Managing daily surgery schedules in a teaching hospital: a mixed-integer optimization approach

Background: This study examined the daily surgical scheduling problem in a teaching hospital. This problem relates to the use of multiple operating rooms and different types of surgeons in a typical surgical day with deterministic operation durations (preincision, incision, and postincision times). Teaching hospitals play a key role in the health-care system; however, existing models assume that the duration of surgery is independent of the surgeon's skills. This problem has not been properly addressed in other studies. We analyze the case of a Spanish public hospital, in which continuous pressures and budgeting reductions entail the more efficient use of resources. Methods: To obtain an optimal solution for this problem, we developed a mixed-integer programming model and user-friendly interface that facilitate the scheduling of planned operations for the following surgical day. We also implemented a simulation model to assist the evaluation of different dispatching policies for surgeries and surgeons. The typical aspects we took into account were the type of surgeon, potential overtime, idling time of surgeons, and the use of operating rooms. Results: It is necessary to consider the expertise of a given surgeon when formulating a schedule: such skill can decrease the probability of delays that could affect subsequent surgeries or cause cancellation of the final surgery. We obtained optimal solutions for a set of given instances, which we obtained through surgical information related to acceptable times collected from a Spanish public hospital. Conclusions: We developed a computer-aided framework with a user-friendly interface for use by a surgical manager that presents a 3-D simulation of the problem. Additionally, we obtained an efficient formulation for this complex problem. However, the spread of this kind of operation research in Spanish public health hospitals will take a long time since there is a lack of knowledge of the beneficial techniques and possibilities that operational research can offer for the health-care system.

Red Eléctrica de España uses integer programming for annual salary revisions

In this paper, we present a mixed-integer linear programming model for determining salary-revision matrices for an organization based on that organization?s general strategies. The solution obtained from this model consists of salary increases for each employee; these increases consider the employee?s professional performance, salary level relative to peers within the organization, and professional group. In addition to budget constraints, we modeled other elements typical of compensation systems, such as equity and justice. Red Eléctrica de España (REE), the transmission agent and operator of the Spanish electricity system, used the model to revise its 2010 and 2011 salary policies, and achieved results that were aligned with the company strategy. REE incorporated the model into the salary management module within its information system, and plans to continue to use the model in revisions of the module.

A management model for closed-loop supply chains of reusable articles

This PhD dissertation is framed in the emergent fields of Reverse Logistics and ClosedLoop Supply Chain (CLSC) management. This subarea of supply chain management has gained researchers and practitioners' attention over the last 15 years to become a fully recognized subdiscipline of the Operations Management field. More specifically, among all the activities that are included within the CLSC area, the focus of this dissertation is centered in direct reuse aspects. The main contribution of this dissertation to current knowledge is twofold. First, a framework for the so-called reuse CLSC is developed. This conceptual model is grounded in a set of six case studies conducted by the author in real industrial settings. The model has also been contrasted with existing literature and with academic and professional experts on the topic as well. The framework encompasses four building blocks. In the first block, a typology for reusable articles is put forward, distinguishing between Returnable Transport Items (RTI), Reusable Packaging Materials (RPM), and Reusable Products (RP). In the second block, the common characteristics that render reuse CLSC difficult to manage from a logistical standpoint are identified, namely: fleet shrinkage, significant investment and limited visibility. In the third block, the main problems arising in the management of reuse CLSC are analyzed, such as: (1) define fleet size dimension, (2) control cycle time and promote articles rotation, (3) control return rate and prevent shrinkage, (4) define purchase policies for new articles, (5) plan and control reconditioning activities, and (6) balance inventory between depots. Finally, in the fourth block some solutions to those issues are developed. Firstly, problems (2) and (3) are addressed through the comparative analysis of alternative strategies for controlling cycle time and return rate. Secondly, a methodology for calculating the required fleet size is elaborated (problem (1)). This methodology is valid for different configurations of the physical flows in the reuse CLSC. Likewise, some directions are pointed out for further development of a similar method for defining purchase policies for new articles (problem (4)). The second main contribution of this dissertation is embedded in the solutions part (block 4) of the conceptual framework and comprises a two-level decision problem integrating two mixed integer linear programming (MILP) models that have been formulated and solved to optimality using AIMMS as modeling language, CPLEX as solver and Excel spreadsheet for data introduction and output presentation. The results obtained are analyzed in order to measure in a client-supplier system the economic impact of two alternative control strategies (recovery policies) in the context of reuse. In addition, the models support decision-making regarding the selection of the appropriate recovery policy against the characteristics of demand pattern and the structure of the relevant costs in the system. The triangulation of methods used in this thesis has enabled to address the same research topic with different approaches and thus, the robustness of the results obtained is strengthened.

Contribution of re-regulation reservoirs considering pumping capability to environmentally friendly hydropower operation

Environmental constraints imposed on hydropoweroperation are usually given in the form of minimum environmental flows and maximum and minimum rates of change of flows, or ramp rates. One solution proposed to mitigate the environmental impact caused by the flows discharged by a hydropower plant while reducing the economic impact of the above-mentioned constraints consists in building a re-regulationreservoir, or afterbay, downstream of the power plant. Adding pumpingcapability between the re-regulationreservoir and the main one could contribute both to reducing the size of the re-regulationreservoir, with the consequent environmental improvement, and to improving the economic feasibility of the project, always fulfilling the environmental constraints imposed to hydropoweroperation. The objective of this paper is studying the contribution of a re-regulationreservoir to fulfilling the environmental constraints while reducing the economic impact of said constraints. For that purpose, a revenue-driven optimization model based on mixed integer linear programming is used. Additionally, the advantages of adding pumpingcapability are analysed. In order to illustrate the applicability of the methodology, a case study based on a real hydropower plant is presented

Modelo de gestión de un embalse en tiempo real durante avenidas basado en redes bayesianas entrenadas con el método de optimización PLEM

En la actualidad, la gestión de embalses para el control de avenidas se realiza, comúnmente, utilizando modelos de simulación. Esto se debe, principalmente, a su facilidad de uso en tiempo real por parte del operador de la presa. Se han desarrollado modelos de optimización de la gestión del embalse que, aunque mejoran los resultados de los modelos de simulación, su aplicación en tiempo real se hace muy difícil o simplemente inviable, pues está limitada al conocimiento de la avenida futura que entra al embalse antes de tomar la decisión de vertido. Por esta razón, se ha planteado el objetivo de desarrollar un modelo de gestión de embalses en avenidas que incorpore las ventajas de un modelo de optimización y que sea de fácil uso en tiempo real por parte del gestor de la presa. Para ello, se construyó un modelo de red Bayesiana que representa los procesos de la cuenca vertiente y del embalse y, que aprende de casos generados sintéticamente mediante un modelo hidrológico agregado y un modelo de optimización de la gestión del embalse. En una primera etapa, se generó un gran número de episodios sintéticos de avenida utilizando el método de Monte Carlo, para obtener las lluvias, y un modelo agregado compuesto de transformación lluvia- escorrentía, para obtener los hidrogramas de avenida. Posteriormente, se utilizaron las series obtenidas como señales de entrada al modelo de gestión de embalses PLEM, que optimiza una función objetivo de costes mediante programación lineal entera mixta, generando igual número de eventos óptimos de caudal vertido y de evolución de niveles en el embalse. Los episodios simulados fueron usados para entrenar y evaluar dos modelos de red Bayesiana, uno que pronostica el caudal de entrada al embalse, y otro que predice el caudal vertido, ambos en un horizonte de tiempo que va desde una a cinco horas, en intervalos de una hora. En el caso de la red Bayesiana hidrológica, el caudal de entrada que se elige es el promedio de la distribución de probabilidad de pronóstico. En el caso de la red Bayesiana hidráulica, debido al comportamiento marcadamente no lineal de este proceso y a que la red Bayesiana devuelve un rango de posibles valores de caudal vertido, se ha desarrollado una metodología para seleccionar un único valor, que facilite el trabajo del operador de la presa. Esta metodología consiste en probar diversas estrategias propuestas, que incluyen zonificaciones y alternativas de selección de un único valor de caudal vertido en cada zonificación, a un conjunto suficiente de episodios sintéticos. Los resultados de cada estrategia se compararon con el método MEV, seleccionándose las estrategias que mejoran los resultados del MEV, en cuanto al caudal máximo vertido y el nivel máximo alcanzado por el embalse, cualquiera de las cuales puede usarse por el operador de la presa en tiempo real para el embalse de estudio (Talave). La metodología propuesta podría aplicarse a cualquier embalse aislado y, de esta manera, obtener, para ese embalse particular, diversas estrategias que mejoran los resultados del MEV. Finalmente, a modo de ejemplo, se ha aplicado la metodología a una avenida sintética, obteniendo el caudal vertido y el nivel del embalse en cada intervalo de tiempo, y se ha aplicado el modelo MIGEL para obtener en cada instante la configuración de apertura de los órganos de desagüe que evacuarán el caudal. Currently, the dam operator for the management of dams uses simulation models during flood events, mainly due to its ease of use in real time. Some models have been developed to optimize the management of the reservoir to improve the results of simulation models. However, real-time application becomes very difficult or simply unworkable, because the decision to discharge depends on the unknown future avenue entering the reservoir. For this reason, the main goal is to develop a model of reservoir management at avenues that incorporates the advantages of an optimization model. At the same time, it should be easy to use in real-time by the dam manager. For this purpose, a Bayesian network model has been developed to represent the processes of the watershed and reservoir. This model learns from cases generated synthetically by a hydrological model and an optimization model for managing the reservoir. In a first stage, a large number of synthetic flood events was generated using the Monte Carlo method, for rain, and rain-added processing model composed of runoff for the flood hydrographs. Subsequently, the series obtained were used as input signals to the reservoir management model PLEM that optimizes a target cost function using mixed integer linear programming. As a result, many optimal discharge rate events and water levels in the reservoir levels were generated. The simulated events were used to train and test two models of Bayesian network. The first one predicts the flow into the reservoir, and the second predicts the discharge flow. They work in a time horizon ranging from one to five hours, in intervals of an hour. In the case of hydrological Bayesian network, the chosen inflow is the average of the probability distribution forecast. In the case of hydraulic Bayesian network the highly non-linear behavior of this process results on a range of possible values of discharge flow. A methodology to select a single value has been developed to facilitate the dam operator work. This methodology tests various strategies proposed. They include zoning and alternative selection of a single value in each discharge rate zoning from a sufficient set of synthetic episodes. The results of each strategy are compared with the MEV method. The strategies that improve the outcomes of MEV are selected and can be used by the dam operator in real time applied to the reservoir study case (Talave). The methodology could be applied to any single reservoir and, thus, obtain, for the particular reservoir, various strategies that improve results from MEV. Finally, the methodology has been applied to a synthetic flood, obtaining the discharge flow and the reservoir level in each time interval. The open configuration floodgates to evacuate the flow at each interval have been obtained applying the MIGEL model.

Herramientas de gestión de compromiso para trabajadores del conocimiento

El objetivo de la línea de investigación seguida en esta tesis consiste en identificar palancas de gestión de las personas en las organizaciones que permitan mejorar su rendimiento mediante la gestión del compromiso de los profesionales de las organizaciones inmersas en la denominada sociedad del conocimiento. Para identificar dichas palancas se analizan algunos de los factores que, según la literatura científica, tienen como consecuencia cambios en la productividad, como son el compromiso organizacional y las conductas cívicas dentro de la organización. También, por su actualidad y relevancia en las prácticas de gestión de recursos humanos, se han analizado el impacto que tienen en estos factores en las prácticas empresariales que permiten conciliar vida profesional y personal el efecto del género en las distintas variables analizadas. Por todo lo anterior, en la investigación se analizan algunos de los factores de carácter psicosocial que promueven el compromiso en una organización, y se profundiza en dos conceptos: el análisis del compromiso de los profesionales con la organización para la que trabajan, y los comportamientos de ciudadanía organizativa que se exhiben en la organización por sus miembros. Para ello, se realiza un encuadramiento teórico de los siguientes conceptos: el compromiso como eje del trabajo; la ciudadanía organizativa como modelo cultural de la organización que promueve el compromiso; el rol de los líderes; los efectos de las políticas de conciliación; las diferencias de percepciones derivadas del género y un sistema de revisión de retributiva eficiente y coherente con el marco conceptual planteado. La metodología seleccionada para este trabajo ha sido el análisis en profundidad del caso de una empresa española, Red Eléctrica de España a través de tres pilares básicos: el primero consiste en el análisis exhaustivo de los datos obtenidos en las dos encuestas de clima social que dicha empresa realizó en el período 2006-2009; el segundo se centra en el desarrollo de un modelo matemático para el cálculo eficiente de recompensas salariales a través de un modelo de optimización; y el tercero es la consecuencia del conocimiento profundo que el autor tiene de la propia empresa, su cultura y funcionamiento, fruto de su experiencia profesional como directivo en el área de desarrollo de recursos humanos, función que desempeñó en la organización durante nueve años. En el análisis de este caso se ha investigado la influencia del género en el compromiso y la ciudadanía organizativa de los empleados de dicha organización, para identificar las diferencias de percepción que puedan ser explicadas por el género en una empresa muy masculina como es aquella. También, se ha incluido en este estudio de caso el análisis del efecto que presentan las medidas de conciliación en el compromiso de los empleados, por la relevancia que tiene este asunto en el panorama laboral español actual. Este análisis permite conocer hasta qué punto son o no motivadoras estas medidas en la organización analizada y, como consecuencia de ello, el tipo de gestión más oportuna de las mismas para conseguir no sólo los fines sociales que pretenden, garantizar que los empleados puedan compatibilizar sus exigencias laborales con una vida personal adecuada, sino también mejorar el clima, productividad y compromiso de éstos con la empresa. Para completar este análisis del caso, se han identificado de forma analítica los factores que mejor explican el clima de la organización y se ha concluido el papel central de la dirección que se concreta en la actuación de cada jefe, como motor del clima social en el equipo que dirige. Dado que la tesis pivota sobre el papel relevante que tiene la generación de una cultura de ciudadanía organizativa, se ha complementado el análisis con el desarrollo una herramienta de cálculo que facilita la determinación de los incrementos de la retribución fija de acuerdo con los principios de transparencia, equidad y justicia acordes con el modelo de empresa que promueve la virtud cívica de las personas empleadas en ella. Para ello se ha desarrollado un nuevo método de cálculo del incremento de retribución fija mediante un modelo analítico innovador y compacto de programación lineal entera mixta. Este modelo permite a las organizaciones realizar diseños de política retributiva de forma sencilla y rápida, a la vez que facilita la transparencia de las mismas en el proceso de gestión de la compensación. No se ha abordado el asunto de la determinación de la retribución variable, por ser un asunto relativamente menos complejo y profusamente tratado en la práctica directiva de las empresas. La primera de las conclusiones de la investigación realizada se refiere a los aspectos de la cultura organizativa que pueden identificarse como motores del compromiso. Se concluye que en el caso de estudio hay una fuerte relación mutua entre los rasgos que definen el compromiso emocional y los rasgos que determinan un comportamiento caracterizado como de ciudadanía organizativa. Se ha encontrado una correlación significativa y alta entre indicadores de compromiso y factores que recogen comportamientos de ciudadanía organizativa, correlación muy notable tanto para los factores de compromiso racional como para los de compromiso emocional. También se ha evidenciado que la correlación entre compromiso emocional y rasgos de comportamientos de ciudadanía organizacional es mayor que la que aparece entre compromiso racional y rasgos de comportamientos de ciudadanía organizacional. Desde el punto de vista de la práctica de gestión de recursos humanos, estas relaciones indican la conveniencia de promover una cultura organizacional basada en los principios de la ciudadanía organizativa para alcanzar altos niveles de compromiso emocional de los profesionales y mejorar la eficiencia organizativa. La segunda de las conclusiones se refiere al efecto de las políticas de conciliación en las organizaciones. Sobre este asunto se concluye que en el caso de estudio no puede considerarse que las medidas de conciliación tengan una fuerte relación con el compromiso emocional, y menos que puedan considerarse directamente una herramienta de generación de compromiso emocional. Sin embargo, sí que se detecta una cierta relación entre las percepciones de conciliación y de compromiso con la organización, y sobre todo, con el compromiso racional con la organización, que puede tener que ver con que para los empleados de la organización analizada, las medidas de conciliación son consideradas como una parte más de las condiciones laborales que ofrece la organización a los trabajadores. La tercera conclusión se refiere a la relación entre el género de los trabajadores y su nivel de compromiso y de ciudadanía organizativa. En el caso de estudio no se identifica una relación entre el género y el nivel de compromiso de los profesionales ni tampoco con la percepción de ciudadanía organizativa, variando la situación del período 2006 al período 2009. La cuarta conclusión se refiere al impacto que la actuación de los líderes (jefes) tiene en el clima social. En el caso de estudio, la actuación de los directivos y el nivel de compromiso que genera en los profesionales explica por sí sola más de un tercio de la varianza del clima organizativo, entendido como tal el que refleja el conjunto global de preguntas que constituyen la encuesta de clima del caso de estudio. Del análisis realizado se concluye que en el caso de estudio la percepción que los empleados tienen de sus jefes tiene un efecto relevante sobre el resto de percepciones de compromiso, ciudadanía organizativa y otros factores que conforman el clima social de la organización. La quinta y última conclusión supone la aportación de un modelo novedoso de cálculo de la recompensa económica coherente con un modelo de gestión empresarial mediante una cultura de ciudadanía organizativa. La solución que obtiene este modelo es el incremento salarial individual de cada profesional, que tiene en cuenta su rendimiento, posicionamiento salarial y encuadramiento profesional. Además de las restricciones presupuestarias, se consideran los principios de transparencia, equidad y justicia coherentes con el modelo conceptual planteado. La principal contribución de este trabajo es la formulación matemática de los criterios cualitativos que se emplean habitualmente en el proceso de revisión salarial. El método planteado supone una innovación que permite automatizar la metodología tradicional de gestión de incrementos salariales basados en matrices de incremento, así como evitar la aplicación de limitaciones en las valoraciones de desempeño derivadas de las restricciones presupuestarias que toda organización tiene. De esta manera se puede disponer de un mecanismo de revisión salarial que tiene en cuenta el desempeño de los profesionales, pero que permite la gestión “desacoplada” de la evaluación de rendimiento y la actualización de la retribución fija. ABSTRACT The aim of the research pursued in this thesis is to identify some human resources management levers in organizations to improve their performance through individual’s commitment management, focusing in organizations immersed in the so-called knowledge society. In order to find out these levers, the author analysed some of the psychosocial factors that promote engagement to the organizations and, according to the scientific literature, have effects in their productivity. These factors analysed are organisational commitment and citizenship behaviours. Additionally, the investigation also focuses on work-life balance policies and gender considerations, because of their relevance and topicality for the human resources’ policies. In the light of this, the investigation focuses on some of the psychosocial factors that promote organisational commitment, and delves into two concepts: the analysis of the commitment of professionals to the organization for which they work, and the organizational citizenship behaviours exhibited in the organization by its members. For this, a theoretical framework is performed for the following items: the professional’s commitment which is the pillar of this work; the organisational citizenship as a cultural model to promote that commitment; the role of the leaders; the effects of the work-life balance policies; the different perceptions of the professionals because of their gender; and an efficient salary review system, which is coherent with the conceptual framework set. The methodology selected for this work was the analysis in depth of the case of a Spanish company, Red Eléctrica de España, through three basic subjects: the first consists of a thorough analysis of the data obtained in the two work climate surveys made by this company in 2006 and 2009; the second focuses on the development of a mathematical model for calculating efficient salary reviews through an optimization model; and the third is the result of the author’s deep understanding of the company, its culture and its performance because of his professional experience as a manager in the area of human resource development, which was his role in the organization for nine years. The author investigated in the analysis of this case about the influence of gender on the employees’ organizational commitment and citizenship behaviours, in order to find out perception differences that can be explained by the highly masculine organisational culture such Red Eléctrica de España had during the studied period. Additionally, because of the importance of the work-life balance promotion in the Spanish labour scene, the case study analysis includes their effect in the employees’ commitment. This analysis allows to know motivating are these measures in the studied organization and, as a result, the most appropriate type of management thereof for social purposes, not only intended to ensure that employees can balance their work and personal demands, but also improving the work climate, the productivity and the organisational commitment. The investigation identifies the factors which best explain the work climate of the organization and concludes the central role of the leadership, embodied in the performance of every manager, to boost the work climate in their teams. Since this thesis pivots on the important role the generation of a culture of organizational citizenship has, the investigation has been complemented with the development of a analytic tool that facilitates the calculation of the salary review increments according to the principles of transparency, equity and justice in line with a work culture that promotes organisational citizenship behaviours. For this, this works develops a new method for calculating fixed salary increases through an innovative and compact mixed integer linear programming model. This model enables organizations to design compensation policies easily and quickly, and facilitates the transparency of the compensation management system. The method for determining variable remuneration has not been addressed because it is relatively less complex issue and widely discussed. The first conclusion of the conducted investigation concerns aspects of organizational culture that could be identified as commitment drivers. In the case study exists a strong and mutual relationship between the characteristics defining the emotional commitment and the organisational citizenship behaviours. The investigation has found out a meaningful and high correlation between indicators of commitment and the factors collecting organizational citizenship behaviour. This correlation with organisational citizenship is remarkable for both, rational and emotional, commitment. The correlation between organizational citizenship behaviours and emotional commitment and is greater than the one with rational commitment. From the practitioner point of view, these relationships show the importance of promoting an organizational culture based on the principles of organizational citizenship to achieve high levels of emotional engagement of professionals and improve organizational efficiency. The second conclusion relates to the effect of work-life balance policies in organizations. On this matter, the investigation concludes that for the case study, work-life balance measures do not have a strong relationship with the emotional commitment, and unless they can be usually considered as a tool to improve employees’ emotional commitment. However, a certain relationship between perceptions of work-life facilities and organisational commitment exists, especially with the rational commitment to the organization. This relationship appears because for employees of the analysed organization, work-life balance measures could be considered as a part of working conditions offered to them by the organization. The third conclusion concerns the relationship between the gender of workers and their level of commitment and organizational citizenship. In this case study, there is not any relationship between gender and the professional’s commitment level nor the perception of organizational citizenship; and the situation varies during the period studied. The fourth conclusion refers to the impact that the actions of the leaders have on the work climate. In the case study, the performance of management and the level of commitment generated, explains more than a third of the variance of work climate - understood as such reflecting the overall set of questions that constitute the work climate survey -. The analysis concludes that in the case study perception that employees have of their leaders has a significant effect on the rest of perceptions of commitment, organizational citizenship and other factors making the work climate of the organization. The fifth and last conclusion represents the contribution of a new model for calculating the salary increment, coherent with a corporate citizenship management culture. The solution obtained from this model consists of salary increases for each employee; these increases consider the employee’s professional performance, salary level relative to peers within the organization, and professional group. In addition to budget constraints, we modelled other elements typical of compensation systems, such as equity and justice. The major contribution of this work is the mathematical formulation of the criteria that are typically the basis for salary management. The compact formulation and the ease of obtaining the optimal solution facilitate its use in large companies that maintain very high levels of homogeneity across employees. Designing different strategies for specific groups within a company is also possible. A major benefit of this method is that it allows a company to independently manage its salary and assessment policies. Because obtaining salary-revision matrices without using the mathematical model we present in this paper is typically done iteratively by tuning previously defined matrices, managers commonly tune values for assessing employee performance to ensure that salary increases and performance assessments are consistent; however, this distorts the evaluation process and decreases employee motivation. In this MILP model, employee performance is only one parameter of several input parameters used in designing a salary policy that is independent of the results of performance-assessment values.

Optimización de operaciones unitarias utilizando líquidos iónicos como agentes materiales de separación

En este trabajo se estudia la modelización y optimización de procesos industriales de separación mediante el empleo de mezclas de líquidos iónicos como disolventes. Los disolventes habitualmente empleados en procesos de absorción o extracción suelen ser componentes orgánicos muy volátiles y dañinos para la salud humana. Las innovadoras propiedades que presentan los líquidos iónicos, los convierten en alternativas adecuadas para solucionar estos problemas. La presión de vapor de estos compuestos es muy baja y apenas varía con la temperatura. Por tanto, estos compuestos apenas se evaporan incluso a temperaturas altas. Esto supone una gran ventaja en cuanto al empleo de estos compuestos como disolventes industriales ya que permite el reciclaje continuo del disolvente al final del proceso sin necesidad de introducir disolvente fresco debido a la evaporación del mismo. Además, al no evaporarse, estos compuestos no suponen un peligro para la salud humana por inhalación; al contrario que otros disolventes como el benceno. El único peligro para la salud que tienen estos compuestos es por tanto el de contacto directo o ingesta, aunque de hecho muchos Líquidos Iónicos son inocuos con lo cual no existe peligro para la salud ni siquiera a través de estas vías. Los procesos de separación estudiados en este trabajo, se rigen por la termodinámica de fases, concretamente el equilibrio líquido-vapor. Para la predicción de los equilibrios se ha optado por el empleo de modelos COSMO (COnductor-like Screening MOdel). Estos modelos tienen su origen en el empleo de la termodinámica de solvatación y en la mecánica cuántica. En el desarrollo de procesos y productos, químicos e ingenieros frecuentemente precisan de la realización de cálculos de predicción de equilibrios de fase. Previamente al desarrollo de los modelos COSMO, se usaban métodos de contribución de grupos como UNIFAC o modelos de coeficientes de actividad como NRTL.La desventaja de estos métodos, es que requieren parámetros de interacción binaria que únicamente pueden obtenerse mediante ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a esto, estos métodos apenas tienen aplicabilidad para compuestos con grupos funcionales novedosos debido a que no se dispone de datos experimentales para llevar a cabo los ajustes por regresión correspondientes. Una alternativa a estos métodos, es el empleo de modelos de solvatación basados en la química cuántica para caracterizar las interacciones moleculares y tener en cuenta la no idealidad de la fase líquida. Los modelos COSMO, permiten la predicción de equilibrios sin la necesidad de ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a la falta de resultados experimentales de equilibrios líquido-vapor de mezclas en las que se ven involucrados los líquidos iónicos, el empleo de modelos COSMO es una buena alternativa para la predicción de equilibrios de mezclas con este tipo de materiales. Los modelos COSMO emplean las distribuciones superficiales de carga polarizada (sigma profiles) de los compuestos involucrados en la mezcla estudiada para la predicción de los coeficientes de actividad de la misma, definiéndose el sigma profile de una molécula como la distribución de probabilidad de densidad de carga superficial de dicha molécula. Dos de estos modelos son COSMO-RS (Realistic Solvation) y COSMO-SAC (Segment Activity Coefficient). El modelo COSMO-RS fue la primera extensión de los modelos de solvatación basados en continuos dieléctricos a la termodinámica de fases líquidas mientras que el modelo COSMO-SAC es una variación de este modelo, tal y como se explicará posteriormente. Concretamente en este trabajo se ha empleado el modelo COSMO-SAC para el cálculo de los coeficientes de actividad de las mezclas estudiadas. Los sigma profiles de los líquidos iónicos se han obtenido mediante el empleo del software de química computacional Turbomole y el paquete químico-cuántico COSMOtherm. El software Turbomole permite optimizar la geometría de la molécula para hallar la configuración más estable mientras que el paquete COSMOtherm permite la obtención del perfil sigma del compuesto mediante el empleo de los datos proporcionados por Turbomole. Por otra parte, los sigma profiles del resto de componentes se han obtenido de la base de datos Virginia Tech-2005 Sigma Profile Database. Para la predicción del equilibrio a partir de los coeficientes de actividad se ha empleado la Ley de Raoult modificada. Se ha supuesto por tanto que la fracción de cada componente en el vapor es proporcional a la fracción del mismo componente en el líquido, dónde la constante de proporcionalidad es el coeficiente de actividad del componente en la mezcla multiplicado por la presión de vapor del componente y dividido por la presión del sistema. Las presiones de vapor de los componentes se han obtenido aplicando la Ley de Antoine. Esta ecuación describe la relación entre la temperatura y la presión de vapor y se deduce a partir de la ecuación de Clausius-Clapeyron. Todos estos datos se han empleado para la modelización de una separación flash usando el algoritmo de Rachford-Rice. El valor de este modelo reside en la deducción de una función que relaciona las constantes de equilibrio, composición total y fracción de vapor. Para llevar a cabo la implementación del modelado matemático descrito, se ha programado un código empleando el software MATLAB de análisis numérico. Para comprobar la fiabilidad del código programado, se compararon los resultados obtenidos en la predicción de equilibrios de mezclas mediante el código con los resultados obtenidos mediante el simulador ASPEN PLUS de procesos químicos. Debido a la falta de datos relativos a líquidos iónicos en la base de datos de ASPEN PLUS, se han introducido estos componentes como pseudocomponentes, de manera que se han introducido únicamente los datos necesarios de estos componentes para realizar las simulaciones. El modelo COSMO-SAC se encuentra implementado en ASPEN PLUS, de manera que introduciendo los sigma profiles, los volúmenes de la cavidad y las presiones de vapor de los líquidos iónicos, es posible predecir equilibrios líquido-vapor en los que se ven implicados este tipo de materiales. De esta manera pueden compararse los resultados obtenidos con ASPEN PLUS y como el código programado en MATLAB y comprobar la fiabilidad del mismo. El objetivo principal del presente Trabajo Fin de Máster es la optimización de mezclas multicomponente de líquidos iónicos para maximizar la eficiencia de procesos de separación y minimizar los costes de los mismos. La estructura de este problema es la de un problema de optimización no lineal con variables discretas y continuas, es decir, un problema de optimización MINLP (Mixed Integer Non-Linear Programming). Tal y como se verá posteriormente, el modelo matemático de este problema es no lineal. Por otra parte, las variables del mismo son tanto continuas como binarias. Las variables continuas se corresponden con las fracciones molares de los líquidos iónicos presentes en las mezclas y con el caudal de la mezcla de líquidos iónicos. Por otra parte, también se ha introducido un número de variables binarias igual al número de líquidos iónicos presentes en la mezcla. Cada una de estas variables multiplican a las fracciones molares de sus correspondientes líquidos iónicos, de manera que cuando dicha variable es igual a 1, el líquido se encuentra en la mezcla mientras que cuando dicha variable es igual a 0, el líquido iónico no se encuentra presente en dicha mezcla. El empleo de este tipo de variables obliga por tanto a emplear algoritmos para la resolución de problemas de optimización MINLP ya que si todas las variables fueran continuas, bastaría con el empleo de algoritmos para la resolución de problemas de optimización NLP (Non-Linear Programming). Se han probado por tanto diversos algoritmos presentes en el paquete OPTI Toolbox de MATLAB para comprobar cuál es el más adecuado para abordar este problema. Finalmente, una vez validado el código programado, se han optimizado diversas mezclas de líquidos iónicos para lograr la máxima recuperación de compuestos aromáticos en un proceso de absorción de mezclas orgánicas. También se ha usado este código para la minimización del coste correspondiente a la compra de los líquidos iónicos de la mezcla de disolventes empleada en la operación de absorción. En este caso ha sido necesaria la introducción de restricciones relativas a la recuperación de aromáticos en la fase líquida o a la pureza de la mezcla obtenida una vez separada la mezcla de líquidos iónicos. Se han modelizado los dos problemas descritos previamente (maximización de la recuperación de Benceno y minimización del coste de operación) empleando tanto únicamente variables continuas (correspondientes a las fracciones o cantidades molares de los líquidos iónicos) como variables continuas y binarias (correspondientes a cada uno de los líquidos iónicos implicados en las mezclas).

Applications of Formal Languages to Management of Manned and Unmanned Aircraft

En el futuro, la gestión del tráfico aéreo (ATM, del inglés air traffic management) requerirá un cambio de paradigma, de la gestión principalmente táctica de hoy, a las denominadas operaciones basadas en trayectoria. Un incremento en el nivel de automatización liberará al personal de ATM —controladores, tripulación, etc.— de muchas de las tareas que realizan hoy. Las personas seguirán siendo el elemento central en la gestión del tráfico aéreo del futuro, pero lo serán mediante la gestión y toma de decisiones. Se espera que estas dos mejoras traigan un incremento en la eficiencia de la gestión del tráfico aéreo que permita hacer frente al incremento previsto en la demanda de transporte aéreo. Para aplicar el concepto de operaciones basadas en trayectoria, el usuario del espacio aéreo (la aerolínea, piloto, u operador) y el proveedor del servicio de navegación aérea deben negociar las trayectorias mediante un proceso de toma de decisiones colaborativo. En esta negociación, es necesaria una forma adecuada de compartir dichas trayectorias. Compartir la trayectoria completa requeriría un gran ancho de banda, y la trayectoria compartida podría invalidarse si cambiase la predicción meteorológica. En su lugar, podría compartirse una descripción de la trayectoria independiente de las condiciones meteorológicas, de manera que la trayectoria real se pudiese calcular a partir de dicha descripción. Esta descripción de la trayectoria debería ser fácil de procesar usando un programa de ordenador —ya que parte del proceso de toma de decisiones estará automatizado—, pero también fácil de entender para un operador humano —que será el que supervise el proceso y tome las decisiones oportunas—. Esta tesis presenta una serie de lenguajes formales que pueden usarse para este propósito. Estos lenguajes proporcionan los medios para describir trayectorias de aviones durante todas las fases de vuelo, desde la maniobra de push-back (remolcado hasta la calle de rodaje), hasta la llegada a la terminal del aeropuerto de destino. También permiten describir trayectorias tanto de aeronaves tripuladas como no tripuladas, incluyendo aviones de ala fija y cuadricópteros. Algunos de estos lenguajes están estrechamente relacionados entre sí, y organizados en una jerarquía. Uno de los lenguajes fundamentales de esta jerarquía, llamado aircraft intent description language (AIDL), ya había sido desarrollado con anterioridad a esta tesis. Este lenguaje fue derivado de las ecuaciones del movimiento de los aviones de ala fija, y puede utilizarse para describir sin ambigüedad trayectorias de este tipo de aeronaves. Una variante de este lenguaje, denominada quadrotor AIDL (QR-AIDL), ha sido desarrollada en esta tesis para permitir describir trayectorias de cuadricópteros con el mismo nivel de detalle. Seguidamente, otro lenguaje, denominado intent composite description language (ICDL), se apoya en los dos lenguajes anteriores, ofreciendo más flexibilidad para describir algunas partes de la trayectoria y dejar otras sin especificar. El ICDL se usa para proporcionar descripciones genéricas de maniobras comunes, que después se particularizan y combinan para formar descripciones complejas de un vuelo. Otro lenguaje puede construirse a partir del ICDL, denominado flight intent description language (FIDL). El FIDL especifica requisitos de alto nivel sobre las trayectorias —incluyendo restricciones y objetivos—, pero puede utilizar características del ICDL para proporcionar niveles de detalle arbitrarios en las distintas partes de un vuelo. Tanto el ICDL como el FIDL han sido desarrollados en colaboración con Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). También se ha desarrollado un lenguaje para definir misiones en las que interactúan varias aeronaves, el mission intent description language (MIDL). Este lenguaje se basa en el FIDL y mantiene todo su poder expresivo, a la vez que proporciona nuevas semánticas para describir tareas, restricciones y objetivos relacionados con la misión. En ATM, los movimientos de un avión en la superficie de aeropuerto también tienen que ser monitorizados y gestionados. Otro lenguaje formal ha sido diseñado con este propósito, llamado surface movement description language (SMDL). Este lenguaje no pertenece a la jerarquía de lenguajes descrita en el párrafo anterior, y se basa en las clearances (autorizaciones del controlador) utilizadas durante las operaciones en superficie de aeropuerto. También proporciona medios para expresar incertidumbre y posibilidad de cambios en las distintas partes de la trayectoria. Finalmente, esta tesis explora las aplicaciones de estos lenguajes a la predicción de trayectorias y a la planificación de misiones. El concepto de trajectory language processing engine (TLPE) se usa en ambas aplicaciones. Un TLPE es una función de ATM cuya principal entrada y salida se expresan en cualquiera de los lenguajes incluidos en la jerarquía descrita en esta tesis. El proceso de predicción de trayectorias puede definirse como una combinación de TLPEs, cada uno de los cuales realiza una pequeña sub-tarea. Se le ha dado especial importancia a uno de estos TLPEs, que se encarga de generar el perfil horizontal, vertical y de configuración de la trayectoria. En particular, esta tesis presenta un método novedoso para la generación del perfil vertical. El proceso de planificar una misión también se puede ver como un TLPE donde la entrada se expresa en MIDL y la salida consiste en cierto número de trayectorias —una por cada aeronave disponible— descritas utilizando FIDL. Se ha formulado este problema utilizando programación entera mixta. Además, dado que encontrar caminos óptimos entre distintos puntos es un problema fundamental en la planificación de misiones, también se propone un algoritmo de búsqueda de caminos. Este algoritmo permite calcular rápidamente caminos cuasi-óptimos que esquivan todos los obstáculos en un entorno urbano. Los diferentes lenguajes formales definidos en esta tesis pueden utilizarse como una especificación estándar para la difusión de información entre distintos actores de la gestión del tráfico aéreo. En conjunto, estos lenguajes permiten describir trayectorias con el nivel de detalle necesario en cada aplicación, y se pueden utilizar para aumentar el nivel de automatización explotando esta información utilizando sistemas de soporte a la toma de decisiones. La aplicación de estos lenguajes a algunas funciones básicas de estos sistemas, como la predicción de trayectorias, han sido analizadas. ABSTRACT Future air traffic management (ATM) will require a paradigm shift from today’s mainly tactical ATM to trajectory-based operations (TBOs). An increase in the level of automation will also relieve humans —air traffic control officers (ATCOs), flight crew, etc.— from many of the tasks they perform today. Humans will still be central in this future ATM, as decision-makers and managers. These two improvements (TBOs and increased automation) are expected to provide the increase in ATM performance that will allow coping with the expected increase in air transport demand. Under TBOs, trajectories are negotiated between the airspace user (an airline, pilot, or operator) and the air navigation service provider (ANSP) using a collaborative decision making (CDM) process. A suitable method for sharing aircraft trajectories is necessary for this negotiation. Sharing a whole trajectory would require a high amount of bandwidth, and the shared trajectory might become invalid if the weather forecast changed. Instead, a description of the trajectory, decoupled from the weather conditions, could be shared, so that the actual trajectory could be computed from this trajectory description. This trajectory description should be easy to process using a computing program —as some of the CDM processes will be automated— but also easy to understand for a human operator —who will be supervising the process and making decisions. This thesis presents a series of formal languages that can be used for this purpose. These languages provide the means to describe aircraft trajectories during all phases of flight, from push back to arrival at the gate. They can also describe trajectories of both manned and unmanned aircraft, including fixedwing and some rotary-wing aircraft (quadrotors). Some of these languages are tightly interrelated and organized in a language hierarchy. One of the key languages in this hierarchy, the aircraft intent description language (AIDL), had already been developed prior to this thesis. This language was derived from the equations of motion of fixed-wing aircraft, and can provide an unambiguous description of fixed-wing aircraft trajectories. A variant of this language, the quadrotor AIDL (QR-AIDL), is developed in this thesis to allow describing a quadrotor aircraft trajectory with the same level of detail. Then, the intent composite description language (ICDL) is built on top of these two languages, providing more flexibility to describe some parts of the trajectory while leaving others unspecified. The ICDL is used to provide generic descriptions of common aircraft manoeuvres, which can be particularized and combined to form complex descriptions of flight. Another language is built on top of the ICDL, the flight intent description language (FIDL). The FIDL specifies high-level requirements on trajectories —including constraints and objectives—, but can use features of the ICDL to provide arbitrary levels of detail in different parts of the flight. The ICDL and FIDL have been developed in collaboration with Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). Also, the mission intent description language (MIDL) has been developed to allow describing missions involving multiple aircraft. This language is based on the FIDL and keeps all its expressive power, while it also provides new semantics for describing mission tasks, mission objectives, and constraints involving several aircraft. In ATM, the movement of aircraft while on the airport surface also has to be monitored and managed. Another formal language has been designed for this purpose, denoted surface movement description language (SMDL). This language does not belong to the language hierarchy described above, and it is based on the clearances used in airport surface operations. Means to express uncertainty and mutability of different parts of the trajectory are also provided. Finally, the applications of these languages to trajectory prediction and mission planning are explored in this thesis. The concept of trajectory language processing engine (TLPE) is used in these two applications. A TLPE is an ATM function whose main input and output are expressed in any of the languages in the hierarchy described in this thesis. A modular trajectory predictor is defined as a combination of multiple TLPEs, each of them performing a small subtask. Special attention is given to the TLPE that builds the horizontal, vertical, and configuration profiles of the trajectory. In particular, a novel method for the generation of the vertical profile is presented. The process of planning a mission can also be seen as a TLPE, where the main input is expressed in the MIDL and the output consists of a number of trajectory descriptions —one for each aircraft available in the mission— expressed in the FIDL. A mixed integer linear programming (MILP) formulation for the problem of assigning mission tasks to the available aircraft is provided. In addition, since finding optimal paths between locations is a key problem to mission planning, a novel path finding algorithm is presented. This algorithm can compute near-shortest paths avoiding all obstacles in an urban environment in very short times. The several formal languages described in this thesis can serve as a standard specification to share trajectory information among different actors in ATM. In combination, these languages can describe trajectories with the necessary level of detail for any application, and can be used to increase automation by exploiting this information using decision support tools (DSTs). Their applications to some basic functions of DSTs, such as trajectory prediction, have been analized.

Train scheduling and rolling stock assignment in high speed trains

The Train Timetabling Problem (TTP) has been widely studied for freight and passenger rail systems. A lesser effort has been devoted to the study of high-speed rail systems. A modeling issue that has to be addressed is to model departure time choice of passengers on railway services. Passengers who use these systems attempt to travel at predetermined hours due to their daily life necessities (e.g., commuter trips). We incorporate all these features into TTP focusing on high-speed railway systems. We propose a Rail Scheduling and Rolling Stock (RSch-RS) model for timetable planning of high-speed railway systems. This model is composed of two essential elements: i) an infrastructure model for representing the railway network: it includes capacity constraints of the rail network and the Rolling-Stock constraints; and ii) a demand model that defines how the passengers choose the departure time. The resulting model is a mixed-integer programming model which objective function attempts to maximize the profit for the rail operator

Mixed Elements in the Boundary Theory

The development of (static and dynamics)programs with constant and linear elements has shown good behaviour. It seems so natural to combine both advantages so that the results will not be affected by local distortions. This paper will be dedicated to presenting the reserch of mixed elements and the way to solve the over-determination that appears in some cases. Although all the study has been done with the potential theory, its application to elastic problems is straightforward.

A subgrid viscosity Lagrance-Galerkin method for convection-diffusion problems

We present and analyze a subgrid viscosity Lagrange-Galerk in method that combines the subgrid eddy viscosity method proposed in W. Layton, A connection between subgrid scale eddy viscosity and mixed methods. Appl. Math. Comp., 133: 14 7-157, 2002, and a conventional Lagrange-Galerkin method in the framework of P1⊕ cubic bubble finite elements. This results in an efficient and easy to implement stabilized method for convection dominated convection diffusion reaction problems. Numerical experiments support the numerical analysis results and show that the new method is more accurate than the conventional Lagrange-Galerkin one.