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메탄 외부 가진에 대한 메탄-산소 스월 동축형 인젝터 화염의 국소 영역 화염전달함수에 대한 실험적 연구
No full text학위논문(박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 기계항공공학부, 2024. 8. 이복직.최근 우주 산업 및 우주 시장의 성장으로 인해 차세대 로켓 엔진에 대한 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 그 중 하나의 흐름으로, 사람에게 무해하고 엔진 재사용에 여러 장점을 가지고 있는 메탄 엔진에 대한 연구가 전세계적으로 주목을 받고 있다. 그리고 증가하는 로켓 발사 회수에 응답하는 또 다른 주요 연구 분야는 바로 로켓의 안정성 향상이다. 우주 임무의 성공은 로켓 발사의 성공에서부터 비롯하며, 이러한 우주 발사체 높은 임무 성공률을 달성하기 위해서는, 발사체 개발 및 연구 진행 과정에서부터 각 미션 단계의 위험 요소를 확인하고 이를 예방하는 과정이 요구된다. 몇몇 통계적 연구에 따르면 로켓 발사의 여러 단계 중에서도 엔진 추진 과정에서의 문제가 가장 많은 원인으로 조사되었다. 그리고 나사에서 발표한, 로켓 개발 과정에서의 결함 발생 가능성에 대한 보고서에서는 다양한 설계 요소들 중, 엔진에서의 문제 발생 가능성이 가장 높다고 정리한 바 있다. 이러한 점을 바탕으로, 로켓의 안정성 중 가장 중요한 요소 중 하나는 바로 엔진의 안정성을 꼽을 수 있다.
하지만 엔진 내부 화염이 불안정해지면 엔진의 정상적인 작동은 불가능해지며, 심한 경우에는 엔진과 로켓이 손상되는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 엔진의 높은 안정성은 그 연소 효율과 더불어 중요한 성능 지표로 여겨졌고, 가스터빈 분야와 더불어 로켓 화염에 대한 많은 연소 불안정 연구가 수행되어왔습니다. 연소 불안정은 위와 같이 엔진 내부의 화염이 어떠한 요인으로 인해 불안정해지고, 이를 통제할 수 없는 상황을 의미한다. 일반적으로 연소불안정은 엔진 내부에서 화염의 열방출량 섭동, 압력 섭동, 그리고 연료 분포의 불균등성의 3가지 요소가 서로 보강 간섭 순환을 일으켜 발생한다고 알려져 있다.
이러한 연소불안정 및 화염의 동특성을 관찰하는데 가장 널리 사용되고 있는 도구는 바로 화염전달함수이다. 화염전달함수는 화염에 들어오는 input 섭동에 의해 화염이 반응하는 정도를 의미한다. 따라서 화염전달함수를 측정할 때에는 추진제 흐름의 속도, 혹은 당량비에 여러 가진 주파수의 섭동을 주어 그에 따른 화염 열방출량의 반응을 관찰함으로써, 특정 주파수에서 화염이 크게 반응하는지 여부를 분석한다.
이러한 화염전달함수를 이용한 단순한 측정 결과에 대한 분석 연구 외에도, 화염전달함수는 그 방법론적으로도 계속 발전하고 있다. 화염전달함수를 측정하는 방식을 다양하게 변형시켜가면서 화염을 보다 세밀하게 관찰하려는 시도가 지속적으로 이어져왔다. 따라서 본 연구에서는 화염전달함수 측정 방법이 실험 결과에 어떠한 영향을 끼치는지 확인하기 위해, 메탄과 산소를 추진제로 사용하는 동축형 스월 인젝터 화염에 대한 화염전달함수의 특성에 대해 분석하였다. 또한 화염의 동특성을 보다 정확하게 추출해내기 위해서는 어떠한 방식으로 화염전달함수를 측정해야 하는지 고찰하였다. 또한 외부 가진에 의한 화염전달함수의 결과와, 자발적인 화염의 연소불안정 특성을 비교하여, 두 실험 결과간의 연관성에 대해 논의하였다.
먼저 화염전달함수를 구성하는 output 요소인, 화염 열방출량의 측정 방식에 의한 실험 결과차이를 분석하였다. 화염 전체로부터 측정한 열방출량을 바탕으로 계산된 화염전달함수는 고주파 가진 영역에서 화염 응답이 발견되지 않는다는 문제점이 발견되었다. 이러한 문제를 해결하고자, 초고속 카메라의 화염 OH* 자발광 이미지를 통해 화염의 일부분에서의 열방출량만을 고려하여 화염전달함수를 계산하였다. 그 결과, 고주파수에서의 화염 섭동이 화염전달함수 결과에 나타났다. 이러한 두 화염전달함수 결과에서 고주파 가진에 대한 화염 응답의 차이가 발생하는 이유는 메탄 가진에 의해 화염이 분리되는 방식으로 화염 섭동이 발생하기 때문이다. 메탄의 유량이 순간적으로 적어지는 순간에 화염은 두 덩어리들로 분리되고, 각 화염 덩어리는 고유의 열방출량 신호 및 화염전달함수를 가지고 있다. 이러한 local 화염 덩어리 및 그 신호는 고주파수 가진 조건에서는 하나의 연소실 내에 여러 개가 동시에 존재하게 된다. 하지만 화염 신호를 전체적으로 측정했을 때에는, 이러한 화염 분리 현상이 측정된 데이터에 반영되지 않고, 마치 일정한 신호처럼 나타나기 때문에, 종합적인 화염전달함수 측정 결과에서는 그 주기성이 감소됨을 확인하였다.
다음으로는 화염전달함수를 구성하는 input 요소인, 추진제 섭동의 측정 방식이 실험 결과에 미치는 영향 또한 분석되었다. 인젝터 전단 메탄 공급 라인 내부에서의 메탄 속도 섭동을 기준으로 작성한 화염전달함수는 화염의 동특성이 아닌, 메탄 공급 라인의 동특성을 우선적으로 반영한다는 문제점이 있었다. 따라서 인젝터 이전의 공급 시스템 구조의 동특성에 의한 영향을 최소화하기 위해 인젝터 전단부 구조를 재구성하였고, 추진제 섭동의 측정 기준을 화염 발생 위치에서의 추진제 섭동으로 재정의하였다. 새로운 실험 장치 구성, 그리고 새로운 측정 기준을 통해 화염전달함수를 측정한 결과, 화염전달함수에서 나타난 peak 주파수의 화염의 O/F ratio 혹은 화염 길이 등 화염 자체의 특성에 의해 화염의 연소불안정 주파수가 결정된다는 것을 확인하였다.
마지막으로 이러한 화염전달함수와, 화염 동특성을 관찰하는 또 다른 방법인 밀폐 연소실에서의 연소불안정 측정 방법의 상관관계를 분석하였다. 원칙적으로 화염 섭동을 발생시키는 방법만 다를 뿐, 두 방법 모두 화염의 동특성을 분석하기 위한 도구이기 때문에, 두 실험 결과는 서로 연관성이 있을 것으로 예상하였다. 그 중 첫 번째로 메탄 공급 시스템의 영향을 최소화하고, 화염만의 동특성을 강조하는 실험장치를 통해 측정한 두 실험 결과는 화염이 크게 섭동하는 주파수가 서로 일치한다는 결과를 나타냈다. 이러한 결과는 이전에 제시하였던 새로운 화염전달함수 측정 방식이 화염의 연소불안정 특성을 추출해낼 수 있다는 것을 뒷받침한다. 반면, 메탄 공급 라인의 영향이 존재하는 실험 장치 구성에서의 두 실험 결과의 화염 섭동 주파수는 서로 달랐지만, 서로 harmonic 관계에 있음을 확인하였다. 그리고 그 주파수들은 모두 메탄 공급 라인의 길이와 양 끝단의 경계조건에 의해 결정되었다. 이러한 결과는 밀폐 연소실에서의 자발적인 연소불안정 측정 실험에서는 화염 열방출량과 압력 섭동뿐만이 아니라 추진제 유동 섭동 또한 분석 대상에 고려되어야 한다는 것과 화염전달함수와 연소불안정 측정 실험결과는 서로 추진제 유동 섭동으로 연결되어 있다는 것을 의미한다.
본 연구에서는 이러한 일련의 연구 결과들은 종합적으로 다음과 같은 사항을 의미한다. 엔진 내부 화염의 동특성을 측정하는 위치와 방식에 따라, 화염전달함수가 나타내는 연소실 내 동특성이 달라질 수 있다. 그리고, 다양한 부품 및 구성 요소들의 복합체인 로켓 엔진과 연소실 내부에서는 각 요소들에 의한 동특성이 혼재해 있을 수 있다. 이러한 상태에서 하나의 측정 방법에 의한 화염전달함수 결과에서는 몇몇 연소불안정 발생 요인이 발견될 수 있지만, 미처 발견되지 못하는 연소불안정 발생 요소 또한 존재할 수 있다. 따라서 연소불안정 발생 요소를 최소화해야 하고 로켓 엔진의 안정성을 향상시키기 위해서는, 화염전달함수에 대한 다방면의 접근 방식을 통해 화염 동특성을 종합적으로 분석할 필요가 있다. 이러한 본 연구 결과는 화염전달함수의 활용 방법에 대한 새로운 시점을 제공함으로써, 연소불안정 및 화염 동특성 연구의 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.With recent growth of the space industry and market, development of next-generation rocket engines has been actively conducted. As one of these development trends, methane engines, which are harmless to human and have several advantages for reusable engine, are receiving global attention. Another major research field responding to the increasing number of rocket launches is the reliability of the launch vehicles. The success of a space mission stems from the success of the rocket flight, and achieving high success rate for space launch vehicles requires identifying and preventing risk factors at each mission stage from the development and research phases. According to some statistical studies, in various stages of rocket flight, the issues with highest possibility are related to the engine propulsion phase. And a report released by NASA on the likelihood of defects during rocket development processes concluded that among various design elements, engines are most likely to encounter failures. Based on this information, one of the most important factors for rocket stability is indeed the stability of the engine.
However, if the flame inside the engine becomes unstable, it may lead to damage to the engine and rocket in severe cases. Therefore, high engine stability has been considered an important performance parameter, together with combustion efficiency. Considerable number of researches on combustion instability have been conducted both in rocket and gas turbine field. Combustion instability refers to a situation where the flame inside the engine becomes unstable due to certain factors and cannot be controlled. Typically, the combustion instability is known to occur due to a positive feedback loop among three factors within the engine: the flame heat release rate oscillation, pressure perturbations, and uneven distribution of fuel.
One of the most commonly used tools for observing combustion instability and the dynamic characteristics of flame is the flame transfer function. The flame transfer function represents the degree to which the flame responds to input perturbations of the propellant flow. Therefore, when obtaining the flame transfer function, the flow rate of the propellant or the equivalence ratio is modulated with various frequencies. And then the responses of the flame heat release rate are observed, to analyze the combustion instability frequencies where the flame significantly reacts.
For this flame transfer function, not only have the experimental results been analyzed in various combustors, but also the methodology of the flame transfer function itself has been developed continuously. There have been ongoing attempts to modify the method of flame transfer function analysis, aiming to investigate the flame in more detail. For the same purpose, this study analyzed the characteristics of the flame transfer function for a swirl coaxial injector flame using methane and oxygen as propellants, in order to investigate how the experimental method of flame transfer function affects its properties. Additionally, it was discussed how the flame transfer function should be identified to more accurately extract the dynamic characteristics of the flame. And then the two experimental results for flame dynamics research were compared in order to discuss the correlation between the two sets of experimental results: the flame transfer function induced by external modulation in an open combustor and self-induced combustion instability in a closed combustor.
First, this study analyzed experimental differences due to the measurement method of the flame heat release rate. It was found that the flame responses to external CH4 modulation, calculated based on the heat release rate from the entire flame, did not show its oscillation points under the high-frequency range excitation. As a solution of this issue, the flame responses were captured considering only the heat release rate from local region of the flame using high-speed camera images of the flame OH* chemiluminescence. As a result, flame perturbations at high frequencies could be observed in the experimental results again. The reason for this change in flame responses to high-frequency perturbation is because the flame oscillated with the flame separation. When the flow rate of methane momentarily decreases due to modulation, the flame was separated into two flame lumps, and each lump generates its own heat release rate signal and forms local flame responses. Meanwhile, such local flame lumps and their signals can coexist simultaneously within a single combustion chamber in high-frequency excitation conditions. When the entire flame signal is measured at once, this flame separation phenomenon is not reflected in the measured data and the signal seems constant. As a result, the periodicity of the flame lumps is canceled out in the global flame response.
Next, the impact of the measurement method for the input component of the flame transfer function, namely the propellant perturbation, was also analyzed. The flame transfer function written with the methane velocity data within the methane supply line, before the injector, primarily reflected the dynamic characteristics of the methane supply line rather than those of the flame itself. Therefore, to minimize the influence of the dynamic characteristics of surroundings of the flame, the configurations of feeding and modulation system were revised. And the standard for input propellant perturbations was redefined as the mixed propellant velocity fluctuation at the point where the flame started. Using a suggested experimental setup, it was confirmed that the peak frequencies in the revised flame transfer function results were determined by the characteristics of the flame itself, such as the O/F ratio or flame length.
Lastly, the correlation between the flame transfer function and the combustion instability tendency in an enclosed combustion chamber, another method of observing flame dynamics, was analyzed. Principally, as both methods are tools for analyzing the dynamic characteristics of flames, despite their different means of flame excitation, it was anticipated that the results from both experiments would be correlated. The results from two experiments, which were conducted with the configuration minimizing the influence of the methane feed line and emphasizing the intrinsic characteristics of the flame, showed that the significant perturbation frequencies of the flame were equivalent to each other. This result supports that the previously suggested method for the flame transfer function can detect the combustion instability characteristics of the flame. On the other hand, with the influence of methane feed line, all flame perturbation frequencies in both two experiments were found to be in harmonic relationships. Furthermore, these frequencies were determined by the length of the methane feed line and each boundary condition at both ends of the feed line. These results imply that in experiments observing self-induced combustion instability in a closed combustion chambers, not only the heat release rate and pressure perturbations, but also the propellant flow fluctuation should be considered. And it also could be inferred that the flame transfer function and combustion instability tendencies are correlated via propellant velocity fluctuation.
The results of this study can provide a new perspective of flame transfer function that its combustor apparatus and location can influence what aspects of the combustion instability will be represented in the experimental data. While a flame transfer function derived from one obtaining method might show some causes of combustion instability, but other causes may remain undetected. This can be a problem, because the rocket engine and combustion chamber are assemblies of various subparts and components. To minimize the engine failure, combustion instability factors from each part should be detected. Therefore, various approaches for flame transfer function should be considered to comprehensively investigate the flame dynamics. With this insight, the current study is expected to contribute to development of research field on combustion instability and flame dynamics.Abstract i
List v
List of figures viii
List of tables xii
Nomenclature xiii
Chapter 1
Introduction 1
Chapter 2
Experiment Apparatus & Conditions 10
2.1 GCH4/GO2 Swirl Coaxial Injector 10
2.2 Open Combustor for Flame Transfer Function 12
2.3 Closed Combustor for Combustion Instability Analysis 14
2.4 Experimental Conditions 15
Chapter 3
Local Region Analysis of Flame Oscillation 17
3.1 Motivation 17
3.2 Experimental Method 21
3.3 Local Flame Analysis Results and Discussion 24
3.3.1 Local flame signal response results 24
3.3.2 Flame separation due to external modulation 27
3.3.3 Interaction of each local flame signal and its effect on flame response gain 30
3.4 Summary of Chapter.3 34
Chapter 4
Exclusion of Propellant Flow Resonance in Flame Transfer Function 35
4.1 Motivation 35
4.2 Experimental Method 38
4.3 Revised Flame Transfer Function Result and Discussion .42
4.3.1 Shapes of flame transfer functions based on propellant flow perturbation at injector exit 42
4.3.2 The peaks of flame transfer function and flame characteristics 45
4.4 Summary of Chapter.4 50
Chapter 5
Flame Transfer Function and Combustion Instability 51
5.1 Motivation 51
5.2 Experimental Method 56
5.2.1 Closed combustor configuration 56
5.2.2 Combustion instability analyzing process 57
5.3 Combustion Instability Analysis Result and Discussion 60
5.3.1 Flame and pressure interaction without influence of CH4 feed line 60
5.3.2 Flame and pressure interaction with influence of CH4 feed line 69
5.3.3 Correlation between flame transfer function and combustion instability tendency 74
5.4 Summary of Chapter.5 79
Chapter 6
Conclusion and Future works 80
6.1 Summary and Conclusion 80
6.2 Limitations and Future Works 82
References 84
Abstract in Korean 93박
Developing a Neural Network based Semantic Search Model Using KRLawBERT / GPT
No full text학위논문(석사) -- 서울대학교 대학원 : 데이터사이언스대학원 데이터사이언스학과, 2024. 8. 신효필.This paper unveils the Semantic Legal Searcher (SLS), a pioneering semantic search framework specifically engineered for the legal sector. It harnesses the latest advancements in neural information retrieval and specialized language models to navigate the intricate lexicon of legal documentation. Traditional search engines, often reliant on keyword-based queries, inadequately serve users unfamiliar with legal jargon. In contrast, the SLS framework introduces a neural-based approach that simplifies the retrieval process, allowing for intuitive interaction and access to legal texts without necessitating legal expertise. The core of the SLS framework is its novel architecture, which features an innovative Split-merge technique for enhancing document embeddings, coupled with a Multi-interactions paradigm aimed at refining semantic similarity measurements. Another Integral to this framework is two bespoke pre-trained large language models (PLMs or LLMs), KRLawBERT and KRLawGPT, crafted explicitly for legal text analysis. These models we designed outperform existing NLP models such as BERT on specific tasks such as embedding extraction and semantic search by providing deeper and more relevant insights into the structure and content of legal documents. The application of these legal-specific PLMs within the SLS framework facilitates unparalleled precision in information retrieval, establishing a new benchmark for the domain. Through rigorous empirical analysis, the SLS framework has been validated for its effectiveness in surfacing relevant legal precedents, markedly improving the accessibility and navigability of legal information. It is expected to overcome the limitations of existing search methodologies and emerge as a valuable tool for legal research and public access to legal knowledge. The deployment of KRLawBERT / GPT within this framework exemplifies the transformative potential of tailored language models in legal information retrieval, ensuring broader and more democratic access to legal resources.본 연구는 신경망 정보 추출 (Neural Information Retrieval) 기반의 고성능 검색 모델 구축을 목표로 한다. 이에, 본 연구에서는사전학습된 언어모델 (Pre-trained Language Models)과 임베딩모델링 (Embedding Modelization) 기법을 접목시켜 새로운 개념의의미론적 문서 검색 (Semantic Documents Search) 아키텍쳐를디자인하였다. 특히, 법률 분야에 초점을 맞춰 Semantic Legal Searcher (SLS) 라는 의미론적 검색 모델을 소개한다.
전통적인 키워드 기반의 검색 (Keyword-based search) 방식에서는 법률 도메인 지식이 부족한 일반인들이 법률 용어를 입력하여 법률 문서 및 판례 데이터베이스에 접근하는 것이 어렵다. 그러나, 본 연구에서 다룬 의미론적 검색 (Semantic-based search) 방식의 Semantic Legal Searcher 모델을 활용하면 간단한 일상 용어를 통해서 의미론적으로 유사한 전문성이 요구되는 법률분야의 정보를 얻을 수 있다.
Semantic Legal Searcher의 세부 메커니즘은 다음과 같다. 먼저, BERT 또는 GPT 기반의 언어모델을 활용하여 쿼리와 문서의 임베딩을 생성한다. 여기서, 법률분야에 최적화된 고품질 임베딩을생성하기 위해 Clean Korean Legal Corpus (CKLC) 법률 코퍼스데이터셋을 구축하고, 3가지 Masked Language Modeling (MLM) 방법과 Transformer-based Sequential Denoising Auto-Encoder (TSDAE) 비지도 학습 방법을 이용하여 트랜스포머 인코더 기반의KRLawBERT 사전학습 언어모델을 디자인하였다. 나아가, 트랜스포머 디코더 기반의 KRLawGPT 생성형 언어모델도 구축하였다. 둘째, 토픽 모델링 (Topic Modeling)을 통해 각 법률 문서에서 주요키워드를 추출한다. 여기서, 빠르게 키워드를 추출하기 위해 속도에 초점을 맞춘 병렬 클러스터링 기반 토픽 모델링 (Parallel Clustering-based Topic Modeling)을 만들었다. 셋째, 사용자가입력한 검색 쿼리와 법률 문서 데이터베이스 임베딩 간의 유사도및 관련도 점수를 계산한다. 여기서, 쿼리 (Query)와 문서(Documents)간 관계 뿐만 아니라 토픽 모델링을 통해 추출된 주요단어들 (Keywords)과 관계까지 고려한 하이브리드 형태의Multi-interactions 라는 새로운 패러다임을 적용하여 검색 정확도를높였다. 마지막으로 검색 결과의 우선순위를 재정렬하는 사후 필터링 (Post-filtering) 과정을 통해 최적화된 법률 및 판례 검색 결과를 사용자에게 제공한다. 여기서, 사용자의 정보와 쿼리의 검색량 등의 데이터를 수집하고, 분석하여 우선순위에 반영하는 동적사후 필터링 (Dynamic Post-filtering) 프로세스를 정립하였다.
본 연구에서는 자연어 추론 및 의미론적 텍스트 유사성 그리고법률적 문답 (Q&A)을 통해 엄격한 실험환경에서 검색의 정확도를평가했으며, 본 연구에서 개발한 KRLawBERT / GPT 언어모델과Split-merge, Mutli-interactions로 구성된 임베딩 모델링 기술을통한 검색 성능 향상, 그리고 Semantic Legal Searcher (SLS) 모델의 광범위한 적용 가능성을 입증하였다.Chapter 1. Introduction · 1
1. Purpose of Research 2
2. Main Contributions of Research 3
Chapter 2. Background · 4
1. Semantics 4
2. Limitation of Keyword Search 6
3. Semantic Vector 7
4. Pre-trained Language Models (PLMs) 9
4.1. Transformers Attention · 9
4.2. BERT 12
4.3. S-BERT 14
4.4. GPT 19
5. Related Works to Semantic Search · 22
Chapter 3. Semantic Legal Searcher 25
1. Clean Korean Legal Corpus (CKLC) · 27
2. KRLawBERT 30
2.1. Model Overview 30
2.2. MLM Training 31
2.3. TSDAE Training for Deeper Understanding · 33
2.4. Fine-tunning for Legal Contexts 36
3. KRLawGPT · 37
3.1. Model Overview 37
3.2. Comparison with KRLawBERT · 38
4. Embedding Modelization · 39
4.1. Encoders · 39
4.2. Split-Merge 40
5. Parallel Clustering-based Topic Modeling 42
5.1. Parallel Clustering 42
5.2. Keywords Extraction 44
5.3. Enhancing Semantic Search with Topic Modeling 46
6. Measuring the Relevance of Embeddings 46
6.1. Multi-Interactions 47
7. Dynamic Post-filtering 50
7.1. Popularity-based Filtering 50
7.2. User-based Filtering 51
7.3. Online-based Filtering 51
Chapter 4. Experiment 54
1. Models · 54
2. Evaluation · 54
3. Experimental Results · 57
Chapter 5. Conclusion 59
Bibliography 61
Appendix A 66
Appendix B 94
국문초록 95석
비둘기의 개방창 및 큰부리까마귀의 지류증에서 상온 대기압 마이크로파 플라즈마의 적용
No full text학위논문(석사) -- 서울대학교 대학원 : 수의과대학 수의학과, 2024. 8. 연성찬.Cold Atmospheric Microwave Plasma (CAMP) is an emerging modality in wound healing and dermatologic disease management. Its application in veterinary medicine has shown promise in promoting faster healing, reducing infection rates, and improving overall wound care outcomes. However, no reports of its application have been documented in wildlife and exotic species. This study aimed to evaluate the application of CAMP therapy in avian medicine, with a focus on its effects on wound healing and the treatment of pododermatitis. Four randomly selected Domestic pigeons (Columba livia) with open wounds from the Seoul Wildlife Center were treated with CAMP as part of their routine care. Safety and healing responses were evaluated using a modified wound scoring system on each treatment day. At the end of the treatment period, the percentage of healing was calculated. The results demonstrated that wounds treated with CAMP showed significantly faster recovery compared to those treated with standard methods. For example, a pressure sore treated with CAMP showed a 75% improvement within 7 days, whereas a pressure sore treated conventionally took 14 days to achieve a 60.5% improvement. Additionally, no adverse reactions or healing complications were observed in the CAMP-treated patients. These findings suggested a promising role for CAMP in avian wound management. The combined use of CAMP therapy and conventional treatment for pododermatitis in two Large-billed crows (Corvus macrorhynchos) suffering from bilateral grade 3 pododermatitis was also explored. In these cases, CAMP therapy was performed on one foot of each subject, while the other received conventional therapy. The results showed significant improvements in CAMP- treated lesions compared to those treated conventionally. These improvements included reduced exudate, earlier tissue regeneration, and most importantly, lower recurrence rates. Additionally, no adverse effects from CAMP treatment were observed, suggesting its safety and potential as an effective treatment modality for avian pododermatitis. This study highlighted the potential of Cold Atmospheric Microwave Plasma (CAMP) therapy as an innovative and effective modality for wound healing in Domestic pigeons and pododermatitis management in Large-billed crows. The findings demonstrated that CAMP significantly accelerated wound recovery and reduced recurrence rates, with no observed adverse reactions, underscoring its safety and efficacy. Keywords: avian rehabilitation, cold atmospheric microwave plasma, pododermatitis, wildlife, wound healing Student Number: 2022-21257상온 대기압 마이크로파 플라즈마 (Cold Atmospheric Microwave Plasma; CAMP)는 창상 치유 및 피부 질환 관리에서 새롭게 개발된 치료법이다. 수의학에서의 CAMP 적용은 신속한 치유를 촉진시키고, 감염률을 줄이며, 창상 치유를 전반적으로 개선할 수 있는 가능성을 보여주었다. 그러나 야생동물 및 특수동물 증례에서의 CAMP 적용은 아직까지 보고된 바 없다. 따라서 본 연구의 목표는 조류
수의학, 그 중에서도 조류의 창상치유와 지류증의 치료에서 CAMP를 적용하고 그 효과를 평가하는 것이다. 서울시야생동물센터에 내원한 개방창을 가진 집비둘기 중 네 마리를 무작위로 선발한 뒤 치료의 일환으로 CAMP 치료를 진행하였다. 매 치료일마다 modified wound scoring system을 사용하여 안전성 및 치유 반응을 평가하였으며, 치료 기간이 끝나면 치유의 정도를 백분율로 계산하였다. 그 결과 기존의 표준적인 창상 관리를 진행했을 때보다 CAMP 치료를 하였을 때 창상의 회복이 빠르게 나타남을 확인할 수 있었다. 예를 들어, CAMP 치료를 적용한 압박 궤양은 7일 이내에 75%의 개선을 보인 반면, 표준적인 처치를 진행한 압박 궤양의 경우 60.5%의 개선을 달성하는 데 그쳤고 이 또한 14일이 소요되었다. 또한 CAMP 치료를 적용한 환자에서 이상 반응이나 치유 중 합병증은 확인되지 않았다. 이러한 연구결과는 CAMP가 조류의 상처 관리에 있어 효과적인 역할을 한다는 것을 시사한다. 아울러 3단계의 양측성 지류증을 앓고 있는 두 마리의 큰부리까마귀 (Corvus macrorhynchos)를 대상으로 CAMP 치료와 기존 치료법의 병용에 대하여 연구하였다. 두 증례에서 CAMP 치료는 각 개체의 한쪽 발에만 수행되었고, 다른 쪽 발에는 기존 치료법만이 적용되었다. 그 결과 CAMP를 적용한 병변이 기존의 치료법을 적용한 병변과 비교하였을 때 유의적으로 빨리 개선됨을 확인할 수 있었다. 삼출물 감소, 조직의 이른 재생, 그리고 무엇보다도 재발률의 감소가 나타났다. 또한 CAMP 치료로 인한 부작용은 관찰되지 않았으며, 이는 조류의 지류증에 대한 효과적인 치료법으로써 CAMP의 안전성과 잠재력을 시사한다. 본 연구는 집비둘기의 창상 치유 및 큰부리까마귀의 지류증 관리를 위한 새롭고 효과적인 치료법으로서 CAMP 치료의 잠재력을 강조하고자 한다. 본 연구의 결과는 CAMP가 부작용 없이 창상치유를 유의적으로 가속화하고 재발률을 감소시킴으로써 조류의 상처치유에 있어서 치료의 안전성과 효과가 있음을 보여주고 있다.INTRODUCTION 1
MATERIALS AND METHODS 4
1. Study design 4
2. Patient selection 4
2.1.Open wounds patients 4
2.2.Pododermatitis patients . 5
3. Treatment procedure 5
3.1.CAMP treatment 5
3.2.Conventional treatment . 6
3.3.Treatment considerations . 6
4. Therapeutic efficacy and safety assessment 9
5. Statistical Analysis 12
RESULTS 13
1. Case summary . 13
1.1.Open wounds 13
1.2.Pododermatitis 22
2. Safety assessment 26
DISCUSSION 29
CONCLUSION 34
REFERENCES 35
ABSTRACT IN KOREAN 40석
신경 및 정신 질환의 임상적으로 의미 있는 휴지기 뇌파 지표 탐색을 위한 머신러닝 적용
No full text학위논문(박사) -- 서울대학교 대학원 : 융합과학기술대학원 헬스케어융합학과, 2024. 8. 서봉원.Neurological and psychiatric disorders, such as stroke and addiction, are becoming more prevalent and present significant challenges for healthcare systems worldwide. The complicated neural dysfunction related to these disorders underscores the challenges of diagnosis and treatment. Enhancing our understanding of neural correlates will offer a more robust basis for diagnosis and treatment interventions. Resting-state electroencephalography (EEG), a non-invasive neuroimaging technology with high temporal resolution, provides crucial insights into brain function and dysfunctions in these settings.
Recently, the application of machine learning (ML) techniques to the analysis of resting-state EEG data has advanced significantly. However, researchers commonly encounter a trade-off between the accuracy and interpretability of a model. Although simple ML models may have high interpretability, they often struggle to predict precise outcomes with complex datasets. Conversely, complex models that offer high accuracy are often difficult to comprehend, necessitating post-hoc interpretable methods. This trade-off is particularly critical in clinical settings where precise diagnosis and effective treatment rely on clarity and accuracy. Therefore, the development of ML techniques that can pinpoint clinically meaningful features is essential for accurate and understandable interpretation of EEG data.
This thesis aims to distinguish resting-state EEG connectivity among chronic stroke survivors with varying degrees of upper limb impairment (ULI). Additionally, it seeks to identify distinct neurophysiological and neuropsychological characteristics in individuals with internet gaming disorder (IGD), alcohol use disorder (AUD), and healthy controls. To achieve these clinical objectives, this thesis aimed to increase model accuracy by refining features using ML models while maintaining interpretability. Applying this approach is challenging because of the high-dimensional nature of EEG data, which complicates the identification of meaningful features because of the large number of features and relatively small sample sizes. This challenge becomes more pronounced when clinical researchers expand or integrate resting-state EEG datasets with diverse clinical modalities to gain novel insights. To address these issues, this thesis evaluates the refinement methods for resting-state EEG features to improve ML model performance by comparing feature selection methods, assessing the effectiveness of domain-based versus model-based features, and analyzing both single-modal and multimodal feature sets.
The thesis discovered significant connectivity features, including delta, theta, and low-beta coherence, which may provide insights into the neurological correlates of severe ULI after chronic stroke. Moreover, this thesis distinguishes between IGD and AUD by examining specific neurophysiological indicators, such as delta and beta connectivity in the right hemisphere, despite their shared neuropsychological features. Furthermore, employing similarity-based feature selection improves the model performance, with domain-based features surpassing model-based features. Analyzing resting-state EEG data using multimodal features is essential for enhancing the model accuracy and clarity.
This thesis emphasizes the significance of refining features in ML approaches to enhance the precision and accuracy of resting-state EEG research. Furthermore, the integration of ML and resting-state EEG analysis highlights the practical use of resting-state EEG in clinical settings. This underscores the potential of EEG as a cost-effective, portable, and user-friendly clinical tool. This advancement offers an opportunity to improve the quality of life for individuals with neurological and psychiatric disorders and decrease the healthcare burden.뇌졸중이나 중독과 같은 신경 및 정신 질환의 전 세계적인 유병률 증가는 의료시스템에 상당한 부담을 초래한다. 이러한 질환들에서 나타나는 두뇌 활동의 복잡한 변화는 질환의 진단과 치료를 더욱 어렵게 한다. 따라서, 이들 질환의 기저에 있는 신경생리학적 연관성에 대한 심도 있는 이해는 진단의 정확도를 향상시키고 효과적인 치료법을 개발하는데 필수적이다. 이와 관련하여, 휴지기 뇌파는 뛰어난 시간 해상도를 갖는 비침습적인 방법으로 뇌 기능 변화와 이상에 대한 귀중한 통찰을 제공한다.
최근 머신러닝 기법의 도입으로 휴지기 뇌파 분석이 효율적으로 이루어지고 있다. 하지만 이 과정에서 모델의 정확 성과 해석 가능성 사이의 균형을 유지하는 것은 어려운 문제이다. 간단한 모델은 뛰어난 해석 가능성을 제공하지만, 복잡한 데이터에 대한 예측력이 떨어질 수 있다. 반면, 복잡한 모델은 높은 예측 정확성을 제공하지만, 해석 가능성이 부족할 수 있다. 이 문제는 특히 진단과 치료에 있어 정확성과 해석 가능성이 모두 중요한 임상 환경에서 더욱 두드러진다. 따라서, 임상적으로 의미있는 특징을 식별할 수 있는 체계적인 머신러닝 적용이 요구된다.
본 논문은 휴지기 뇌파 연결성을 기반으로 만성 뇌졸중 생존자들의 상지 기능 장애 수준을 구별하였다. 또한 인터넷 게임 장애, 알코올 사용 장애 대상자들과 건강한 대조군 간의 신경생리학적 및 신경심리학적 특성을 탐구하였다. 한편, 뇌파 데이터는 많은 특징을 가진 것에 비해 상대적으로 데이터의 수가 적어 정확성과 해석 가능성이 제한될 수 있다. 이러한 문제는 임상 연구자들이 다양한 모달리티를 통합하여 새로운 의학적 통찰을 얻고자 할 때 더욱 두드러진다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 머신러닝 기반 특징 선택법을 비교하고, 도메인 기반 특징과 모델 기반 특징 및 단일모달 및 멀티모달 맥락에서 평가하여 휴지기 뇌파 특징의 분석 방법을 종합적으로 검토한다.
본 논문은 만성 뇌졸중으로 인한 심한 상지 기능 장애와 관련된 델타, 세타, 낮은 베타의 뇌 반구 간 혹은 반구 내 연결성 지표를 발견하였다. 인터넷 게임 중독과 알코올 중독의 경우 신경심리학적 특징은 유사하지만, 우반구의 델타 및 베타 연결성에서 신경생리학적 차이가 나타냈다. 한편, 간단하고 내재적으로 해석 가능한 모델이 사후 해석 모델보다 더 우수한 성능을 보였다. 휴지기 뇌파에서 내재적 모델을 적용할 때 유사성 기반 특징 선택 및 도메인 기반 특징을 강조하였다. 또한, 멀티모달 분석이 모델의 정확도와 해석 가능성을 향상하는 데 중요하다는 점을 보여주었다.
본 논문은 해석할 수 있는 신경생리학적 특징을 발굴하기 위해 내재적 모델 적용과 정교한 특징 최적화 방법을 강조하였다. 또한, 휴지기 뇌파 특징을 임상 장면에서 어떻게 적용될 수 있는지에 대해 고찰하였다. 이는 경제적이고 휴대성이 뛰어나며 사용자 친화적인 임상 도구로써 뇌파의 잠재력을 두드러지게 했다. 본 논문은 해석 가능한 머신러닝을 적용해 이전에 밝혀지지 않은 뇌 활동을 발견하고 이를 임상적으로 해석하는데 기여할 수 있는 기반을 마련하고자 하였다. 이를 통해 신경 및 정신장애 환자의 삶의 질 향상과 관련한 의료 비용 절감에 기여할 수 있기를 기대한다.1. INTRODUCTION 11
1.1. BACKGROUND 11
1.1.1. Understanding Stroke and Addiction 13
1.1.2. Stroke 14
1.1.3. Addictions 17
1.1.4. Neuroimaging: A Keystone in Brain Biomarker Identification 21
1.1.5. Electroencephalography 22
1.1.6. Paradigm Shift in Exploring Brain Biomarkers 26
1.1.7. Interpretability of Machine Learning 27
1.1.8. Feature Engineering for Machine Learning 28
1.1.9. Feature Selection 32
1.1.10. Domain-Based Feature Engineering for Resting-State EEG 34
1.1.11. Model-Based Feature Engineering for Resting-State EEG 37
1.2. RESEARCH QUESTIONS 38
1.2.1. Clinical Sub-Questions 39
1.2.2. Technical Sub-Questions 39
1.3. RESEARCH GOAL 40
2. LITERATURE REVIEW 41
2.1. RESTING-STATE CONNECTIVITY EEG IN STROKE MOTOR RECOVERY 41
2.1.1. Biomarkers for Severe Upper Limb Impairment in Stroke Rehabilitation 41
2.1.2. Resting-State EEG Connectivity in Stroke Recovery 42
2.1.3. Hemispheric Effects of Resting-State EEG Connectivity 43
2.2. RESTING-STATE EEG IN ADDICTION 43
2.2.1. Resting-State EEG Study in Internet Gaming Disorder and Alcohol Use disorder 43
2.2.2. Lack of Neural Circuits Study in Both Addictions 44
2.3. IMPORTANCE OF FEATURE SELECTION 45
2.4. MODEL-BASED FEATURES FOR RESTING-STATE EEG 46
2.4.1. Various Feature Extraction Methods 46
2.4.2. Utilizing Variational Autoencoder for Neural Activity Decoding 47
2.5. SIGNIFICANCE OF MULTIMODALITY 49
2.6. SUMMARY AND EXPECTED MAJOR CONTRIBUTIONS 50
2.6.1. Summary of Literature Review 50
2.6.2. Expected Major Contributions 52
3. EEG CONNECTIVITY RELATED TO SEVERE UPPER LIMB IMPAIRMENTS OF CHRONIC STROKE SURVIVORS 55
3.1. METHODS 56
3.1.1. Participants 56
3.1.2. Assessment for Upper Limb Motor Impairment 56
3.1.3. EEG Recording and Preprocessing 57
3.1.4. Feature Extraction 58
3.1.5. Machine Learning Training 60
3.1.6. Feature Selection 62
3.2. RESULTS 63
3.2.1. Model Performance and Feature Importance 63
3.3. LIMITATIONS 68
3.4. CONCLUSION 69
4. IDENTIFICATION OF SEVERE UPPER LIMB IMPAIRMENTS USING VARIATIONAL AUTOENCODER 70
4.1. METHODS 71
4.1.1. Participants 71
4.1.2. Variational Autoencoder 71
4.1.3. Input Features and Model Configurations 72
4.1.4. Classification Training and Feature Selection 74
4.2. RESULTS 74
4.2.1. Results of the Variational Autoencoder 74
4.2.2. Results of Classification 77
4.3. LIMITATIONS 78
4.4. CONCLUSION 79
5. MULTIMODAL-BASED MACHINE LEARNING APPROACH FOR ADDICTION CLASSIFICATION 80
5.1. METHODS 81
5.1.1. Participants 81
5.1.2. EEG Features 81
5.1.3. Neuropsychological Features 84
5.1.4. Algorithms and Evaluation of Model Performance 85
5.1.5. Feature Importance 88
5.2. RESULTS 89
5.2.1. Neuropsychological Features 89
5.2.2. Model Performances 91
5.2.3. Features to Distinguish Between Internet Gaming Disorder and Alcohol Use Disorder 93
5.2.4. Features to Distinguish Between Internet Gaming Disorder and Healthy Controls 95
5.2.5. Features to Distinguish Between Alcohol Use Disorder and Healthy Controls 97
5.3. LIMITATIONS 99
5.4. CONCLUSION 99
6. DISCUSSION 101
6.1. CLINICAL IMPLICATIONS: RESTING-STATE EEG AND UPPER LIMB IMPAIRMENT AFTER STROKE 101
6.1.1. Delta Coherence: Linking Attention Dysfunction and Motor Recovery 101
6.1.2. Low-beta Coherence: Linking Sensory-Motor Integration 102
6.1.3. Theta Coherence: Linking Cognitive Control 103
6.2. CLINICAL IMPLICATIONS: RESTING-STATE EEG AND ADDICTION 104
6.2.1. Altered Delta and Beta Connectivity within the Default Mode Network and Reward-Salience Network 104
6.2.2. Altered Delta and Beta Connectivity within the Right Hemisphere 105
6.2.3. Neuropsychological Similarities 105
6.3. TECHNICAL IMPLICATIONS: IMPORTANCE OF FEATURE SELECTION 106
6.3.1. Applying Similarity-Based Feature Selection for Resting-State EEG 106
6.3.2. Utilizing Clinically Meaningful Features for Upper Limb Impairment 108
6.4. TECHNICAL IMPLICATIONS: UTILIZING MODEL-BASED FEATURES IN RESTING-STATE EEG ANALYSIS 108
6.4.1. Evaluating the Efficacy of Latent Features 108
6.4.2. Clinical Utility of Latent Features in Stroke Recovery 110
6.5. TECHNICAL IMPLICATIONS: IMPORTANCE OF MULTIMODALITY 111
6.6. TECHNICAL IMPLICATIONS: IMPORTANCE OF INTRINSIC INTERPRETABILITY 114
6.6.1. Advantages of Using Intrinsic Interpretability for Resting-State EEG 114
6.6.2. Interpretability Methods 115
6.7. EXAMPLES OF THERAPEUTIC APPLICATIONS 115
7. CONCLUSION 118
7.1. RESEARCH SUMMARY 118
7.2. SUMMARY OF CONTRIBUTIONS 119
7.3. FUTURE DIRECTION 122
BIBLIOGRAPHY 125
국 문 초 록 154박
profiling of microbiome and gene expression change inferred by chromatin structure change in cisplatin resistance
No full text학위논문(박사) -- 서울대학교 대학원 : 의과대학 의과학과, 2024. 8. 김종일.최근 유전체연구는 NGS 기술의 발달로 인하여 비약적으로 발전하여 기초과학 영역에서부터 첨단 의학에 이르기 까지 거의 모든 생물학 분야에서 활용되며 매년 엄청난 양의 데이터가 생성되고 있다. 이에 따라 수많은 분석법들이 개발되고 있으며, 기존에 생성된 데이터를 새롭게 분석하는 등 유전체 데이터의 생성 못지않게 분석의 영역도 다채롭게 발달해 왔다. 뿐만 아니라 여러가지 유전체 데이터를 통합 하여 이른바 멀티오믹스 연구를 통하여 DNA 에서 단백질에 이르는 흐름에 맞추어 생물학적 메커니즘을 정확하게 분석 하는 것이 중요한 연구 과제로 떠오르고 있다. .
이에 본 연구에서는 두 종류의 유전체 데이터를 활용하여 최신 인간 참조 유전체를 이용하는 새로운 분석방법과 파이프라인을 소개하고자 한다. 기존에 생성되었던 전사체 데이터에서 새로운 의의를 찾고, 기 생성된 전사체 데이터와 새롭게 생성된 크로마틴 구조 데이터를 결합하여 유전자 발현의 후성유전학적 매커니즘을 찾아내고자 하였다.
첫번째로, NGS 시대의 도래 이 후 가장 활발하게 분석되었던 전사체 데이터의 인간 참조 게놈에 매핑되지 않는 리드에 주목하였다. 이는 대부분의 분석에서 시퀀싱 에러로 취급되어, 버려지는 데이터 이지만 다른 정보를 담고 있는 영역이기도 하다. 그 중 가장 대표적인 것이 샘플에 감염된 박테리아와 바이러스에 대한 정보이다. 대부분 무시되는 정보이지만 어떤 생체조직의 전사체 데이터 인가에 따라 그 중요도와 신뢰도는 충분히 향상될 수 있다. 이에 우리는 감염에 취약한 폐조직에 생기는 질환인 COPD(Chronic Obstructive Pulmonary Disease) 환자의 병변 조직과 정상 조직을 비교하여 매핑되지 않는 리드에서 어떤 차이가 나는지 조사하였고, 새로운 분석 파이프라인을 수립하여 최종적으로 정상조직에 비하여 COPD 조직에 많이 존재하는 박테리아를 찾아낼 수 있었다.
두번째 연구는 Hi-C(High throughput chromatin conformation capture) 시퀀싱 데이터를 활용하여 약물 저항성과 크로마틴 구조 변화와의 관련성을 알아보고자 하였다. 난소암 세포주를 이용하여 시스플라틴에 저항성을 가지는 세포주에서 유전자 발현 변화를 유발할 수 있는 크로마틴 구조와 상관관계를 살펴 봤으며, 이를 통하여 전체 크로모좀 차원에서의 A/B compartment의 변화가 발현량의 변화가 높은 유전자에 집중되어 있고 원거리의 inter-chromosomal 구조의 변화가 국지적인 TAD와 loop의 변화를 야기하여 변화한 TAD 영역에 속해있는 유전자들의 발현이 변화 할 수 있음을 살펴보았다.
이번연구에서 밝히고자 하였던 것은 두가지 이다. 첫번째, 기 생성되 데이터에서 새로운 의미를 찾아낼 수 있는 분석 파이프라인을 개발하는 것이었는데, RNA-seq 데이터는 이제까지 유전자의 발현량을 살펴보는 목적이외에 활용가치를 증명하기 어려웠다. 하지만 RNA-seq 데이터에 있는 예측하기 힘든 read들을 bacterial read로서 찾아내고 이를 증명함으로서 버려지는 수많은 unmapped read들을 다시금 살펴볼 수 있는 계기가 되도록 하였다. 두번째로, 서로 다른 두 종류의 데이터에서 연관성을 찾아 유기적으로 변화하고 반응하는 생명 정보의 흐름을 찾아내는 것이었다. Hi-C 데이터는 전체 지놈에 걸쳐 크로마틴 구조를 살펴볼 수 있다는 점에서 매우 특별한 데이터이다. 하지만 이러한 구조변화가 결국 야기하는 결과는 유전자의 발현량일 것이다. 즉 결과적으로 일어난 유전자 발현이라는 일련의 사건을 파헤치기 위하여 크로마틴의 구조변화에서 근거를 찾아내야 하는 것이다. 따라서 이러한 변화를 종합적으로 규명하기 위해서는 다양한 데이터의 통합이 필요하며 그 중 RNA-seq 데이터와 Hi-C 데이터를 사용하여 유전자 발현에 영향을 줄 수 있는 구조적 변화를 찾아냈다는 점에서 의미가 있었다.
데이터의 생성뿐만 아니라 분석이 더욱 중요해지고 있는 시점에서 다양한 유전체 데이터 사이의 연관성과 새로운 정보를 찾는 일은 매우 중요할 것이다. 현존하는 수많은 데이터들은 서로간의 상관관계가 있는 데이터들이다. 예를 들어 DNA의 구조 및 단일염기등의 변화는 유전자 발현에 직접적으로 혹은 간접적으로 영향을 주기도 한다. 또한 DNA의 구조변화를 야기하는 원인에는 histone modification, DNA 메틸화 등 다양한 후성유전학적 변화가 포함된다. 이러한 모든 변화 양상을 종합적으로 검토하고 유전자 발현량의 살펴보는 것이 최신 유전체 연구의 트렌드이다. 따라서 본 연구는 RNA-seq 데이터를 다양한 측면에서 분석함으로써 RNA-seq의 새로운 용도를 검증하였고, 크로마틴 구조변화를 근거로 다양한 유전자의 발현 변화를 살펴봤다는 점에서 큰 의의가 있다. 이러한 연구는 특히 암 연구와 기타 다른 질병의 연구에서 더욱 활발하게 이루어져야 하며 새로운 약물 타겟을 찾기 위하여 과발현, 혹은 하향 조절된 유전자의 명확한 기전을 이해하는 것이 중요함을 알 수 있게 해주었다.Recent advancements in genome research have been accelerated by the development of Next-Generation Sequencing (NGS) technologies, which are now utilized across nearly all biological fields, from basic science to advanced medicine, generating vast amounts of data annually. Consequently, numerous analytical methods have been developed, and the realm of data analysis has evolved to be as diverse as the data generation itself. Moreover, integrating various genomic data through so-called multi-omics research to precisely analyze biological mechanisms from DNA to proteins has emerged as a significant research challenge.
In this study, I introduce a novel analytical method and pipeline utilizing the latest human reference genome and two types of genomic data. I aim to find new significance in previously generated transcriptome data and combine it with newly generated chromatin structure data to uncover the epigenetic mechanisms of gene expression.
First, I focused on reads that do not map to the human reference genome from transcriptome data, which has been most actively analyzed since the advent of the NGS era. These reads are often discarded as sequencing errors in most analyses, but they may contain other valuable information, such as data on bacteria and viruses infecting the sample. Although this information is typically ignored, its importance and reliability can be enhanced depending on the type of biological tissue analyzed. I compared biopsy tissues from patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) to normal tissues, focusing on unmapped reads, and established a new analytical pipeline. This allowed me to identify bacteria more prevalent in COPD tissues compared to normal tissues.
The second study explored the relationship between drug resistance and chromatin structure changes using Hi-C (High-throughput chromatin conformation capture) sequencing data. By analyzing ovarian cancer cell lines resistant to cisplatin, I examined the correlation between chromatin structure changes and gene expression changes. I found that changes in A/B compartments at the whole-chromosome level were concentrated in genes with high expression changes, and inter-chromosomal structural changes caused local changes in TADs (topologically associating domains) and loops, affecting gene expression within the altered TAD regions.
This research had two main objectives: First, to develop an analytical pipeline to find new significance in previously generated data. RNA-seq data, traditionally used to observe gene expression levels, was utilized to identify bacterial reads from unexpected reads, providing a new perspective on numerous discarded unmapped reads. Second, to identify organic changes and responses in biological information by finding correlations between different types of data. Hi-C data is unique in that it allows observation of chromatin structure across the entire genome. However, the ultimate consequence of these structural changes is gene expression changes. Thus, to uncover the series of events resulting in gene expression changes, evidence must be found in chromatin structural changes. Integrating various data types, I identified structural changes affecting gene expression using RNA-seq and Hi-C data.
At a time when analysis is becoming as crucial as data generation, finding new information and correlations between different genomic data is essential. Numerous existing data sets are interrelated; for example, changes in DNA structure and single nucleotides can directly or indirectly affect gene expression. Epigenetic changes, such as histone modifications and DNA methylation, that cause structural changes in DNA are also important. Reviewing all these changes comprehensively and examining gene expression levels is a trend in modern genomic research. Thus, this study validated new uses for RNA-seq data through multi-faceted analysis and examined gene expression changes based on chromatin structural changes, highlighting its significance. This approach should be actively pursued in cancer research and other disease studies to find new drug targets and understand the mechanisms of overexpressed or downregulated genes.General Introduction 1
Chapter 1. Profiling of Microbial Landscape in Lung of Chronic
Obstructive Pulmonary Disease Patients using RNA sequencing.
Introduction 10
Method 13
Result 17
Discussion . 43
Chapter 2. Exploring the Association between Gene Expression and
Altered Chromatin Structure in a Cisplatin Resistant cell line
Introduction 48
Method 51
Result 57
Discussion . 86
Acknowledgments 91
References 92
국문초록 105박
제약된 팽창의 하이드로젤을 통한 고출력밀도와 가변 강성 소프트 액추에이터에 관한 연구
No full text학위논문(박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 재료공학부, 2024. 8. 선정윤.Hydrogels, which are crosslinked three-dimensional polymer networks that retain a large amount of water, can swell by absorbing solvent molecules from their surroundings until they reach equilibrium. Despite being primarily composed of water, hydrogels exhibit solid-like mechanical properties due to their polymer network. Their high water content imparts unique properties such as softness, biocompatibility, transparency, and responsiveness to stimuli. Coupled with their intrinsic ability to swell without external energy, hydrogels are suitable for use as soft actuators in various fields such as soft robotics, tunable optics, fluidics, and biomedicine.
When hydrogels are physically constrained during swelling, they can generate stress and induce anisotropic volumetric changes. Therefore, most hydrogel actuators are typically confined by other materials to achieve specific movements, such as grasping, walking, or swimming. These constraints often involve structures like bilayers, embedded frames, textile matrices or composites. For the design of efficient hydrogel-based actuators, it is crucial to understand how these physical constraints affect swelling behaviors and the subsequent generation of forces.
However, the forces generated by most hydrogel actuators through swelling are weak, and their deformation rates are slow. Most actuators can only deform enough to overcome their own weight, and the diffusion-based swelling driven by osmosis occurs at a very slow rate. Additionally, as hydrogels swell to generate force, their mechanical properties weaken, which significantly limits the use of hydrogels as actuators. This study explores methods to leverage constrained swelling of hydrogels to address these limitations.
In the first part of the study, a high-power density hydrogel actuator with enhanced actuation speed and force was demonstrated. Inspired by the turgor pressure in plant cells, the weak forces of typical hydrogel actuators were overcome by wrapping the hydrogel in a stiff, semi-permeable membrane. This configuration allowed the hydrogel to harness its high osmotic pressure as an actuation force through membrane-restrained swelling. Furthermore, to address the slow deformation caused by diffusion-based swelling via osmosis, electroosmosis was introduced, resulting in a simultaneous increase in both the speed and force of actuation.
In the second part, a swelling-stiffening hydrogel textile, knitted from core-sheath fibers, was demonstrated through jamming. While conventional hydrogels weaken during swelling, core-sheath hydrogel fiber, composed of a core hydrogel wrapped by a robust sheath hydrogel, increases in stiffness during swelling. When these fibers were knitted into a textile and then swelled, the entire structure increased its packing density through swelling within topologically intertwined knots, preventing slip within the textile. This method can achieve significant variable stiffness by harnessing the chemical potential of the material without requiring a continuous energy input.
Keyword : Hydrogel, Constrained swelling, Turgor actuator, Electroactive hydrogel, Variable-stiffness, Swelling-induced jamming
Student Number : 2017-27247하이드로젤은 다량의 물을 함유하는 3차원 폴리머 네트워크로, 주변에서 용매 분자를 흡수하여 평형 상태에 도달할 때까지 팽창할 수 있다. 주로 물로 구성되어 있지만, 하이드로젤은 폴리머 네트워크 덕분에 고체와 같은 기계적 특성을 나타낸다. 높은 수분 함량은 부드러움, 생체 적합성, 투명성 및 자극에 대한 반응성 같은 독특한 특성을 부여한다. 외부 에너지 없이 팽창할 수 있는 특성과 함께, 하이드로젤은 소프트 로보틱스, 조정 광학, 유체역학 및 생체 의학 등 다양한 분야에서 소프트 액추에이터로 사용하기에 적합하다.
하이드로젤이 팽창하는 동안 물리적으로 제약을 받으면, 응력이 생성되고 이방성 부피 변화를 유도할 수 있다. 그래서 대부분의 하이드로젤 액추에이터는 특정 움직임(예: 잡기, 걷기, 수영)을 달성하기 위해 다른 재료에 의해 제약된다. 이런 제약에는 이중층, 내장된 프레임, 섬유 매트릭스 또는 복합 재료 같은 구조가 포함된다. 효율적인 하이드로젤 기반 액추에이터를 설계하려면, 이러한 물리적 제약이 팽창 행동과 후속적인 힘 생성에 미치는 영향을 이해하는 것이 중요하다.
그러나 대부분의 하이드로젤 액추에이터는 팽창을 통해 생성되는 힘이 약하고 변형 속도가 느리다. 대부분의 액추에이터는 자신의 무게를 극복할 정도로만 변형할 수 있고, 삼투압에 의해 구동되는 확산 기반 팽창은 매우 느리다. 또한, 하이드로젤이 힘을 생성하기 위해 팽창함에 따라 기계적 물성이 약화되어 하이드로젤을 액추에이터로 사용하는 데 큰 제한이 된다. 본 연구는 하이드로젤의 제약된 팽창을 활용하여 이러한 한계를 극복하는 방법을 탐구하고 있다.
첫 번째 파트에서는 향상된 작동 속도와 힘을 가진 고출력 밀도 하이드로젤 액추에이터를 소개한다. 식물 세포의 팽압에서 영감을 받아, 일반적인 하이드로젤 액추에이터의 약한 팽창 힘은 하이드로젤을 단단하고 반투과성의 막으로 감싸는 방식으로 극복되었다. 이러한 방식은 막 제약 팽창을 통해 하이드로젤이 높은 삼투압을 힘으로 활용할 수 있게 했다. 또한, 삼투압에 의한 확산 기반의 느린 변형을 해결하기 위해 전기삼투를 도입하여 작동 속도와 힘을 동시에 증가시켰다.
연구의 두 번째 파트에서는 팽창을 통한 강성 증가 하이드로젤 직물을 소개한다. 일반적인 하이드로젤이 팽창하는 동안 약화되는 반면, 코어 하이드로젤이 견고한 외부 하이드로젤로 감싸진 코어-쉬스 하이드로젤 섬유는 팽창하는 동안 강성이 증가한다. 이러한 섬유가 직물로 편직되고 팽창되었을 때, 전체 구조는 위상적으로 얽힌 매듭 내에서 팽창하여 패킹 밀도를 증가시켜 직물 내 미끄러짐을 억제하여 전체적인 구조 강성을 증가시킨다. 이 방법을 통해 지속적인 에너지 공급 없이 재료의 화학적 포텐셜을 활용하여 큰 가변 강성을 달성할 수 있다.Abstract i
List of Figures vi
Chapter 1. Introduction 1
1.1. Study background 1
1.1.1. Hydrogel as actuator 1
1.1.2. Osmotic-driven swelling of hydrogel 1
1.1.3. Constrained swelling of hydrogel 2
1.2. Purpose of research 3
Chapter 2. High-power-density hydrogel actuator 4
2.1. Introduction 4
2.2. Experimental section 6
2.2.1. Materials 6
2.2.2. Fabrication of turgor actuators 6
2.2.3. Measurement of blocking stress 7
2.2.4. Measurement of osmotic pressure 8
2.2.5. Compression test on turgor actuators 9
2.2.6. Brick breaking with turgor actuator 9
2.2.7. Analysis of electroosmosis in hydrogel 10
2.2.8. Construction of underwater structures 11
2.3. Results and discussion 12
2.3.1. Design and principle of a hydrogel turgor actuator 13
2.3.2. Mechanical properties of the osmosis-driven hydrogel turgor actuator 17
2.3.3. Electroosmotic actuation of the hydrogel turgor actuator 21
2.3.4. Rapid construction of underwater structure 28
2.4. Conclusion 31
Chapter 3. Swelling-stiffening hydrogel textile 32
3.1. Introduction 32
3.2. Experimental section 33
3.2.1. Materials 34
3.2.2. Preparation of core-sheath hydrogel precursor solution 34
3.2.3. Fabrication of core-sheath hydrogel fiber and textile 35
3.2.4. Measurement of swelling pressure of core hydrogel 35
3.2.5. Measurement of inflation pressure of cylindrical sheath fiber 36
3.2.6. Tensile test on sheath hydrogel fiber 37
3.2.7. Characterization of crystallinity of sheath hydrogel 37
3.2.8. Compression test on core-sheath hydrogel fiber and core hydrogel 38
3.2.9. Bending test on core-sheath hydrogel fiber and textile 39
3.3. Results and discussion 39
3.3.1. Design and principle of a mechanically tunable hydrogel textile 39
3.3.2. Elimination of elastic instability of core-sheath fiber 44
3.3.3. Characterization of mechanical properties and crystallinity of sheath hydrogel 47
3.3.4. Mechanical characterization of hydrogel textile 51
3.3.5. Shape reconfigurability of hydrogel textile 52
3.4. Conclusion 55
Chapter 4. Conclusion 56
Reference 58
Abstract in Korean 65
Curriculum Vitae 67박
한-싱가포르 디지털동반자협정(KSDPA)가 국경간 디지털 인프라 투자에 미치는 영향에 관한 연구
No full text학위논문(석사) -- 서울대학교 대학원 : 국제대학원 국제학과(국제통상전공), 2024. 8. 이영섭.The Korea-Singapore Digital Partnership Agreement (KSDPA) aims to enhance digital cooperation and cross-border digital infrastructure investments between Korea and Singapore. This thesis investigates the impacts of the KSDPA on such investments, focusing on harmonizing regulatory frameworks, enhancing technological efficiency, and improving data governance. Through a combination of regression and graphical analyses, the thesis explores how the KSDPA influences investment flows, market dynamics, and regulatory landscapes.
Key findings reveal that the KSDPA facilitates cross-border digital infrastructure investments by aligning regulatory frameworks and reducing trade barriers, thereby creating a more conducive environment for investment. The agreement promotes technological standardization, enhancing efficiency and reducing operational costs, which in turn stimulates investment in essential digital infrastructures such as data centers and cloud computing services. Additionally, the KSDPA's robust data governance provisions bolster investor confidence by ensuring data security and privacy, further encouraging investment. Despite its recent implementation and the current limitation of available data, initial trends suggest that the KSDPA positively influences investment flows and market dynamics in the digital sector.
This thesis provides valuable insights for policymakers, investors, and business leaders on the benefits of digital trade agreements, highlighting the importance of comprehensive frameworks to support digital infrastructure development in a rapidly evolving global economy.
Keyword : Korea-Singapore Digital Partnership Agreement, digital infrastructure investments, cross-border trade, regulatory harmonization, technological efficiency, data governance
Student Number : 2022-26055한-싱가포르 디지털동반자협정(KSDPA)은 한국과 싱가포르 간의 디지털 협력과 국경 간 디지털 인프라 투자 확대를 목표로 한다. 본 논문은 규제 프레임워크의 조화, 기술 효율성 향상, 데이터 거버넌스 개선에 초점을 맞추어 KSDPA가 이러한 투자에 미치는 영향을 조사한다. 회귀분석과 그래프 분석을 결합하여 KSDPA가 투자 흐름, 시장 역학, 규제 환경에 어떤 영향을 미치는지 탐구한다.
주요 연구 결과는 KSDPA가 규제 체계를 조정하고 무역 장벽을 줄임으로써 국경 간 디지털 인프라 투자를 촉진하고, 이를 통해 투자에 유리한 환경을 조성한다는 것을 보여준다. 이 협약은 기술 표준화를 촉진하고, 효율성을 높이며, 운영 비용을 절감하여 데이터 센터 및 클라우드 컴퓨팅 서비스와 같은 필수 디지털 인프라에 대한 투자를 촉진한다. 또한 KSDPA의 강력한 데이터 거버넌스 조항은 데이터 보안 및 개인 정보 보호를 보장함으로써 투자자의 신뢰를 강화하고, 투자를 더욱 촉진한다. 최근 구현 및 현재 이용 가능한 데이터의 한계에도 불구하고 초기 추세는 KSDPA가 디지털 분야의 투자 흐름과 시장 역학 관계에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 시사한다.
본 연구는 디지털 무역 협정의 장점에 대해 정책 입안자, 투자자, 비즈니스 리더들에게 중요한 통찰을 제공하며, 급변하는 글로벌 경제에서 디지털 인프라 개발을 지원하는 포괄적인 프레임워크의 중요성을 강조한다.
키워드: 한-싱가포르 디지털동반자협정, 디지털 인프라 투자, 국경 간 무역, 규제 조화, 기술 효율성, 데이터 거버넌스
학번: 2022-26055I. Introduction 1
1. Motivation 1
2. Purpose of the Research 2
3. Hypotheses 3
II. Background 4
1. Trade in the Digital Era 4
2. Historical Background 7
3. Korea-Singapore Digital Partnership Agreement (KSDPA) 10
4. Digital Economy Partnership Agreement (DEPA) 12
III. Literature Review 14
1. Evolution of Korea-Singapore Trade Relations 14
2. Digital Agreements & Trade 16
3. Trade & Digital Infrastructure Investments 17
IV. Comparative Analysis of KSDPA and Other Agreements 19
1. Differences between WTO and FTA Financial Service 19
1-1. Financial Liberalization 21
2. Differences between Korea-Singapore Digital Partnership Agreement (KSDPA) and Digital Economy Partnership Agreement (DEPA) 24
2-1. Financial Liberalization 25
2-2. Implications to Cross-Border Digital Infrastructure Investments 26
V. Investment Flow of KSDPA and DEPA Members 27
1. Investment Flow in ICT Sector of KSDPA Members 27
2. Investment Flow in ICT Sector of DEPA Members 30
VI. A Computable General Equilibrium (CGE) Model Approach of the Economic Structure of South Korea and DEPA Members 32
1. CGE Models 33
2. Implications to Cross-Border Digital Infrastructure Investments 43
3. Future Impact on Cross-Border Digital Infrastructure Investments between Korea and Singapore after KSDPA 44
VII. Limitations 48
VIII. Conclusion 49
Bibliography 52
Annex 61
Annex 1 O-C Case for the Korea-Singapore FTA 61
Abstract in Korean 62
Tables and Figures
Figure 1 Blocking of Digital Economy by FTA Divide 6
Table 1 Financial Liberalization between NAFTA, CPTPP, and EU Trade Agreements 21
Table 2 Financial Liberalization between FTAs and WTO (GATS) 23
Table 3 Financial Liberalization between KSDPA and DEPA 25
Figure 2 Investment Flow in ICT Sector between South Korea and Singapore 27
Figure 3 Investment Flow in ICT Sector between Chile, New Zealand and Singapore 30
Figure 4 South Koreas CGE Model 33
Figure 5 Singapores CGE Model 36
Figure 6 Chiles CGE Model 38
Figure 7 New Zealands CGE Model 41석
블록체인 도입이 애그리비지니스 공급망의 첨단 컨트롤타워 성과에 미치는 영향에 관한 연구
No full text학위논문(박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 협동과정 기술경영·경제·정책전공, 2024. 8. Hwang Junseok.급속한 인구 증가는 식품 시스템과 공급망 등 수요를 충족하는 시스템에 상당한 압박을 가하고 있으며, 특히 운영과 상호 작용 측면에서 점점 더 복잡해지고 있다. 이제 이러한 시스템의 안정성, 회복력 및 가치 창출은 이러한 시스템을 통해 흐르고 의사 결정자가 소비하는 정보의 품질, 수량, 가용성, 적시성 및 관련성에 결정적으로 좌우된다. 이러한 복잡성으로 인해 식품 시스템은 인류를 위한 농산업으로 진화하였다.
기술 발전을 특징으로 하는 진화적 역동성은 공급망 프로세스를 더욱 정밀하게 만들어 우수한 성능 수준을 달성하였다. 초기에는 기술이 데이터를 대규모 물리적 문서 창고에서 디지털 파일로 전환하여 의사 결정자의 접근성을 높였다. 점차 공급망과 그 구성 요소인 에첼론은 데이터를 주관적 판단에 의존하지 않고 가치 있는 자산이자 의사 결정의 원동력으로 간주하고 생산 및 유통 프로세스에서 데이터의 중요성을 인식하게 되었다. 이렇게 해서컨트롤 타워라는 개념이 탄생했으며, 컨트롤 타워는 의사 결정에 중요한 정보를 제공하기 위해 컨트롤 패널과 데이터 시각화를 활용하는 시스템을 의미한다.
그러나 데이터 기반 구조를 갖추었다고 해서 본질적으로 모든 체인 구성원이 데이터를 확인할 수 있는 것은 아니다. 기술적 또는 조직적 특성으로 데이터를 생성하는 계층, 그리고 최상의 경우 인접한 계층에 대한 데이터의 가시성을 제한하는 현상인 정보 사일로가 발생할 수 있다. 정보 사일로의 존재는 정보가 체인을 따라 배포되는 속도에 악영향을 미치고, 이는 정보의 적시성, 에클론의 통합 및 따라서 전체 체인 관리에 직접적인 영향을 미친다. 이러한 현상의 영향으로 비효율적인 재고 관리 또는 판매 기회를 놓치게 된다. 그러나 농업 체인 내 제품의 고유한 특성으로 인해 사회, 경제 및 환경적 영향을 미치는 또 다른 매우 중요한 결과, 즉 식품 낭비가 있다.
혁신적인 기술과 데이터 처리 접근 방식의 출현은 정보 공유 부족과 그에 따른 가시성 및 적시성 문제에 대한 효과적인 해결책으로 간주되는 고급 컨트롤 타워와 같은 새로운 개념을 공식화할 수 있게
되었다. 사물 인터넷(IoT), 클라우드 컴퓨팅, 빅 데이터, 블록체인, 인공 지능 및 디지털 트윈과 같은 기술은 정보 공유 및 가시성을 위해 정보 사일로를 제거하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 확인되었으며 이러한 기술은 고급 컨트롤 타워의 개념에 포함되어 있다.
기존 연구에서는 공급망에서 컨트롤 타워의 이점을 강조하지만, 이 분야는 주로 석유, 의약품 또는 물류와 같은 특정 산업의 재고 및 판매 성과 분석에 국한되어 여전히 미개척 분야로 여겨지고 있다. 폐기물 발생에 대한 컨트롤 타워의 영향을 조사하는 것은 특히 연구자와 농산업 공급망 관리자들에게 주목해야할 주제이다.
또한 공공 블록체인 기술은 첨단 컨트롤 타워 생태계의 일부이기 때문에 가시성, 투명성 및 정보 공유에 기여한다. 그러나 공공 블록체인 기술은 비효율적이기 때문에 부작용이 발생하므로 특별한 분석이 필요하다. 기존연구에서는 블록체인을 단일 개체로 간주하고 다양한 유형(공공, 민간, 하이브리드/연합)과 특성화를 구분하지 못해 블록체인이 보안, 확장성, 탈중앙화(블록체인 트릴레마)의 동시 관리와 관련된 특정 과제에 직면하지 않는다는 오해를 불러일으키고 있다. 이러한 오해는 특히 공공 블록체인의 경우 성능 문제를 일으킬 수 있다.
이러한 의미에서 이 논문은 첫번째 부분에서 전형적인 농기업 공급망의 특성을 분석하여 결과적으로, 후속 단계에서 유용한 모델과 구체적인 결과가 도출되었다. 논문의 다음 부분에서는 재고, 판매 및 폐기물 관리와 관련된 고급 컨트롤 타워 구현의 효과를 조사하였다. 그 결과는 고무적이지 않으며, 매우 역동적이고 복원력이 높은 환경에서 확장성과 성능에 제한된 기술을 통합함으로써 발생하는 부작용을 반영한다.
고급 컨트롤 타워 운영에서 공공 블록체인을 제외한 세 번째 연구에서 결과는 이 기술을 제외하면 공급망 성능이 향상되어 가시성, 적시성, 민첩성 및 정보 공유의 목표를 달성하는 데 도움이 된다는 것을 시사한다. 이러한 개선 사항은 판매 증가로 인한 이익 증가, 최적화된 재고 및 폐기물 관리 개선에 반영된다.
이 논문은 이러한 연구결과를 바탕으로 농기업 공급망 관리에 있어 4차 산업혁명 기술의 통합을 지원하기 위한 정책 수립을 권고하였다. 또한 편익을 극대화하기 위한 교육, 협력, 정보화 전략을 제시하였다. 마지막으로 공공 블록체인을 대체할 민간 또는 연합 블록체인과 같은
대안을 분석하여 블록체인 트릴레마에 기반한 비용-편익 비교를 실시할 것을 제안하였다.
농기업 공급망과 같은 복잡한 시스템을 분석하기 위해서는 관련 행위자들의 성과 변화에 반영된 지배적 상호작용의 역학을 이해할 수 있을 뿐만 아니라 누적 결과를 평가하고 미래 시나리오에 대한 투입물을 생성할 수 있는 전문화된 방법론이 필요하다. 이를 위해 본 논문에서는 시스템 역학을 주요 방법론으로 사용하였다. 그러나 정확한 고급 컨트롤 타워를 설계하기 위해서는 농기업 환경의 특정 기술 선호도를 이해하는 것도 필요하다. 이를 위해 2차 방법론인 DEMATEL(Decision-Making Trial and Evaluation Laboratory)과 AHP(Analytical Hierarchy Process)를 사용하였다.
이 논문의 결과는 향후 농기업 공급망 성과 개선을 위한 연구의 토대를 제공한다.Rapid population growth is exerting significant pressure on the systems that meet its needs, including food systems and their supply chains, which are becoming increasingly complex in their operations and interactions. The stability, resilience, and value generation of these systems now depend heavily on the quality, quantity, availability, timeliness, and relevance of the information flowing through them and consumed by decision-makers. This complexity has grown food systems into agro-industries serving humanity. The evolutionary dynamism that characterizes technological advancements has made supply-chain processes more precise and able to achieve superior performance levels. Initially, technology transitioned data from large physical document warehouses to digital files, increasing accessibility for decision-makers. Gradually, the supply chain and its constituent parts has begun to understand the importance of data to the production and distribution processes, leading them to consider data as valuable assets and the driving forces behind decision-making rather than subjective decisions. This is how control towers were born; in its basic concept, control towers refers to a system that uses control panels and data visualization to provide critical information for decision-making. Still, having a data-driven structure does not guarantee that the data will be visible to all chain members. Technical or organizational characteristics lead to the emergence of information silos, a phenomenon that limits data visibility to the level generating the data and, in the best case, to neighboring levels. The presence of information silos also affects the speed with which information is distributed along the chain, directly affecting the timeliness of information, the integration of the levels, and, therefore, chain management. Inefficient inventory management or lost sales opportunities are considered effects of this phenomenon; due to the special characteristics of the products that pass through the agribusiness chain, however, there is an additional consequence of significant importance since it has social, economic, and environmental repercussions, particularly in the form of food waste. The advent of innovative technologies and data-processing approaches has allowed the formulation of novel concepts like advanced control towers, which are considered an effective solution to the lack of information-sharing and the consequent problems of visibility and timeliness. The Internet of Things (IoT), cloud computing, big data, blockchain, artificial intelligence (AI), and digital twins have been identified as technologies that support the elimination of information silos in favor of information-sharing and visibility and are embedded in the concept of advanced control towers. Although the available studies highlight the benefits of control towers in supply chains, the idea is still considered an underexplored area, as they have been limited to inventory and sales-performance analysis in specific industries, such as petroleum, medicine, or logistics. The effects of control towers on waste generation represent a topic that requires attention, especially from researchers and agribusiness supply-chain managers. On the other hand, as public blockchain is part of the technologies falling within the advanced control towers ecosystem, it also contributes to visibility, transparency, and information-sharing. Due to its inefficiencies, however, its technology generates adverse effects and requires special analysis. Previous studies consider blockchain a single species and do not clearly differentiate among its different typologies (public, private, or hybrid/federate) and characterizations, making it clear that blockchain does not have specific challenges related to the simultaneous management of its security, scalability, and decentralization (the blockchain trilemma) deriving from performance problems, as in the case of the public blockchain. In this sense, this thesis initially characterizes a typical agribusiness supply chain, obtaining as a result a model and specific results useful in future stages. The following section investigates the effects of implementing an advanced control tower concerning inventory, sales, and waste management. The results are not encouraging and reflect the adverse effects of incorporating a technology limited in scalability and performance in a highly dynamic and resilient environment. In the third study, which does not consider the public blockchain in the operation of the advanced control tower, the results suggest that excluding this technology increases the supply chains performance, helping to achieve the objectives of visibility, timeliness, agility, and information-sharing, as reflected in improved profits from increased sales, inventory optimization, and waste management. Based on these findings, the thesis recommends formulating policies to support integrating Fourth Industrial Revolution technologies in agribusiness supply-chain management. In the same way, this study suggests education, cooperation, and information strategies to maximize benefits. Finally, it proposes analyzing alternatives, like private or federated blockchains, to replace public blockchains security with a cost–benefit comparison based on the blockchain trilemma. The analysis of complex systems, as in the case of the agribusiness supply chain, requires specialized methodologies that not only allow an understanding of the dynamics of the governing interactions evidenced in the change in the performance of the actors involved but also allow an evaluation of the cumulative results and generate inputs for future scenarios. To this end, this thesis uses SD as its primary methodology. It is also necessary, however, to understand specific technological preferences in the agribusiness environment that allow an accurate advanced control tower design. Thus, this thesis uses secondary methodologies, such as the Decision-Making Trial and Evaluation Laboratory and the Analytic Hierarchy Process. The results of this thesis provide a foundation for future research aimed at improving agribusiness supply-chain performance.Chapter 1. Introduction 1
1.1 Research Background 1
1.2 Research problem . 22
1.3 Research objectives . 25
1.4 Research questions and approaches 26
1.5 Research process 28
1.6 Research contributions 29
1.7 Research outline 31
Chapter 2. Literature review 33
2.1 Smart agriculture 33
2.2 Integrated supply chain management . 34
2.3 Supply chain management challenges 35
2.4 Inventory management, the foundation of a successful supply chain 35
2.5 The Supply Chain control tower 36
2.5.1 Operational control towers . 37
2.5.2 Transportation control towers 38
2.5.3 Inventory control towers 39
2.6 Benefits of Control towers inside the supply chain management system 40
2.7 Control towers and disruptive technologies 40
2.7.1 Internet of Things IoT 40
2.7.2 Big Data analytics 42
2.7.3 Cloud computing . 43
2.7.4 Blockchain 45
Chapter 3. The traditional Agribusiness Supply Chain . 57
3.1 Introduction . 57
3.2 The traditional Agribusiness Supply Chain . 60
3.3 Research Gap 65
3.4 Research questions and Chapter objective 70
3.5 Methodology 71
3.6 The Agribusiness supply chain 76
3.6.1 Theoretical framework . 76
3.6.2 Detailed description of the simulation model 83
3.6.3 Scenario 93
3.6.4 Model validation 103
3.7 Simulation Analysis and Discussion 104
3.7.1 Behavioral test 108
3.7.2 Discussion 114
Chapter 4. The effects of the Advanced Control Towers on the performance of the
Agribusiness Supply Chain 119
4.1 Introduction 119
4.2 Advanced Supply Chain Control Tower (ASCCT) 123
4.3. Research Gap 136
4.4. Research questions. 139
4.5. Chapter Objective 140
4.6. Methodology 141
4.6.1. Decision Making Trial and Evaluation Laboratory (DEMATEL) 143
4.6.2. Analytic Hierarchy Process (AHP) 153
4.7. Description of the advanced control tower model . 166
4.7.1. ASCCT conceptualization considering the Thomphson approach 168
4.7.2. Theoretical background . 169
4.7.3. The ASCCT Scenario . 171
4.8 Simulation analysis and discussion 183
4.9 Conclusions 190
Chapter 5. The change in the operational performance of the advanced control tower
for agribusiness due to the absence of the public Blockchain inefficiencies 196
5.1 Introduction 196
5.2 Research gap 199
5.3 Chapter objective and research questions 200
5.4 Methodology 201
5.4.1 Scenario design 202
5.5 Simulation analysis and discussion 204
5.6 Discussion . 210
Chapter 6. Conclusion . 218
6.1 Summary 218
6.2 Implications 223
6.3 Limitations 226
6.4 Suggestions for further research . 227
Bibliography 229
Appendix I: SFD Traditional Supply Chain 309
Appendix II: DEMATEL survey . 310
Appendix III: AHP Questionnaire 323
Appendix IV: AHP results 347
Appendix V: SFD Supply Chain Control Tower . 363
Appendix VI: SFD Advanced Supply Chain Control Tower excluding blockchain . 364
Abstract (Korean) 365
Acknowledgements 367박
Unified Mechanism of Inducer Cavitation Instabilities
No full text학위논문(박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 기계공학부, 2024. 8. Seung Jin Song.본 연구는 크게 세 가지 부분으로 구성되어 있다. 첫 번째 부분에서는 기존에 인듀서 캐비테이션 불안정성의 질적 메커니즘으로 제시되었던 인접 블레이드 효과를 형광 입자 영상 유속계를 통해 실험적으로 정량화한다. 또한, 인듀서 흐름 계수를 변화시켜가며 실험함으로써, 정량화된 인접 블레이드 효과가 선행 블레이드의 입사각에 따라 비선형적으로 변함을 보였다. 구체적으로, 해당 효과는 그 세기가 최댓값을 가지는 특정한 최대 입사각을 중심으로, 좁은 범위의 입사각 내에서만 활성화된다.
두 번째 부분에서는 앞선 부분에서 밝혀진 인접 블레이드 효과의 비선형성을 설명하기 위해 새로운 해석 모델을 제시한다. 해당 모델은 2차원 정상 유동 해석 모델, 3차원 팁 누설 유동 와류를 모사하는 2차원 비정상 유동 해석 모델 및 레일리-플레셋 공동(空洞) 성장 모델로 구성되어 있다. 본 모델은 인접 블레이드 효과의 비선형성이 두 가지 경쟁 효과가 선행 블레이드의 입사각이 변함에 따라 다른 양상으로 변하기 때문에 발생함을 보였다. 첫 번째 효과는 인듀서 목 근처의 고압 영역으로, 입사각이 최대 입사각보다 작을 때 지배적이며, 인접 블레이드 효과를 강화한다. 두 번째 효과는 팁 누설 유동 와류 내부의 저압 영역으로, 입사각이 최대 입사각보다 클 때 지배적이며, 인접 블레이드 효과를 약화한다.
마지막 부분에서는 첫 번째 부분에서 측정된 인접 블레이드 효과를 입력으로 하는 새로운 차수 축소 모델을 개발하여, 인접 블레이드 효과의 비선형성이 이익(二翼) 및 삼익(三翼) 인듀서 캐비테이션 불안정성 발생에 미치는 영향을 분석한다. 해당 모델은 질량-스프링-댐퍼 시스템의 주기적 격자로 구성되며, 동일한 인접 블레이드 효과 하에서도 인듀서 블레이드의 개수에 따라 다양한 캐비테이션 불안정성이 발생할 수 있음을 보인다.
위의 세 부분을 통하여 본 논문은 아래 세 가지 주요 질문에 대한 답을 제시한다.
1. 선행 블레이드의 입사각에 따라 인접 블레이드 효과는 어떻게 변화하는가? — 최대 입사각에서 그 세기가 최대가 되는 비선형적 방식으로 변화한다.
2. 이러한 비선형성은 왜 발생하는가? — 인듀서 목 근처의 고압 영역과 팁 누설 유동 와류 내부의 저압 영역의 경쟁 효과로 인해 발생한다.
3. 인접 블레이드의 비선형성이 공학적으로 어떠한 의미를 가지는가? — 이익 및 삼익 인듀서의 캐비테이션 불안정성 발생 메커니즘을 물리적으로 설명할 수 있다.The paper is structured into three main sections. In the first part, drawing from prior research that qualitatively posits the blade-to-blade effect (the influence of the leading blades tip leakage vortex cavitation on the following blades flow field) as a key mechanism in inducer cavitation instability, experimental quantification of this effect is undertaken using fluorescent particle image velocimetry. Also, the study reveals that the magnitude of the blade-to-blade effect, denoted as Δα, varies nonlinearly as the incidence of the leading blade changes. Specifically, this effect is close to zero except within a certain range of incidence centered around a maximum incidence, where the peak magnitude is observed.
The second part of the paper introduces a new analytical model. This model integrates a steady 2-D (x-θ) base flow model, an unsteady 2-D (r-θ) potential flow model representing 3-D tip leakage vortex, and a Rayleigh-Plesset bubble growth model predicting cavity evolution inside the tip leakage vortex. The model offers a physical explanation for the nonlinearity of the blade-to-blade effect. It predicts that the cavity collapse rate at the inducer throat, directly correlated to the magnitude of the blade-to-blade effect, nonlinearly depends on the incidence of the leading blade due to two competing effects. As the leading blades incidence increases, the first effect, associated with a high-pressure region near the inducer throat, initially dominates, increasing the magnitude of the blade-to-blade effect. However, the second effect, linked to a low-pressure region inside the tip leakage vortex, eventually surpasses the first effect, leading to a decrease in the magnitude of the blade-to-blade effect.
In the last part, a new reduced-order model, which utilizes the experimental results from the first part, is introduced to elucidate how the nonlinear blade-to-blade effect triggers specific post-onset behaviors of inducer cavitation instability in two- and three-bladed inducers. The model, which comprises a periodic lattice of a coupled mass-spring-damper system representing the N-bladed system, sheds light on how the same blade-to-blade effect can generate distinct local instabilities depending on the number of blades.
In summary, the paper addresses three key questions. ① How does the blade-to-blade effect vary with the incidence on the leading blade? ② Why does this dependency occur? and finally, ③ Why does it matter?
The answers are as follows: ① Nonlinearly, with a maximum incidence maximizing its magnitude. ② Due to two competing effects—the low-pressure region inside the tip leakage vortex and the high-pressure region near the inducer throat. ③ It explains why and how inducer cavitation instability occurs.Abstract ii
Table of Contents iv
List of Figures vi
List of Tables xii
1. Introduction １
1.1. Study Background １
1.2. Research Objectives １９
1.3. Organization of the Paper ２０
2. Experimental Investigation of the Blade-to-Blade Effect ２２
2.1. Experimental Setup ２２
2.2. Experimental Results at Non-Cavitating Condition (σ=0.330) and Cavitating Condition (σ=0.085) ３８
2.3. Quantification of the Blade-to-Blade Effect ４３
2.4. Dependence of the Blade-to-Blade Effect on the Incidence of the Leading Blade ４５
3. Analytical Investigation of the Blade-to-Blade Effect ５１
3.1. Analytical Model Description ５１
3.1.1. 2-D (x-θ) Inducer Flow Field Model ５３
3.1.2. Tip Leakage Vortex Model ５５
3.1.3. Cavitation Bubble Model ５９
3.2. Model Predictions ６０
4. Prediction of the Two- and Three-Bladed Inducer Cavitation Instability ７１
4.1. Reduced-Order Model Description ７２
4.2. Linear Stability Analysis for General N-Bladed System ７６
4.3. Prediction of Two- and Three-Bladed Inducer Instability Behaviors Based on the Nonlinear Blade-to-Blade Effect ９４
5. Conclusion １２２
Appendix A—Mathematical Verification of Dual-Frequency Characteristic in Rotating Cavitations １２６
Appendix B—Linear Relationship Between d(R_)/dt and １３３
Appendix C—Characteristic Equation of the Linearized N-Bladed System １３４
Appendix D—Unsteady Pressure Measurement at the Inducer Inlet １３８
Appendix E—Physical Interpretation of the Mass-Spring-Damper Approximation of the Tip Leakage Vortex Cavitation Dynamic Response １４１
Bibliography １５１
요약(국문초록) １５９
감사의 글 １６１박
Analysis study of ⟪Sechs Lieder, Op.13⟫ by C. Schumann and three mélodies by G. Fauré (Op.18 No.1, Op.23 No.2, Op.27 No.1)
No full text학위논문(석사) -- 서울대학교 대학원 : 음악대학 음악과, 2024. 8. 박미혜.본 논문은 필자의 석사과정 졸업 연주회 프로그램 중 클라라 슈만(Clara Wieck Schumann, 1819-1896)의 ⟪ Sechs Lieder (여섯 개의 가곡), Op. 13 ⟫ 과 가브리엘 포레(Gabriel Fauré, 1845-1924)의 멜로디 〈Nell〉(넬, Op.18 No.1)〉, 〈Notre amour(우리의 사랑, Op.23 No.2)〉, 〈Chanson damour(사랑의 노래, Op.27 No.1)〉를 분석 연구한 것이다. 두 사람은 모두 낭만주의의 절정인 19세기에 활동한 음악가로, 음악을 시와 밀접하게 표현하는 예술가곡인 리트와 멜로디를 작곡하였다.
클라라 슈만의 ⟪ Sechs Lieder ⟫ 는 서로 연결되지 않고 독립성을 띠고 있는 여섯 곡의 모음집이다 이 작품은 클라라가 당대 유명한 피아니스트였던 만큼 피아노의 비중을 많이 두었다는 점에서 클라라의 작곡 특징이 잘 나타나 있다.
가브리엘 포레의 멜로디 세 곡은 포레의 작곡 시기 중 제 1기와 제 2기가 맞물리던 1879년부터 1882년 사이에 작곡되었다. 세 곡의 공통된 주제는 '사랑'이며, 피아노가 성악 선율을 모방하여 성악부와 반주부가 대화를 하는 듯 상호 유기적(有機的)인 접근의 작곡 방식이 잘 드러나 있다.
본 연구에서는 클라라 슈만과 가브리엘 포레의 생애 및 그들의 작곡 특성을 살펴보았으며, 이와 함께 작품의 배경, 시인, 주제와 특징 등을 알아보았다. 더불어 곡의 가사, 형식, 리듬, 선율, 화성 등의 요소로 곡을 분석하여 음악이 시를 어떻게 효과적으로 나타내고 있는지를 파악하였다. 이를 통해 작곡가의 의도를 연구 및 분석하여 연주자와 관객의 소통을 위한 효과적인 연주 해석 방안에 대하여 고찰하였다.
주요어: 클라라 슈만, 리트, 가브리엘 포레, 멜로디, 예술가곡This study examines Clara Schumann(1819-1896)s ⟪Sechs Lieder, Op.13⟫ and Gabriel Fauré(1845-1924)s three mélodies; , and , which were included in the authors graduate recital program.
Both composers worked in the 19th century and composed lied(in Germany) and mélodie(in France), which are based on the genre of Art song, that closely integrate music with poetry.
Clara Schumanns ⟪Sechs Lieder⟫ is a collection of six songs that are not interconnected and possess individuality. Given Claras renown as a pianist, the piano accompaniment in her songs is substantial, allowing Claras musical characteristics to shine through.
Three mélodies of Gabriel Fauré were composed between 1879 and 1882, during the overlap of his first and second compositional periods. All three songs share a common theme of love, with a notable interaction between the vocal and accompaniment parts, and these songs demonstrate Faurés unique compositional style.
This study researched the lives of Clara Schumann and Gabriel Fauré, as well as their compositional characteristics. Additionally, it explores the background, poets, themes, and composition techniques of the songs. Furthermore, this study analyzes various musical elements such as lyrics, form, rhythm, melody, and harmony, aiming to understand how these elements effectively expresses the poetry through music. Through this analysis, the author proposes effective performance interpretations, offering practical assistance to performers in understanding and absorbing the composers intension in detail during their rendition.
keywords : Clara Schumann, Lied, Gabriel Fauré, Mélodie, Art SongⅠ . 서 론 1
Ⅱ. 본 론 3
1. 클라라 슈만(Clara Schumann, 1819-1896)의 ⟪Sechs Lieder (여섯 개의 가곡), Op.13⟫ 3
1) 클라라 슈만의 생애 3
2) 클라라 슈만 예술가곡의 음악적 특징 4
3) ⟪Sechs Lieder (여섯 개의 가곡), Op.13⟫ 6
(1) 작곡 배경 6
(2) 시인 6
(3) 주제와 특징 8
4) 작품 연구 9
(1) Ich stand in dunklen Träumen (나는 어두운 꿈 속에 서있었네) 9
(2) Sie liebten sich beide (그들은 서로를 사랑했네) 13
(3) Liebeszauber (사랑의 마법) 16
(4) Der Mond kommt still gegangen (달이 조용히 떠올랐네) 20
(5) Ich hab in deinem Auge (나는 당신의 눈에서) 23
(6) Die stille Lotosblume (고요한 연꽃) 27
2. 가브리엘 포레(Gabriel Fauré, 1845-1924)의 멜로디(Mélodie) 31
1) 가브리엘 포레의 생애 31
2) 가브리엘 포레 예술가곡의 음악적 특징 32
3) , , 34
(1) 주제와 특징 34
(2) 시인 34
4) 작품 연구 36
(1) Nell (넬, Op.18 No.1) 36
(2) Notre amour (우리의 사랑, Op.23 No.2) 40
(3) Chanson damour (사랑의 노래, Op.27 No.1) 45
Ⅲ. 결 론 49
참고문헌 · 51
부록 · 54
Abstract 59석