce el llenado de moldes y que, empleando un sistema de video, permite analizar el flujo de las partículas durante el llenado. El objetivo es determinar el efecto del tamaño, naturaleza y morfología del polvo, así como el de la velocidad del cargador y la geometría del molde en la distribución de la densidad aparente en moldes industriales de geometría compleja. Die filling is the first step in the process of powder compaction. The density distribution depends of the powder characteristics and method of filling. In this work we present the first results obtained with different experimental methods of the filling. Results have been analyzed using a video system which permits the observation of the powder flow. The aim of the work is to determinate the effects of size, morphology and nature of the powder, as well as shoe speed, and die geometry on the apparent density distribution in industrial dies of complex geometry.Peer ReviewedPostprint (published version

Synthesis of asynchronous controllers using integer linear programming

A novel strategy for the logic synthesis of asynchronous control circuits is presented. It is based on the structural theory of Petri nets and integer linear programming. Techniques that are capable of checking implementability conditions, such as complete state coding, and deriving a gate netlist to implement the specified behavior are presented. These techniques can handle Petri net specifications consisting of several thousands of transitions and provide a significant speed-up compared with techniques that have previously been proposed.Peer ReviewedPostprint (published version

Modelización y simulación de la etapa de compactación en PM

La industria pulvimetalúrgica está interesada en extender las aplicaciones y mejorar la calidad de sus productos. Para ello, necesita un conocimiento detallado de sus procesos que permita su control. La representación del comportamiento mecánico de estos materiales se ha realizado utilizando diversos tipos de modelos; en la actualidad, la mayoría de los grupos de trabajo considera a los polvos metálicos como materiales granulares. Los modelos de plasticidad definidos para los materiales geológicos se están aplicando a los agregados metálicos. Sin embargo, ninguno de los modelos conocidos puede representar adecuadamente su comportamiento mecánico, especialmente en estados de fallo.Powder metallurgical industry is very interested in spreading its applications and improve the quality of the PM products. Therefore, a detailed knowledge of their processes, in order to control them, is necessary. Many different types of models have been used to represent the mechanical behaviour of these materials; however, nowadays, most of the groups working in this field admit that metallic powders and green compacts have to be considered as granular materials. Plasticity models specially defined for geological materials are being applied on metallic aggregates. Nevertheless, none of the known ones can represent adequately their mechanical behaviour, specially in states of failure.Postprint (published version