| |
|
Modelling, parameter estimation, optimisation and control of transport and reaction processes in bioreactors.
ŠTUMBAUER, Václav
With the significant potential of microalgae as a major biofuel source of the future, a considerable scientific attention is attracted towards the field of biotechnology and bioprocess engineering. Nevertheless the current photobioreactor (PBR) design methods are still too empirical. With this work I would like to promote the idea of designing a production system, such as a PBR, completely \emph{in silico}, thus allowing for the in silico optimization and optimal control determination. The thesis deals with the PBR modeling and simulation. It addresses two crucial issues in the current state-of-the-art PBR modeling. The first issue relevant to the deficiency of the currently available models - the incorrect or insufficient treatment of either the transport process modeling, the reaction modeling or the coupling between these two models. A correct treatment of both the transport and the reaction phenomena is proposed in the thesis - in the form of a unified modeling framework consisting of three interconnected parts - (i) the state system, (ii) the fluid-dynamic model and (iii) optimal control determination. The proposed model structure allows prediction of the PBR performance with respect to the modelled PBR size, geometry, operating conditions or a particular microalgae strain. The proposed unified modeling approach is applied to the case of the Couette-Taylor photobioreactor (CTBR) where it is used for the optimal control solution. The PBR represents a complex multiscale problem and especially in the case of the production scale systems, the associated computational costs are paramount. This is the second crucial issue addressed in the thesis. With respect to the computational complexity, the fluid dynamics simulation is the most costly part of the PBR simulation. To model the fluid flow with the classical CFD (Computational Fluid Dynamics) methods inside a production scale PBR leads to an enormous grid size. This usually requires a parallel implementation of the solver but in the parallelization of the classical methods lies another relevant issue - that of the amount of data the individual nodes must interchange with each other. The thesis addresses the performance relevant issues by proposing and evaluation alternative approaches to the fluid flow simulation. These approaches are more suitable to the parallel implementation than the classical methods because of their rather local character in comparison to the classical methods - namely the Lattice Boltzmann Method (LBM) for fluid flow, which is the primary focus of the thesis in this regard and alternatively also the discrete random walk based method (DRW). As the outcome of the thesis I have developed and validated a new Lagrangian general modeling approach to the transport and reaction processes in PBR - a framework based on the Lattice Boltzmann method (LBM) and the model of the Photosynthetic Factory (PSF) that models correctly the transport and reaction processes and their coupling. Further I have implemented a software prototype based on the proposed modeling approach and validated this prototype on the case of the Coutte-Taylor PBR. I have also demonstrated that the modeling approach has a significant potential from the computational costs point of view by implementing and validating the software prototype on the parallel architecture of CUDA (Compute Unified Device Architecture). The current parallel implementation is approximately 20 times faster than the unparallized one and decreases thus significantly the iteration cycle of the PBR design process.
|
|
Role of Psb28 proteins in the biogenesis of the Photosystem II complex in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803
BEČKOVÁ, Martina
The thesis focuses on the role of Psb28 proteins, namely the Psb28-1 and its homolog Psb28-2, in the biogenesis of the Photosystem II complex (PSII) in the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803. The aims of this work were to localize the proteins within the cells, and to determine their function. A fraction of both Psb28 proteins was identified in the monomeric PSII core complexes but most proteins were found in the unassembled protein fraction associated with thylakoid membranes. Psb28-1 was mostly detected as a dimer while Psb28-2 as a monomer. Psb28-1 also differed from Psb28-2 by its higher affinity to the PSII core complex lacking CP43 antenna. Characterization of Psb28-less mutants suggested regulatory function of the proteins in PSII biogenesis in connection with chlorophyll biosynthetic pathway. Analysis of preparations isolated using FLAG-tagged versions of Psb28 proteins showed their association with Photosystem II - Photosystem I supercomplexes, especially under increased irradiance, and supported a role of Photosystem I in the PSII biogenesis.
|
|
Alban Berg: Wozzek A complex scenographic project
Ermakova, Olga ; ZÁBRODSKÁ, Dana (advisor) ; DAVID, Milan (referee)
The topic of my bachelor thesis is to process a complex scenographic project to the opera Woyzeck. At the beginning, the work presents the biography of the playwright Georg Büchner and the biography of the composer Alban Berg. It is followed by a plot summary and an analysis of alternative adaptations of Woyzeck. In the final part of my thesis I present a concept to my theoretical part of my bachelor project. One part of my concept is a section with drawings of the stage and costumes. In the appendix there are photos of costumes in the real enviroment.
|
|
Harnessing Forest Automata for Verification of Heap Manipulating Programs
Šimáček, Jiří ; Abdulla, Parosh (referee) ; Křetínský, Mojmír (referee) ; Vojnar, Tomáš (advisor)
Tato práce se zabývá verifikací nekonečně stavových systémů, konkrétně, verifikací programů využívajích složité dynamicky propojované datové struktury. V minulosti se k řešení tohoto problému objevilo mnoho různých přístupů, avšak žádný z nich doposud nebyl natolik robustní, aby fungoval ve všech případech, se kterými se lze v praxi setkat. Ve snaze poskytnout vyšší úroveň automatizace a současně umožnit verifikaci programů se složitějšími datovými strukturami v této práci navrhujeme nový přístup, který je založen zejména na použití stromových automatů, ale je také částečně inspirován některými myšlenkami, které jsou převzaty z metod založených na separační logice. Mimo to také představujeme několik vylepšení v oblasti implementace operací nad stromovými automaty, které jsou klíčové pro praktickou využitelnost navrhované verifikační metody. Konkrétně uvádíme optimalizovaný algoritmus pro výpočet simulací pro přechodový systém s návěštími, pomocí kterého lze efektivněji počítat simulace pro stromové automaty. Dále uvádíme nový algoritmus pro testování inkluze stromových automatů společně s experimenty, které ukazují, že tento algoritmus překonává jiné existující přístupy.
|
|
Acceleration of Object Detection Using Classifiers
Juránek, Roman ; Kälviäinen, Heikki (referee) ; Sojka, Eduard (referee) ; Zemčík, Pavel (advisor)
Detekce objektů v počítačovém vidění je složítá úloha. Velmi populární a rozšířená metoda pro detekci je využití statistických klasifikátorů a skenovacích oken. Pro učení kalsifikátorů se často používá algoritmus AdaBoost (nebo jeho modifikace), protože dosahuje vysoké úspěšnosti detekce, nízkého počtu chybných detekcí a je vhodný pro detekci v reálném čase. Implementaci detekce objektů je možné provést různými způsoby a lze využít vlastnosti konkrétní architektury, pro urychlení detekce. Pro akceleraci je možné využít grafické procesory, vícejádrové architektury, SIMD instrukce, nebo programovatelný hardware. Tato práce představuje metodu optimalizace, která vylepšuje výkon detekce objektů s ohledem na cenovou funkci zadanou uživatelem. Metoda rozděluje předem natrénovaný klasifikátor do několika různých implementací, tak aby celková cena klasifikace byla minimalizována. Metoda je verifikována na základním experimentu, kdy je klasifikátor rozdělen do předzpracovací jednotku v FPGA a do jednotky ve standardním PC.
|
|
Relational Verification of Programs with Integer Data
Konečný, Filip ; Bouajjani, Ahmed (referee) ; Jančar, Petr (referee) ; Vojnar, Tomáš (advisor)
Tato práce představuje nové metody pro verifikaci programů pracujících s neomezenými celočíslenými proměnnými, konkrétně metody pro analýzu dosažitelnosti a~konečnosti. Většina těchto metod je založena na akceleračních technikách, které počítají tranzitivní uzávěry cyklů programu. V práci je nejprve představen algoritmus pro akceleraci několika tříd celočíselných relací. Tento algoritmus je až o čtyři řády rychlejší než existující techniky. Z teoretického hlediska práce dokazuje, že uvažované třídy relací jsou periodické a~poskytuje tudíž jednotné řešení prolému akcelerace. Práce dále představuje semi-algoritmus pro analýzu dosažitelnosti celočíselných programů, který sleduje relace mezi proměnnými programu a~aplikuje akcelerační techniky za účelem modulárního výpočtu souhrnů procedur. Dále je v práci navržen alternativní algoritmus pro analýzu dosažitelnosti, který integruje predikátovou abstrakci s accelerací s cílem zvýšit pravděpodobnost konvergence výpočtu. Provedené experimenty ukazují, že oba algoritmy lze úspěšně aplikovat k verifikaci programů, na kterých předchozí metody selhávaly. Práce se rovněž zabývá problémem konečnosti běhu programů a~dokazuje, že tento problém je rozhodnutelný pro několik tříd celočíselných relací. Pro některé z těchto tříd relací je v práci navržen algoritmus, který v polynomiálním čase vypočítá množinu všech konfigurací programu, z nichž existuje nekonečný běh. Tento algoritmus je integrován do metody, která analyzuje konečnost běhů celočíselných programů. Efektivnost této metody je demonstrována na několika netriviálních celočíselných programech.
|
|
Acceleration Methods for Evolutionary Design of Digital Circuits
Vašíček, Zdeněk ; Miller, Julian (referee) ; Zelinka,, Ivan (referee) ; Sekanina, Lukáš (advisor)
Ačkoliv můžeme v literatuře nalézt řadu příkladů prezentujících evoluční návrh jakožto zajímavou a slibnou alternativu k tradičním návrhovým technikám používaným v oblasti číslicových obvodů, praktické nasazení je často problematické zejména v důsledku tzv. problému škálovatelnosti, který se projevuje např. tak, že evoluční algoritmus je schopen poskytovat uspokojivé výsledky pouze pro malé instance řešeného problému. Vážný problém představuje tzv. problém škálovatelnosti evaluace fitness funkce, který je markantní zejména v oblasti syntézy kombinačních obvodů, kde doba potřebná pro ohodnocení kandidátního řešení typicky roste exponenciálně se zvyšujícím se počtem primárních vstupů. Tato disertační práce se zabývá návrhem několika metod umožňujících redukovat problem škálovatelnosti evaluace v oblasti evolučního návrhu a optimalizace číslicových systémů. Cílem je pomocí několika případových studií ukázat, že s využitím vhodných akceleračních technik jsou evoluční techniky schopny automaticky navrhovat inovativní/kompetitivní řešení praktických problémů. Aby bylo možné redukovat problém škálovatelnosti v oblasti evolučního návrhu číslicových filtrů, byl navržen doménově specifický akcelerátor na bázi FPGA. Tato problematika reprezentuje případ, kdy je nutné ohodnotit velké množství trénovacích dat a současně provést mnoho generací. Pomocí navrženého akcelerátoru se podařilo objevit efektivní implementace různých nelineárních obrazových filtrů. S využitím evolučně navržených filtrů byl vytvořen robustní nelineární filtr implusního šumu, který je chráněn užitným vzorem. Navržený filtr vykazuje v porovnání s konvenčními řešeními vysokou kvalitu filtrace a nízkou implementační cenu. Spojením evolučního návrhu a technik známých z oblasti formální verifikace se podařilo vytvořit systém umožňující výrazně redukovat problém škálovatelnosti evoluční syntézy kombinačních obvodů na úrovni hradel. Navržená metoda dovoluje produkovat komplexní a přesto kvalitní řešení, která jsou schopna konkurovat komerčním nástrojům pro logickou syntézu. Navržený algoritmus byl experimentálně ověřen na sadě několika benchmarkových obvodů včetně tzv. obtížně syntetizovatelných obvodů, kde dosahoval v průměru o 25% lepších výsledků než dostupné akademické i komerční nástroje. Poslední doménou, kterou se práce zabývá, je akcelerace evolučního návrhu lineárních systémů. Na příkladu evolučního návrhu násobiček s vícenásobnými konstantními koeficienty bylo ukázáno, že čas potřebný k evaluaci kandidátního řešení lze výrazně redukovat (defacto na ohodocení jediného testovacího vektoru), je-li brán v potaz charakter řešeného problému (v tomto případě linearita).
|
|
High-Quality Shadow Rendering from Complex Light Sources
Navrátil, Jan ; Sochor, Jiří (referee) ; Navrátil, Jan (referee) ; Zemčík, Pavel (advisor)
V interaktivních aplikacích jsou stíny tradičně zobrazovány s pomocí algoritmu založeným na stínových mapách. Nevýhodou toho algoritmu je, že stínová mapa, reprezentovaná texturou, má pouze omezené rozlišení. To může vést k nepěkným vizuálním artefaktům objevujících se na hranách stínů. Tato práce představuje postup, který je založen na vylepšené deformaci textury. To umožní zobrazit scénu obsahující složité světelné zdroje, zredukovat artefakty na hranicích stínů a také vylepšit kvalitu stínů bez ohledu na typu scény a její konfiguraci.
|
|
Hydrobiologie poříčních tůní dolního Podyjí v souvislosti s obnovou hydrologického režimu lužního lesa
Heteša, Jiří ; Keršner, Vladimír ; Marvan, Petr ; Sukop, I.
Alluvial pools of Lower Dyje River Basin were markedly affected by river bed canalisation and construction of three shallow reservoirs in seventies and eighties. As a consequence of groundwater decrease many periodic pools became extinct and survival of numerous plant and animal species in the whole complex of floodplain forest seriously endangered. On the other hand, other species, like e.g. halophilous diatoms, appeared and found convenient living conditions in waters with increased electrolyte concentration. River water supply into pools suffering from lack of water is associated with risks of lowering indigenous biodiversity and introducing undesirable organisms, especially water bloom forming cyanobacteria.
|
guest ::
