Análisis comparativo y nuevas estimaciones de las tasas de rebase en obras marítimas en grandes profundidades

El rebase se define como el transporte de una cantidad importante de agua sobre la coronación de una estructura. Por tanto, es el fenómeno que, en general, determina la cota de coronación del dique dependiendo de la cantidad aceptable del mismo, a la vista de condicionantes funcionales y estructurales del dique. En general, la cantidad de rebase que puede tolerar un dique de abrigo desde el punto de vista de su integridad estructural es muy superior a la cantidad permisible desde el punto de vista de su funcionalidad. Por otro lado, el diseño de un dique con una probabilidad de rebase demasiado baja o nula conduciría a diseños incompatibles con consideraciones de otro tipo, como son las estéticas o las económicas. Existen distintas formas de estudiar el rebase producido por el oleaje sobre los espaldones de las obras marítimas. Las más habituales son los ensayos en modelo físico y las formulaciones empíricas o semi-empíricas. Las menos habituales son la instrumentación en prototipo, las redes neuronales y los modelos numéricos. Los ensayos en modelo físico son la herramienta más precisa y fiable para el estudio específico de cada caso, debido a la complejidad del proceso de rebase, con multitud de fenómenos físicos y parámetros involucrados. Los modelos físicos permiten conocer el comportamiento hidráulico y estructural del dique, identificando posibles fallos en el proyecto antes de su ejecución, evaluando diversas alternativas y todo esto con el consiguiente ahorro en costes de construcción mediante la aportación de mejoras al diseño inicial de la estructura. Sin embargo, presentan algunos inconvenientes derivados de los márgenes de error asociados a los ”efectos de escala y de modelo”. Las formulaciones empíricas o semi-empíricas presentan el inconveniente de que su uso está limitado por la aplicabilidad de las fórmulas, ya que éstas sólo son válidas para una casuística de condiciones ambientales y tipologías estructurales limitadas al rango de lo reproducido en los ensayos. El objetivo de la presente Tesis Doctoral es el contrate de las formulaciones desarrolladas por diferentes autores en materia de rebase en distintas tipologías de diques de abrigo. Para ello, se ha realizado en primer lugar la recopilación y el análisis de las formulaciones existentes para estimar la tasa de rebase sobre diques en talud y verticales. Posteriormente, se llevó a cabo el contraste de dichas formulaciones con los resultados obtenidos en una serie de ensayos realizados en el Centro de Estudios de Puertos y Costas. Para finalizar, se aplicó a los ensayos de diques en talud seleccionados la herramienta neuronal NN-OVERTOPPING2, desarrollada en el proyecto europeo de rebases CLASH (“Crest Level Assessment of Coastal Structures by Full Scale Monitoring, Neural Network Prediction and Hazard Analysis on Permissible Wave Overtopping”), contrastando de este modo la tasa de rebase obtenida en los ensayos con este otro método basado en la teoría de las redes neuronales. Posteriormente, se analizó la influencia del viento en el rebase. Para ello se han realizado una serie de ensayos en modelo físico a escala reducida, generando oleaje con y sin viento, sobre la sección vertical del Dique de Levante de Málaga. Finalmente, se presenta el análisis crítico del contraste de cada una de las formulaciones aplicadas a los ensayos seleccionados, que conduce a las conclusiones obtenidas en la presente Tesis Doctoral. Overtopping is defined as the volume of water surpassing the crest of a breakwater and reaching the sheltered area. This phenomenon determines the breakwater’s crest level, depending on the volume of water admissible at the rear because of the sheltered area’s functional and structural conditioning factors. The ways to assess overtopping processes range from those deemed to be most traditional, such as semi-empirical or empirical type equations and physical, reduced scale model tests, to others less usual such as the instrumentation of actual breakwaters (prototypes), artificial neural networks and numerical models. Determining overtopping in reduced scale physical model tests is simple but the values obtained are affected to a greater or lesser degree by the effects of a scale model-prototype such that it can only be considered as an approximation to what actually happens. Nevertheless, physical models are considered to be highly useful for estimating damage that may occur in the area sheltered by the breakwater. Therefore, although physical models present certain problems fundamentally deriving from scale effects, they are still the most accurate, reliable tool for the specific study of each case, especially when large sized models are adopted and wind is generated Empirical expressions obtained from laboratory tests have been developed for calculating the overtopping rate and, therefore, the formulas obtained obviously depend not only on environmental conditions – wave height, wave period and water level – but also on the model’s characteristics and are only applicable in a range of validity of the tests performed in each case. The purpose of this Thesis is to make a comparative analysis of methods for calculating overtopping rates developed by different authors for harbour breakwater overtopping. First, existing equations were compiled and analysed in order to estimate the overtopping rate on sloping and vertical breakwaters. These equations were then compared with the results obtained in a number of tests performed in the Centre for Port and Coastal Studies of the CEDEX. In addition, a neural network model developed in the European CLASH Project (“Crest Level Assessment of Coastal Structures by Full Scale Monitoring, Neural Network Prediction and Hazard Analysis on Permissible Wave Overtopping“) was also tested. Finally, the wind effects on overtopping are evaluated using tests performed with and without wind in the physical model of the Levante Breakwater (Málaga).

Comparasion of road traffic emission models in Madrid (Spain)

Many cities in Europe have difficulties to meet the air quality standards set by the European legislation, most particularly the annual mean Limit Value for NO2. Road transport is often the main source of air pollution in urban areas and therefore, there is an increasing need to estimate current and future traffic emissions as accurately as possible. As a consequence, a number of specific emission models and emission factors databases have been developed recently. They present important methodological differences and may result in largely diverging emission figures and thus may lead to alternative policy recommendations. This study compares two approaches to estimate road traffic emissions in Madrid (Spain): the COmputer Programme to calculate Emissions from Road Transport (COPERT4 v.8.1) and the Handbook Emission Factors for Road Transport (HBEFA v.3.1), representative of the ‘average-speed’ and ‘traffic situation’ model types respectively. The input information (e.g. fleet composition, vehicle kilometres travelled, traffic intensity, road type, etc.) was provided by the traffic model developed by the Madrid City Council along with observations from field campaigns. Hourly emissions were computed for nearly 15 000 road segments distributed in 9 management areas covering the Madrid city and surroundings. Total annual NOX emissions predicted by HBEFA were a 21% higher than those of COPERT. The discrepancies for NO2 were lower (13%) since resulting average NO2/NOX ratios are lower for HBEFA. The larger differences are related to diesel vehicle emissions under “stop & go” traffic conditions, very common in distributor/secondary roads of the Madrid metropolitan area. In order to understand the representativeness of these results, the resulting emissions were integrated in an urban scale inventory used to drive mesoscale air quality simulations with the Community Multiscale Air Quality (CMAQ) modelling system (1 km2 resolution). Modelled NO2 concentrations were compared with observations through a series of statistics. Although there are no remarkable differences between both model runs, the results suggest that HBEFA may overestimate traffic emissions. However, the results are strongly influenced by methodological issues and limitations of the traffic model. This study was useful to provide a first alternative estimate to the official emission inventory in Madrid and to identify the main features of the traffic model that should be improved to support the application of an emission system based on “real world” emission factors.

MRI and Bidimensional relaxometry sequences for macro and microstructure assessment in food models.

Physico-chemical and organoleptic characteristics of food depend largely on the microscopic level distribution of gases and water, and connectivity and mobility through the pores. Microstructural characterization of food can be accomplished by Magnetic Resonance Imaging (MRI) and Nuclear Magnetic Spectroscopy (NMR) combined with the application of methods of dissemination and multidimensional relaxometry. In this work, funded by the EC Project InsideFood, several artificial food models, based on foams and gels were studied using MRI and 2D relaxometry. Two different kinds of foams were used: a sugarless and a sugar foam. Then, a half of a syringe was filled with the sugarless foam and the other half with the sugar foam. Then, MRI and NMR experiments were performed and the sample evolution was observed along 3 days in order to quantify macrostructural changes through proton density images and microstructural ones using T1T2 maps, using an inversion CPMG sequence. On the proton density images it may be seen that after 16 hours it was possible to differentiate the macrostructural changes, as the apparition of free water due to a syneresis phenomenon. On the interface it can be seen a brighter area after 16 hours, due to the occurrence of free water. Moreover, thanks to the bidimensional relaxometry (T1-T2) it was possible to differentiate among microscopic changes. Differences between the pores size can be observed as well as the microstructure evolution after 30.5 hours, as a consequence differences are shown on free water redistribution through larger pores and capillarity phenomena between both foams.

Improving the management of water and nitrogen resources in cropping systems by using simulation models

Los modelos de simulación de cultivos permiten analizar varias combinaciones de laboreo-rotación y explorar escenarios de manejo. El modelo DSSAT fue evaluado bajo condiciones de secano en un experimento de campo de 16 años en la semiárida España central. Se evaluó el efecto del sistema de laboreo y las rotaciones basadas en cereales de invierno, en el rendimiento del cultivo y la calidad del suelo. Los modelos CERES y CROPGRO se utilizaron para simular el crecimiento y rendimiento del cultivo, mientras que el modelo DSSAT CENTURY se utilizó en las simulaciones de SOC y SN. Tanto las observaciones de campo como las simulaciones con CERES-Barley, mostraron que el rendimiento en grano de la cebada era mas bajo para el cereal continuo (BB) que para las rotaciones de veza (VB) y barbecho (FB) en ambos sistemas de laboreo. El modelo predijo más nitrógeno disponible en el laboreo convencional (CT) que en el no laboreo (NT) conduciendo a un mayor rendimiento en el CT. El SOC y el SN en la capa superficial del suelo, fueron mayores en NT que en CT, y disminuyeron con la profundidad en los valores tanto observados como simulados. Las mejores combinaciones para las condiciones de secano estudiadas fueron CT-VB y CT-FB, pero CT presentó menor contenido en SN y SOC que NT. El efecto beneficioso del NT en SOC y SN bajo condiciones Mediterráneas semiáridas puede ser identificado por observaciones de campo y por simulaciones de modelos de cultivos. La simulación del balance de agua en sistemas de cultivo es una herramienta útil para estudiar como el agua puede ser utilizado eficientemente. La comparación del balance de agua de DSSAT , con una simple aproximación “tipping bucket”, con el modelo WAVE más mecanicista, el cual integra la ecuación de Richard , es un potente método para valorar el funcionamiento del modelo. Los parámetros de suelo fueron calibrados usando el método de optimización global Simulated Annealing (SA). Un lisímetro continuo de pesada en suelo desnudo suministró los valores observados de drenaje y evapotranspiración (ET) mientras que el contenido de agua en el suelo (SW) fue suministrado por sensores de capacitancia. Ambos modelos funcionaron bien después de la optimización de los parámetros de suelo con SA, simulando el balance de agua en el suelo para el período de calibración. Para el período de validación, los modelos optimizados predijeron bien el contenido de agua en el suelo y la evaporación del suelo a lo largo del tiempo. Sin embargo, el drenaje fue predicho mejor con WAVE que con DSSAT, el cual presentó mayores errores en los valores acumulados. Esto podría ser debido a la naturaleza mecanicista de WAVE frente a la naturaleza más funcional de DSSAT. Los buenos resultados de WAVE indican que, después de la calibración, este puede ser utilizado como "benchmark" para otros modelos para periodos en los que no haya medidas de campo del drenaje. El funcionamiento de DSSAT-CENTURY en la simulación de SOC y N depende fuertemente del proceso de inicialización. Se propuso como método alternativo (Met.2) la inicialización de las fracciones de SOC a partir de medidas de mineralización aparente del suelo (Napmin). El Met.2 se comparó con el método de inicialización de Basso et al. (2011) (Met.1), aplicando ambos métodos a un experimento de campo de 4 años en un área en regadío de España central. Nmin y Napmin fueron sobreestimados con el Met.1, ya que la fracción estable obtenida (SOC3) en las capas superficiales del suelo fue más baja que con Met.2. El N lixiviado simulado fue similar en los dos métodos, con buenos resultados en los tratamientos de barbecho y cebada. El Met.1 subestimó el SOC en la capa superficial del suelo cuando se comparó con una serie observada de 12 años. El crecimiento y rendimiento del cultivo fueron adecuadamente simulados con ambos métodos, pero el N en la parte aérea de la planta y en el grano fueron sobreestimados con el Met.1. Los resultados variaron significativamente con las fracciones iniciales de SOC, resaltando la importancia del método de inicialización. El Met.2 ofrece una alternativa para la inicialización del modelo CENTURY, mejorando la simulación de procesos de N en el suelo. La continua emergencia de nuevas variedades de híbridos modernos de maíz limita la aplicación de modelos de simulación de cultivos, ya que estos nuevos híbridos necesitan ser calibrados en el campo para ser adecuados para su uso en los modelos. El desarrollo de relaciones basadas en la duración del ciclo, simplificaría los requerimientos de calibración facilitando la rápida incorporación de nuevos cultivares en DSSAT. Seis híbridos de maiz (FAO 300 hasta FAO 700) fueron cultivados en un experimento de campo de dos años en un área semiárida de regadío en España central. Los coeficientes genéticos fueron obtenidos secuencialmente, comenzando con los parámetros de desarrollo fenológico (P1, P2, P5 and PHINT), seguido de los parámetros de crecimiento del cultivo (G2 and G3). Se continuó el procedimiento hasta que la salida de las simulaciones estuvo en concordancia con las observaciones fenológicas de campo. Después de la calibración, los parámetros simulados se ajustaron bien a los parámetros observados, con bajos RMSE en todos los casos. Los P1 y P5 calibrados, incrementaron con la duración del ciclo. P1 fue una función lineal del tiempo térmico (TT) desde emergencia hasta floración y P5 estuvo linealmente relacionada con el TT desde floración a madurez. No hubo diferencias significativas en PHINT entre híbridos de FAO-500 a 700 , ya que tuvieron un número de hojas similar. Como los coeficientes fenológicos estuvieron directamente relacionados con la duración del ciclo, sería posible desarrollar rangos y correlaciones que permitan estimar dichos coeficientes a partir de la clasificación del ciclo. ABSTRACT Crop simulation models allow analyzing various tillage-rotation combinations and exploring management scenarios. DSSAT model was tested under rainfed conditions in a 16-year field experiment in semiarid central Spain. The effect of tillage system and winter cereal-based rotations on the crop yield and soil quality was evaluated. The CERES and CROPGRO models were used to simulate crop growth and yield, while the DSSAT CENTURY was used in the SOC and SN simulations. Both field observations and CERES-Barley simulations, showed that barley grain yield was lower for continuous cereal (BB) than for vetch (VB) and fallow (FB) rotations for both tillage systems. The model predicted higher nitrogen availability in the conventional tillage (CT) than in the no tillage (NT) leading to a higher yield in the CT. The SOC and SN in the top layer, were higher in NT than in CT, and decreased with depth in both simulated and observed values. The best combinations for the dry land conditions studied were CT-VB and CT-FB, but CT presented lower SN and SOC content than NT. The beneficial effect of NT on SOC and SN under semiarid Mediterranean conditions can be identified by field observations and by crop model simulations. The simulation of the water balance in cropping systems is a useful tool to study how water can be used efficiently. The comparison of DSSAT soil water balance, with a simpler “tipping bucket” approach, with the more mechanistic WAVE model, which integrates Richard’s equation, is a powerful method to assess model performance. The soil parameters were calibrated by using the Simulated Annealing (SA) global optimizing method. A continuous weighing lysimeter in a bare fallow provided the observed values of drainage and evapotranspiration (ET) while soil water content (SW) was supplied by capacitance sensors. Both models performed well after optimizing soil parameters with SA, simulating the soil water balance components for the calibrated period. For the validation period, the optimized models predicted well soil water content and soil evaporation over time. However, drainage was predicted better by WAVE than by DSSAT, which presented larger errors in the cumulative values. That could be due to the mechanistic nature of WAVE against the more functional nature of DSSAT. The good results from WAVE indicate that, after calibration, it could be used as benchmark for other models for periods when no drainage field measurements are available. The performance of DSSAT-CENTURY when simulating SOC and N strongly depends on the initialization process. Initialization of the SOC pools from apparent soil N mineralization (Napmin) measurements was proposed as alternative method (Met.2). Method 2 was compared to the Basso et al. (2011) initialization method (Met.1), by applying both methods to a 4-year field experiment in a irrigated area of central Spain. Nmin and Napmin were overestimated by Met.1, since the obtained stable pool (SOC3) in the upper layers was lower than from Met.2. Simulated N leaching was similar for both methods, with good results in fallow and barley treatments. Method 1 underestimated topsoil SOC when compared with a 12-year observed serial. Crop growth and yield were properly simulated by both methods, but N in shoots and grain were overestimated by Met.1. Results varied significantly with the initial SOC pools, highlighting the importance of the initialization procedure. Method 2 offers an alternative to initialize the CENTURY model, enhancing the simulation of soil N processes. The continuous emergence of new varieties of modern maize hybrids limits the application of crop simulation models, since these new hybrids should be calibrated in the field to be suitable for model use. The development of relationships based on the cycle duration, would simplify the calibration requirements facilitating the rapid incorporation of new cultivars into DSSAT. Six maize hybrids (FAO 300 through FAO 700) were grown in a 2-year field experiment in a semiarid irrigated area of central Spain. Genetic coefficients were obtained sequentially, starting with the phenological development parameters (P1, P2, P5 and PHINT), followed by the crop growth parameters (G2 and G3). The procedure was continued until the simulated outputs were in good agreement with the field phenological observations. After calibration, simulated parameters matched observed parameters well, with low RMSE in most cases. The calibrated P1 and P5 increased with the duration of the cycle. P1 was a linear function of the thermal time (TT) from emergence to silking and P5 was linearly related with the TT from silking to maturity . There were no significant differences in PHINT between hybrids from FAO-500 to 700 , as they had similar leaf number. Since phenological coefficients were directly related with the cycle duration, it would be possible to develop ranges and correlations which allow to estimate such coefficients from the cycle classification.

Selecting crop models for decision making in wheat insurance

In crop insurance, the accuracy with which the insurer quantifies the actual risk is highly dependent on the availability on actual yield data. Crop models might be valuable tools to generate data on expected yields for risk assessment when no historical records are available. However, selecting a crop model for a specific objective, location and implementation scale is a difficult task. A look inside the different crop and soil modules to understand how outputs are obtained might facilitate model choice. The objectives of this paper were (i) to assess the usefulness of crop models to be used within a crop insurance analysis and design and (ii) to select the most suitable crop model for drought risk assessment in semi-arid regions in Spain. For that purpose first, a pre-selection of crop models simulating wheat yield under rainfed growing conditions at the field scale was made, and second, four selected models (Aquacrop, CERES- Wheat, CropSyst and WOFOST) were compared in terms of modelling approaches, process descriptions and model outputs. Outputs of the four models for the simulation of winter wheat growth are comparable when water is not limiting, but differences are larger when simulating yields under rainfed conditions. These differences in rainfed yields are mainly related to the dissimilar simulated soil water availability and the assumed linkages with dry matter formation. We concluded that for the simulation of winter wheat growth at field scale in such semi-arid conditions, CERES-Wheat and CropSyst are preferred. WOFOST is a satisfactory compromise between data availability and complexity when detail data on soil is limited. Aquacrop integrates physiological processes in some representative parameters, thus diminishing the number of input parameters, what is seen as an advantage when observed data is scarce. However, the high sensitivity of this model to low water availability limits its use in the region considered. Contrary to the use of ensembles of crop models, we endorse that efforts be concentrated on selecting or rebuilding a model that includes approaches that better describe the agronomic conditions of the regions in which they will be applied. The use of such complex methodologies as crop models is associated with numerous sources of uncertainty, although these models are the best tools available to get insight in these complex agronomic systems.

Simulation of thermal performance of glazing in architecture using scale models = Simulación del comportamiento térmico de los acristalamientos en la arquitectura mediante modelos a escala

El propósito de esta tesis es estudiar la aproximación a los fenómenos de transporte térmico en edificación acristalada a través de sus réplicas a escala. La tarea central de esta tesis es, por lo tanto, la comparación del comportamiento térmico de modelos a escala con el correspondiente comportamiento térmico del prototipo a escala real. Los datos principales de comparación entre modelo y prototipo serán las temperaturas. En el primer capítulo del Estado del Arte de esta tesis se hará un recorrido histórico por los usos de los modelos a escala desde la antigüedad hasta nuestro días. Dentro de éste, en el Estado de la Técnica, se expondrán los beneficios que tiene su empleo y las dificultades que conllevan. A continuación, en el Estado de la Investigación de los modelos a escala, se analizarán artículos científicos y tesis. Precisamente, nos centraremos en aquellos modelos a escala que son funcionales. Los modelos a escala funcionales son modelos a escala que replican, además, una o algunas de las funciones de sus prototipos. Los modelos a escala pueden estar distorsionados o no. Los modelos a escala distorsionados son aquellos con cambios intencionados en las dimensiones o en las características constructivas para la obtención de una respuesta específica por ejemplo, replicar el comportamiento térmico. Los modelos a escala sin distorsión, o no distorsionados, son aquellos que mantienen, en la medida de lo posible, las proporciones dimensionales y características constructivas de sus prototipos de referencia. Estos modelos a escala funcionales y no distorsionados son especialmente útiles para los arquitectos ya que permiten a la vez ser empleados como elementos funcionales de análisis y como elementos de toma de decisiones en el diseño constructivo. A pesar de su versatilidad, en general, se observará que se han utilizado muy poco estos modelos a escala funcionales sin distorsión para el estudio del comportamiento térmico de la edificación. Posteriormente, se expondrán las teorías para el análisis de los datos térmicos recogidos de los modelos a escala y su aplicabilidad a los correspondientes prototipos a escala real. Se explicarán los experimentos llevados a cabo, tanto en laboratorio como a intemperie. Se han realizado experimentos con modelos sencillos cúbicos a diferentes escalas y sometidos a las mismas condiciones ambientales. De estos modelos sencillos hemos dado el salto a un modelo reducido de una edificación acristalada relativamente sencilla. Los experimentos consisten en ensayos simultáneos a intemperie del prototipo a escala real y su modelo reducido del Taller de Prototipos de la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Madrid (ETSAM). Para el análisis de los datos experimentales hemos aplicado las teorías conocidas, tanto comparaciones directas como el empleo del análisis dimensional. Finalmente, las simulaciones nos permiten comparaciones flexibles con los datos experimentales, por ese motivo, hemos utilizado tanto programas comerciales como un algoritmo de simulación desarrollado ad hoc para esta investigación. Finalmente, exponemos la discusión y las conclusiones de esta investigación. Abstract The purpose of this thesis is to study the approximation to phenomena of heat transfer in glazed buildings through their scale replicas. The central task of this thesis is, therefore, the comparison of the thermal performance of scale models without distortion with the corresponding thermal performance of their full-scale prototypes. Indoor air temperatures of the scale model and the corresponding prototype are the data to be compared. In the first chapter on the State of the Art, it will be shown a broad vision, consisting of a historic review of uses of scale models, from antiquity to our days. In the section State of the Technique, the benefits and difficulties associated with their implementation are presented. Additionally, in the section State of the Research, current scientific papers and theses on scale models are reviewed. Specifically, we focus on functional scale models. Functional scale models are scale models that replicate, additionally, one or some of the functions of their corresponding prototypes. Scale models can be distorted or not. Scale models with distortion are considered scale models with intentional changes, on one hand, in dimensions scaled unevenly and, on the other hand, in constructive characteristics or materials, in order to get a specific performance for instance, a specific thermal performance. Consequently, scale models without distortion, or undistorted scale models scaled evenly, are those replicating, to the extent possible, without distortion, the dimensional proportions and constructive configurations of their prototypes of reference. These undistorted and functional scale models are especially useful for architects because they can be used, simultaneously, as functional elements of analysis and as decision-making elements during the design. Although they are versatile, in general, it is remarkable that these types of models are used very little for the study of the thermal performance of buildings. Subsequently, the theories related to the analysis of the experimental thermal data collected from the scale models and their applicability to the corresponding full-scale prototypes, will be explained. Thereafter, the experiments in laboratory and at outdoor conditions are detailed. Firstly, experiments carried out with simple cube models at different scales are explained. The prototype larger in size and the corresponding undistorted scale model have been subjected to same environmental conditions in every experimental test. Secondly, a step forward is taken carrying out some simultaneous experimental tests of an undistorted scale model, replica of a relatively simple lightweight and glazed building construction. This experiment consists of monitoring the undistorted scale model of the prototype workshop located in the School of Architecture (ETSAM) of the Technical University of Madrid (UPM). For the analysis of experimental data, known related theories and resources are applied, such as, direct comparisons, statistical analyses, Dimensional Analysis and last, but not least important, simulations. Simulations allow us, specifically, flexible comparisons with experimental data. Here, apart the use of the simulation software EnergyPlus, a simulation algorithm is developed ad hoc for this research. Finally, the discussion and conclusions of this research are exposed.

Automated wordlength optimization framework for multi-source statistical interval-based analysis of nonlinear systems with control-flow structures

El uso de aritmética de punto fijo es una opción de diseño muy extendida en sistemas con fuertes restricciones de área, consumo o rendimiento. Para producir implementaciones donde los costes se minimicen sin impactar negativamente en la precisión de los resultados debemos llevar a cabo una asignación cuidadosa de anchuras de palabra. Encontrar la combinación óptima de anchuras de palabra en coma fija para un sistema dado es un problema combinatorio NP-hard al que los diseñadores dedican entre el 25 y el 50 % del ciclo de diseño. Las plataformas hardware reconfigurables, como son las FPGAs, también se benefician de las ventajas que ofrece la aritmética de coma fija, ya que éstas compensan las frecuencias de reloj más bajas y el uso más ineficiente del hardware que hacen estas plataformas respecto a los ASICs. A medida que las FPGAs se popularizan para su uso en computación científica los diseños aumentan de tamaño y complejidad hasta llegar al punto en que no pueden ser manejados eficientemente por las técnicas actuales de modelado de señal y ruido de cuantificación y de optimización de anchura de palabra. En esta Tesis Doctoral exploramos distintos aspectos del problema de la cuantificación y presentamos nuevas metodologías para cada uno de ellos: Las técnicas basadas en extensiones de intervalos han permitido obtener modelos de propagación de señal y ruido de cuantificación muy precisos en sistemas con operaciones no lineales. Nosotros llevamos esta aproximación un paso más allá introduciendo elementos de Multi-Element Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) y combinándolos con una técnica moderna basada en Modified Affine Arithmetic (MAA) estadístico para así modelar sistemas que contienen estructuras de control de flujo. Nuestra metodología genera los distintos caminos de ejecución automáticamente, determina las regiones del dominio de entrada que ejercitarán cada uno de ellos y extrae los momentos estadísticos del sistema a partir de dichas soluciones parciales. Utilizamos esta técnica para estimar tanto el rango dinámico como el ruido de redondeo en sistemas con las ya mencionadas estructuras de control de flujo y mostramos la precisión de nuestra aproximación, que en determinados casos de uso con operadores no lineales llega a tener tan solo una desviación del 0.04% con respecto a los valores de referencia obtenidos mediante simulación. Un inconveniente conocido de las técnicas basadas en extensiones de intervalos es la explosión combinacional de términos a medida que el tamaño de los sistemas a estudiar crece, lo cual conlleva problemas de escalabilidad. Para afrontar este problema presen tamos una técnica de inyección de ruidos agrupados que hace grupos con las señales del sistema, introduce las fuentes de ruido para cada uno de los grupos por separado y finalmente combina los resultados de cada uno de ellos. De esta forma, el número de fuentes de ruido queda controlado en cada momento y, debido a ello, la explosión combinatoria se minimiza. También presentamos un algoritmo de particionado multi-vía destinado a minimizar la desviación de los resultados a causa de la pérdida de correlación entre términos de ruido con el objetivo de mantener los resultados tan precisos como sea posible. La presente Tesis Doctoral también aborda el desarrollo de metodologías de optimización de anchura de palabra basadas en simulaciones de Monte-Cario que se ejecuten en tiempos razonables. Para ello presentamos dos nuevas técnicas que exploran la reducción del tiempo de ejecución desde distintos ángulos: En primer lugar, el método interpolativo aplica un interpolador sencillo pero preciso para estimar la sensibilidad de cada señal, y que es usado después durante la etapa de optimización. En segundo lugar, el método incremental gira en torno al hecho de que, aunque es estrictamente necesario mantener un intervalo de confianza dado para los resultados finales de nuestra búsqueda, podemos emplear niveles de confianza más relajados, lo cual deriva en un menor número de pruebas por simulación, en las etapas iniciales de la búsqueda, cuando todavía estamos lejos de las soluciones optimizadas. Mediante estas dos aproximaciones demostramos que podemos acelerar el tiempo de ejecución de los algoritmos clásicos de búsqueda voraz en factores de hasta x240 para problemas de tamaño pequeño/mediano. Finalmente, este libro presenta HOPLITE, una infraestructura de cuantificación automatizada, flexible y modular que incluye la implementación de las técnicas anteriores y se proporciona de forma pública. Su objetivo es ofrecer a desabolladores e investigadores un entorno común para prototipar y verificar nuevas metodologías de cuantificación de forma sencilla. Describimos el flujo de trabajo, justificamos las decisiones de diseño tomadas, explicamos su API pública y hacemos una demostración paso a paso de su funcionamiento. Además mostramos, a través de un ejemplo sencillo, la forma en que conectar nuevas extensiones a la herramienta con las interfaces ya existentes para poder así expandir y mejorar las capacidades de HOPLITE. ABSTRACT Using fixed-point arithmetic is one of the most common design choices for systems where area, power or throughput are heavily constrained. In order to produce implementations where the cost is minimized without negatively impacting the accuracy of the results, a careful assignment of word-lengths is required. The problem of finding the optimal combination of fixed-point word-lengths for a given system is a combinatorial NP-hard problem to which developers devote between 25 and 50% of the design-cycle time. Reconfigurable hardware platforms such as FPGAs also benefit of the advantages of fixed-point arithmetic, as it compensates for the slower clock frequencies and less efficient area utilization of the hardware platform with respect to ASICs. As FPGAs become commonly used for scientific computation, designs constantly grow larger and more complex, up to the point where they cannot be handled efficiently by current signal and quantization noise modelling and word-length optimization methodologies. In this Ph.D. Thesis we explore different aspects of the quantization problem and we present new methodologies for each of them: The techniques based on extensions of intervals have allowed to obtain accurate models of the signal and quantization noise propagation in systems with non-linear operations. We take this approach a step further by introducing elements of MultiElement Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) and combining them with an stateof- the-art Statistical Modified Affine Arithmetic (MAA) based methodology in order to model systems that contain control-flow structures. Our methodology produces the different execution paths automatically, determines the regions of the input domain that will exercise them, and extracts the system statistical moments from the partial results. We use this technique to estimate both the dynamic range and the round-off noise in systems with the aforementioned control-flow structures. We show the good accuracy of our approach, which in some case studies with non-linear operators shows a 0.04 % deviation respect to the simulation-based reference values. A known drawback of the techniques based on extensions of intervals is the combinatorial explosion of terms as the size of the targeted systems grows, which leads to scalability problems. To address this issue we present a clustered noise injection technique that groups the signals in the system, introduces the noise terms in each group independently and then combines the results at the end. In this way, the number of noise sources in the system at a given time is controlled and, because of this, the combinato rial explosion is minimized. We also present a multi-way partitioning algorithm aimed at minimizing the deviation of the results due to the loss of correlation between noise terms, in order to keep the results as accurate as possible. This Ph.D. Thesis also covers the development of methodologies for word-length optimization based on Monte-Carlo simulations in reasonable times. We do so by presenting two novel techniques that explore the reduction of the execution times approaching the problem in two different ways: First, the interpolative method applies a simple but precise interpolator to estimate the sensitivity of each signal, which is later used to guide the optimization effort. Second, the incremental method revolves on the fact that, although we strictly need to guarantee a certain confidence level in the simulations for the final results of the optimization process, we can do it with more relaxed levels, which in turn implies using a considerably smaller amount of samples, in the initial stages of the process, when we are still far from the optimized solution. Through these two approaches we demonstrate that the execution time of classical greedy techniques can be accelerated by factors of up to ×240 for small/medium sized problems. Finally, this book introduces HOPLITE, an automated, flexible and modular framework for quantization that includes the implementation of the previous techniques and is provided for public access. The aim is to offer a common ground for developers and researches for prototyping and verifying new techniques for system modelling and word-length optimization easily. We describe its work flow, justifying the taken design decisions, explain its public API and we do a step-by-step demonstration of its execution. We also show, through an example, the way new extensions to the flow should be connected to the existing interfaces in order to expand and improve the capabilities of HOPLITE.