Energy Management Module for Mobile Robots in Hostile Environments

In hostile environments at CERN and other similar scientific facilities, having a reliable mobile robot system is essential for successful execution of robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy. Because of environmental constraints, such mobile robots are usually battery-powered and hence energy management and optimization is one of the key challenges in this field. The ability to know beforehand the energy consumed by various elements of the robot (such as locomotion, sensors, controllers, computers and communication) will allow flexibility in planning or managing the tasks to be performed by the robot.

Experimental results on multicarrier MIMO HF communications

Achieving reliable communication over HF channels is known to be challenging due to the particularly hostile propagation medium. To address this problem, diversity techniques were shown to be promising. In this paper, we demonstrate through experimental results the benefits of different diversity strategies when applied to multi-input-multi-output (MIMO) multicarrier systems. The performance gains of polarisation, space and frequency diversities are quantified using different measurement campaigns

Clones Identification and Genetic Characterization of Garnacha Grapevine by Means of Different PCR-Derived Marker Systems

This study uses PCR-derived marker systems to investigate the extent and distribution of genetic variability of 53 Garnacha accessions coming from Italy, France and Spain. The samples studied include 28 Italian accessions (named Tocai rosso in Vicenza area; Alicante in Sicily and Elba island; Gamay perugino in Perugia province; Cannonau in Sardinia), 19 Spanish accessions of different types (named Garnacha tinta, Garnacha blanca, Garnacha peluda, Garnacha roja, Garnacha erguida, Garnacha roya) and 6 French accessions (named Grenache and Grenache noir). In order to verify the varietal identity of the samples, analyses based on 14 simple sequence repeat (SSR) loci were performed. The presence of an additional allele at ISV3 locus (151 bp) was found in four Tocai rosso accessions and in a Sardinian Cannonau clone, that are, incidentally, chimeras. In addition to microsatellite analysis, intravarietal variability study was performed using AFLP, SAMPL and M-AFLP molecular markers. AFLPs could discriminate among several Garnacha samples; SAMPLs allowed distinguishing few genotypes on the basis of their geographic origin, whereas M-AFLPs revealed plant-specific markers, differentiating all accessions. Italian samples showed the greatest variability among themselves, especially on the basis of their different provenance, while Spanish samples were the most similar, in spite of their morphological diversity.

Pinos y arte : ensayo de contextualización en la naturaleza desde el Paleolítico a Roma

Al ser la naturaleza objeto de representación artística por el hombre, campos tan diversos como el arte y la ciencia forestal pueden compartir sus orígenes. Los pinos son un género botánico repartido por la cuenca mediterránea capaces de suscitar emociones al haber sido sujetos de lo que fue una innovación cultural. Se propone que los pinos pudieron ser objeto de las primeras representaciones artísticas de los antiguos pobladores de la Península Ibérica. La metodología en la selección de resultados se basa en patrones morfológicos: patrón 1 (plántulas de pino en sus primeras etapas de crecimiento), patrón 2 (dibujos asimilables a ramas de pino) y patrón 3 (dibujos de pinos de gran porte). La presentación de los resultados se estructura en: parte I (referente a las representaciones artísticas estimadas como de pinos en la prehistoria, diferenciando el arte paleolítico del post-paleolítico), parte II (contempla los resultados encontrados en el repertorio iconográfico del arte Íbero y Celtíbero) y parte III (presenta una selección de resultados del arte romano en Hispania). Las diferentes etapas artísticas se articulan comenzando con una introducción, seguida de enfoques multidisciplinares que incluyen una visión histórica del paisaje o de la ecología de la vegetación. A continuación se exponen los resultados de la revisión realizada en cada etapa histórica y el estudio y descripción de las piezas seleccionadas (localización geográfica, datación arqueológica, clasificación genérica de técnica, materiales, dimensiones, iconografía, contexto cultural y procedencia) y por último su discusión en cuanto a su adscripción al género Pinus y a la flora presente en el entorno, caso de ser posible. Esta información se completa con gráficos, diagramas, mapas y tablas situándolas en su contexto arqueológico y cronológico, aportando datos sobre el carácter utilitario, simbólico o ideológico de los pinos, cuya pervivencia se manifiesta en ser protagonistas de gran número de festejos en la España rural de nuestros días. SUMMARY Nature has been represented in paintings since ancient times, which enables fields of study as separate as art and forest science to share a common origin. Pine-tress belong to a botanical genus widely distributed throughout the Mediterranean basin, which are capable of rising emotion and being a representation of what at that time was cultural innovation, subsequently becoming symbols. In this dissertation we hypothesise that pine forest may have been one of the first artistic representations of the ancient dwellers of the Iberian Peninsula. The methodology used for the selection of results is based on morphological patterns, i.e.: Patern 1 (pine seedlings at their first developmental stages), Pattern 2 (drawings associated with pine branches and shoots), and Pattern 3 (paintings of large pine-trees). Results are shown according to the following structure: Part I (relating to prehistoric paintings identified as pines and differentiating Paleolithic from Post-Paleolithic art), Part II (involves the results gathered concerning Iberian and Celtiberian iconographic art) and Part III (including a selection of Roman art in Hispania concerning pine representations). The different artistic periods are linked beginning by an Introduction, followed by a multidisciplinary approach ranging from a historical landscape analysis to plant ecology within a Mediterranean context. Thereafter, results are presented by assessing each historical period and by describing each of the particular art pieces subjected to investigation (geographical location, archaeological date, generic classification of the art technique, materials, dimensions, iconography and cultural context and origin). Finally, the results are discussed according to their ascription to the Pinus genus and when possible, in relation with the surrounding flora. The information provided is complemented with diagrams, maps and tables to enable its understanding within a chronological and archaeological context and providing evidence for the functional, symbolic and ideological character of pines, which are still alive in Spain in the form of many rural feasts with particular kinds of celebrations where this species plays a central role.

Experimental results on multicarrier SIMO HF communications

Achieving reliable communication over HF channels is known to be challenging due to the particularly hostile propagation medium. To address this problem, diversity techniques were shown to be promising. In this paper, we demonstrate through experimental results the benefits of different diversity strategies when applied to multi-input-multi-output (MIMO) multicarrier systems. The performance gains of polarisation, space and frequency diversities are quantified using different measurement campaigns.

Exploring the feasibility of integrating water issues into the CAPRI model

Although numerous modelling efforts have integrated food and water considerations at the farm or river basin level, very few agro-economic models are able to jointly assess water and food policies at the global level. The present report explores the feasibility of integrating water considerations into the CAPRI model. First, a literature review of modelling approaches integrating food and water issues has been conducted. Three agro-economic models, IMPACT, WATERSIM and GLOBIOM, have been analysed in detail. In addition, biophysical and hydrological models estimating agricultural water use have also been studied, in particular the global hydrological model WATERGAP and the LISFLOOD model. Thanks to the programming approach of its supply module, CAPRI shows a high potentiality to integrate environmental indicators as well as to enter new resource constraints (land potentially irrigated, irrigation water) and input-output relationships. At least in theory, the activity-based approach of the regional programming model in CAPRI allows differentiating between rainfed and irrigated activities. The suggested approach to include water into the CAPRI model involves creating an irrigation module and a water use module. The development of the CAPRI water module will enable to provide scientific assessment on agricultural water use within the EU and to analyze agricultural pressures on water resources. The feasibility of the approach has been tested in a pilot case study including two NUTS 2 regions (Andalucia in Spain and Midi-Pyrenees in France). Preliminary results are presented, highlighting the interrelations between water and agricultural developments in Europe. As a next step, it is foreseen to further develop the CAPRI water module to account for competition between agricultural and non-agricultural water use. This will imply building a water use sub-module to compute water use balances.

Propuesta de aplicación de una red de sensores en emergencias

El auge y evolución de los sistemas de comunicaciones móviles y de las redes inalámbricas avanzadas, sucedido desde principios del siglo XXI, han propiciado el uso de Redes de Sensores Inalámbricos (RSI) en múltiples ámbitos de interés. Dichas redes están típicamente compuestas por dispositivos inalámbricos autónomos que incorporan sensores para la recogida de datos de distinta naturaleza. Las RSI se caracterizan por su escalabilidad, ausencia de cableado, pequeño tamaño, bajo consumo, gran variedad de magnitudes físico/químicas medibles, entre otras, cuyas cualidades las hace muy interesantes para su aplicación en multitud de escenarios de la Sociedad de la Información, tales como domótica, agricultura y ganadería, medioambiente, salud, procesos industriales, logística, seguridad o ciudades inteligentes, ente otras. En este Trabajo Fin de Máster, se propone el uso de las RSI en el escenario de Emergencias donde cobra gran importancia la usabilidad, la fiabilidad, la disponibilidad, y la robustez de los sistemas a emplear en condiciones hostiles, especialmente en las de bomberos. Es por ello que se analizarán previamente los trabajos de RSI desarrollados para estos entornos y que sugieren qué aplicaciones garantizan el cumplimiento de los requerimientos mencionados. Se aborda la utilización de una primera RSI para la monitorización ambiental de tres Centros de Procesado de Datos (CPD) del departamento de TI de Emergencias, siendo este un entorno sin movilidad, más controlado y que aporta la adquisición de experiencia en la utilización de las RSI de cara a un entorno móvil más complejo. A continuación, para el entorno móvil se ha desarrollado y validado un prototipo experimental de RSI para el seguimiento de salida de parques de bomberos de vehículos con su dotación. Así mismo se implementa un prototipo para la ayuda a la localización de bomberos y/o personas en un siniestro. Estas RSI se desarrollan e implantan en el entorno de Emergencias del Ayuntamiento de Madrid, entidad sin cuyo apoyo habría sido imposible la aplicación práctica de este trabajo. SUMMARY. The rise and evolution of mobile communication systems and advanced wireless networks in early XXI century have allowed to taking advantage of Wireless Sensor Networks (WSN). These networks are composed of independent wireless devices that incorporate sensors for collecting data of different nature. The WSN is characterized by its scalability, no wiring, small size, low power consumption, wide range of physical magnitudes measurable, among others. These qualities make them very interesting for application in many scenarios to the Information Society, such as, domotic, agriculture, smart environment, ehealth, industrial control, logistics, security and smart cities, among others. This work proposes to use WSN in the emergency scenario where is very important the usability, reliability, availability, and robustness of the systems to be used in hostile conditions, especially in fire-fighters environment. That is why WSN works in emergency will be studied to tackle what applications compliance with the above requirements. The first WSN developed will be environmental monitoring of three CPDs IT department Emergency. This scenario is a non-mobile environment, more controlled and bring gaining experience in the use of WSN to face mobile environment which is more complex. Then, for the mobile environment is developed an experimental prototype of WSN for tracking fire vehicles living fire stations with their equipment. Another prototype is foreseen to be implemented to assist fire-fighters location and / or people in a disaster. These WSN are developed and implemented for Madrid City Emergency, whose involvement was critical to put this research into stage.

La planta Miralles: representación y pensamiento en la arquitectura de Enric Miralles

Resulta imposible disociar la evolución de la arquitectura de Enric Miralles de lo que fue el desarrollo de un sistema de representación propio. Partiendo de una posición heredada de su formación en la Escuela de Arquitectura de Barcelona y de su práctica en el estudio Viaplana-Piñón, donde adquiere el gusto por la precisión en el dibujo técnico, la delineación sobre papel vegetal o el grafismo constituido exclusivamente a base de líneas del mismo grosor, Miralles pronto evoluciona hacia un método caracterizado por un personal uso del sistema diédrico, vinculado a una concepción fragmentaria de la planta de arquitectura y del espacio mismo. Miralles proyectará por fragmentos de planta, asignándoles una geometría característica para diferenciarlos entre sí y desarrollar su espacialidad y sección con cierta autonomía, a través de planos y maquetas independientes. Gran parte de la arquitectura que elabora con Carme Pinós, en solitario o con Benedetta Tagliabue, estará compuesta por colecciones de piezas heterogéneas herederas de los fragmentos de la planta original, que encajan entre sí no en base a esquemas clásicos de integración subordinada o jerárquica, sino a través de posiciones relativas de yuxtaposición o superposición, caracterizadas por una ausencia de compacidad en la solución de conjunto. Este sistema de representación se apoya por tanto en la geometría como mecanismo de diferenciación por piezas, se basa en la fragmentación del diédrico desde la fragmentación de la planta, y en la falta de compacidad como soporte de pensamiento separativo. Un sistema que se define como “planta Miralles”, término que incluye todas las técnicas de representación empleadas por el arquitecto, desde planos a maquetas, pero que enfatiza la importancia estratégica de la planta como origen y guía del proyecto de arquitectura. La tesis se estructura en los tres primeros capítulos como un corolario de las categorías enunciadas, explicando, en orden cronológico a través de los proyectos, la evolución de la geometría, la utilización del diédrico, y el impacto de la falta de compacidad en la obra construida. Mientras que estos capítulos son globales, se refieren a la trayectoria de este método en su totalidad, el cuarto y último es un estudio de detalle de su aplicación en un proyecto particular, el Ayuntamiento de Utrecht, a través de los dibujos originales de Miralles. Tanto en la explicación global como en el estudio de detalle de este sistema de representación, la tesis pone de manifiesto su instrumentalidad en el pensamiento de esta arquitectura, argumentando que ésta no podría haber sido desarrollada sin la existencia del mismo. La relación entre representación y pensamiento es por tanto un tema capital para explicar esta obra. No obstante, hasta la fecha, las referencias al mismo en la bibliografía disponible no han pasado de ser una colección de opiniones dispersas, incapaces de construir por sí mismas un cuerpo estructurado y coherente de conocimiento. Se ha insistido sobremanera en el análisis y contextualización de los proyectos individuales, y poco en el estudio de la técnica proyectual utilizada para pensarlos y llevarlos a cabo. En definitiva, se han priorizado los resultados frente a los procesos creativos, existiendo por tanto un inexplicable vacío teórico respecto a un tema de gran importancia. Este vacío es el marco donde se inserta la necesidad de esta tesis doctoral. La investigación que aquí se presenta explica el origen y evolución del sistema de representación de Enric Miralles, desde su etapa como estudiante en la Escuela de Arquitectura de Barcelona hasta los últimos proyectos que elabora con Benedetta Tagliabue, así como el estudio de sus consecuencias en la obra construida. Termina concluyendo que su desarrollo es paralelo al de la arquitectura de Miralles, poniendo de manifiesto su vinculación y mutua interdependencia. ABSTRACT It is impossible to dissociate the evolution of the architecture of Enric Miralles from the development of his own system of representation. Starting from a position inherited from his training at the Barcelona School of Architecture and his practice at the office of Viaplana-Piñón, where he acquires a liking for precision in drafting and a graphic style based exclusively on lines of the same thickness, Miralles soon moves into a method defined by a customized use of the dihedral system, connected to a fragmented conception of the floorplan and space itself. Breaking up the floorplan into multiple fragments, Miralles will design an architecture where each of them has a unique shape and geometry, developing their sections and spatial qualities with a certain degree of autonomy within the whole, through separate plans and models. Many of the projects he designs with Carme Pinós, individually or with Benedetta Tagliabue, will consist of collections of heterogeneous pieces, heirs of the original floorplan fragments, which do not fit together according to classical principles of subordinate or hierarchical integration, but based on relative positions of juxtaposition or superposition that lead to a lack of compactness in the overall scheme. This system of representation is thus based on the use of geometry as a way of differentiating architectural pieces, on the fragmentation of the dihedral system from the fragmentation of the floorplan, and on a lack of compactness as a device of separative thinking. This system is defined as “Miralles plan”, a term that includes all techniques of representation used by the architect, from plans to models, and that emphasizes the particular importance of the floorplan as the guiding force of the design process. The first three chapters of the thesis have been structured as a corollary of these categories, explaining, in chronological order through Miralles’ projects, the evolution of geometry, the customization of the dihedral system, and the impact of the lack of compactness on the built work. While these three chapters are global, for they refer to the overall evolution of this system, the fourth and last one is a case study of its application to a particular project, the Utrecht Town Hall, through Miralles’ original drawings. Both in the global and particular explanations of this system of representation, the thesis highlights its instrumentality in the process of thinking this architecture, arguing that it could not have been designed without its parallel development. The relationship between thinking and representation is therefore a key issue to explain this architecture. However, to date, existing references to it in the available literature have not evolved from a collection of scattered opinions, unable to build for themselves a structured and coherent body of knowledge. Great emphasis has been put on the critical contextualization of this architecture through the analysis of the projects themselves, but little on the study of the design technique used to think and carry them out. Results have been prioritized over creative processes, existing therefore an inexplicable theoretical void on an issue of great importance. This void is the conceptual framework where the need for this thesis is inserted. This research explains the origin and evolution of Enric Miralles’ system of representation, from his time as student at the Barcelona School of Architecture to the last projects he designed with Benedetta Tagliabue, as well as the study of its impact on the built work. It concludes that the development of this system runs parallel to that of the architecture it is used for, making it explicit its indissolubility and mutual interdependence.

Dynamic Response Optimization of Vehicles through Efficient Multibody Formulations and Automatic Differentiation Techniques

El diseño y desarrollo de sistemas de suspensión para vehículos se basa cada día más en el diseño por ordenador y en herramientas de análisis por ordenador, las cuales permiten anticipar problemas y resolverlos por adelantado. El comportamiento y las características dinámicas se calculan con precisión, bajo coste, y recursos y tiempos de cálculo reducidos. Sin embargo, existe una componente iterativa en el proceso, que requiere la definición manual de diseños a través de técnicas “prueba y error”. Esta Tesis da un paso hacia el desarrollo de un entorno de simulación eficiente capaz de simular, analizar y evaluar diseños de suspensiones vehiculares, y de mejorarlos hacia la solución optima mediante la modificación de los parámetros de diseño. La modelización mediante sistemas multicuerpo se utiliza aquí para desarrollar un modelo de autocar con 18 grados de libertad, de manera detallada y eficiente. La geometría y demás características de la suspensión se ajustan a las del vehículo real, así como los demás parámetros del modelo. Para simular la dinámica vehicular, se utiliza una formulación multicuerpo moderna y eficiente basada en las ecuaciones de Maggi, a la que se ha incorporado un visor 3D. Así, se consigue simular maniobras vehiculares en tiempos inferiores al tiempo real. Una vez que la dinámica está disponible, los análisis de sensibilidad son cruciales para una optimización robusta y eficiente. Para ello, se presenta una técnica matemática que permite derivar las variables dinámicas dentro de la formulación, de forma algorítmica, general, con la precisión de la maquina, y razonablemente eficiente: la diferenciación automática. Este método propaga las derivadas con respecto a las variables de diseño a través del código informático y con poca intervención del usuario. En contraste con otros enfoques en la bibliografía, generalmente particulares y limitados, se realiza una comparación de librerías, se desarrolla una formulación híbrida directa-automática para el cálculo de sensibilidades, y se presentan varios ejemplos reales. Finalmente, se lleva a cabo la optimización de la respuesta dinámica del vehículo citado. Se analizan cuatro tipos distintos de optimización: identificación de parámetros, optimización de la maniobrabilidad, optimización del confort y optimización multi-objetivo, todos ellos aplicados al diseño del autocar. Además de resultados analíticos y gráficos, se incluyen algunas consideraciones acerca de la eficiencia. En resumen, se mejora el comportamiento dinámico de vehículos por medio de modelos multicuerpo y de técnicas de diferenciación automática y optimización avanzadas, posibilitando un ajuste automático, preciso y eficiente de los parámetros de diseño. ABSTRACT Each day, the design and development of vehicle suspension systems relies more on computer-aided design and computer-aided engineering tools, which allow anticipating the problems and solving them ahead of time. Dynamic behavior and characteristics are thus simulated accurately and inexpensively with moderate computational times and resources. There is, however, an iterative component in the process, which involves the manual definition of designs in a trialand-error manner. This Thesis takes a step towards the development of an efficient simulation framework capable of simulating, analyzing and evaluating vehicle suspension designs, and automatically improving them by varying the design parameters towards the optimal solution. The multibody systems approach is hereby used to model a three-dimensional 18-degrees-of-freedom coach in a comprehensive yet efficient way. The suspension geometry and characteristics resemble the ones from the real vehicle, as do the rest of vehicle parameters. In order to simulate vehicle dynamics, an efficient, state-of-the-art multibody formulation based on Maggi’s equations is employed, and a three-dimensional graphics viewer is developed. As a result, vehicle maneuvers can be simulated faster than real-time. Once the dynamics are ready, a sensitivity analysis is crucial for a robust optimization. To that end, a mathematical technique is introduced, which allows differentiating the dynamic variables within the multibody formulation in a general, algorithmic, accurate to machine precision, and reasonably efficient way: automatic differentiation. This method propagates the derivatives with respect to the design parameters throughout the computer code, with little user interaction. In contrast with other attempts in the literature, mostly not generalpurpose, a benchmarking of libraries is carried out, a hybrid direct-automatic differentiation approach for the computation of sensitivities is developed, and several real-life examples are analyzed. Finally, a design optimization process of the aforementioned vehicle is carried out. Four different types of dynamic response optimization are presented: parameter identification, handling optimization, ride comfort optimization and multi-objective optimization; all of which are applied to the design of the coach example. Together with analytical and visual proof of the results, efficiency considerations are made. In summary, the dynamic behavior of vehicles is improved by using the multibody systems approach, along with advanced differentiation and optimization techniques, enabling an automatic, accurate and efficient tuning of design parameters.

Direct and indirect economic impacts of drought in the agri-food sector in the Ebro River basin (Spain).

The economic evaluation of drought impacts is essential in order to define efficient and sustainable management and mitigation strategies. The aim of this study is to evaluate the economic impacts of a drought event on the agricultural sector and measure how they are transmitted from primary production to industrial output and related employment. We fit econometric models to determine the magnitude of the economic loss attributable to water storage. The direct impacts of drought on agricultural productivity are measured through a direct attribution model. Indirect impacts on agricultural employment and the agri-food industry are evaluated through a nested indirect attribution model. The transmission of water scarcity effects from agricultural production to macroeconomic variables is measured through chained elasticities. The models allow for differentiating the impacts deriving from water scarcity from other sources of economic losses. Results show that the importance of drought impacts are less relevant at the macroeconomic level, but are more significant for those activities directly dependent on water abstractions and precipitation. From a management perspective, implications of these findings are important to develop effective mitigation strategies to reduce drought risk exposure.

Functional characterization of Rhizobium leguminosarum bv. viciae DmeRF, a cation diffusion facilitator system involved in nickel and cobalt resistance

In prokaryotes, nickel is an essential element participating in the structure of enzymes involved in multiple cellular processes. Nickel transport is a challenge for microorganisms since, although essential, high levels of this metal inside the cell are toxic. For this reason, bacteria have developed high-affinity nickel transporters as well as nickel-specific detoxification systems. Ultramafic soils, and soils contaminated with heavy metals are excellent sources of nickel resistant bacteria. Molecular analysis of strains isolated in the habitats has revealed novel genetic systems involved in adaptation to such hostile conditions.

Spatial sampling methods for improved communication for wireless relay robots

Having reliable wireless communication in a network of mobile robots is an ongoing challenge, especially when the mobile robots are given tasks in hostile or harmful environments such as radiation environments in scientific facilities, tunnels with large metallic components and complicated geometries as found at CERN. In this paper, we propose a decentralised method for improving the wireless network throughput by optimizing the wireless relay robot position to receive the best wireless signal strength using implicit spatial diversity concepts and gradient-search algorithms. We experimentally demonstrate the effectiveness of the proposed solutions with a KUKA Youbot omni-directional mobile robot. The performance of the algorithms is compared under various scenarios in an underground scientific facility at CERN.

Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

Evaluation of the bioaccumulation kinetics of gold nanorods in vital mammalian organs by mean of TXRF spectrometry

This work presents the first application of total-reflection X-ray fluorescence (TXRF) spectrometry, a new and powerful alternative analytical method, to evaluation of the bioaccumulation kinetics of gold nanorods (GNRs) in various tissues upon intravenous administration in mice. The analytical parameters for developed methodology by TXRF were evaluated by means of the parallel analysis of bovine liver certified reference material samples (BCR-185R) doped with 10 μg/g gold. The average values (n = 5) achieved for gold measurements in lyophilized tissue weight were as follows: recovery 99.7%, expanded uncertainty (k = 2) 7%, repeatability 1.7%, detection limit 112 ng/g, and quantification limit 370 ng/g. The GNR bioaccumulation kinetics was analyzed in several vital mammalian organs such as liver, spleen, brain, and lung at different times. Additionally, urine samples were analyzed to study the kinetics of elimination of the GNRs by this excretion route. The main achievement was clearly differentiating two kinds of behaviors. GNRs were quickly bioaccumulated by highly vascular filtration organs such as liver and spleen, while GNRs do not show a bioaccumulation rates in brain and lung for the period of time investigated. In parallel, urine also shows a lack of GNR accumulation. TXRF has proven to be a powerful, versatile, and precise analytical technique for the evaluation of GNRs content in biological systems and, in a more general way, for any kind of metallic nanoparticles.

Contributions to the Resilience Management in the Internet of Things

El auge del "Internet de las Cosas" (IoT, "Internet of Things") y sus tecnologías asociadas han permitido su aplicación en diversos dominios de la aplicación, entre los que se encuentran la monitorización de ecosistemas forestales, la gestión de catástrofes y emergencias, la domótica, la automatización industrial, los servicios para ciudades inteligentes, la eficiencia energética de edificios, la detección de intrusos, la gestión de desastres y emergencias o la monitorización de señales corporales, entre muchas otras. La desventaja de una red IoT es que una vez desplegada, ésta queda desatendida, es decir queda sujeta, entre otras cosas, a condiciones climáticas cambiantes y expuestas a catástrofes naturales, fallos de software o hardware, o ataques maliciosos de terceros, por lo que se puede considerar que dichas redes son propensas a fallos. El principal requisito de los nodos constituyentes de una red IoT es que estos deben ser capaces de seguir funcionando a pesar de sufrir errores en el propio sistema. La capacidad de la red para recuperarse ante fallos internos y externos inesperados es lo que se conoce actualmente como "Resiliencia" de la red. Por tanto, a la hora de diseñar y desplegar aplicaciones o servicios para IoT, se espera que la red sea tolerante a fallos, que sea auto-configurable, auto-adaptable, auto-optimizable con respecto a nuevas condiciones que puedan aparecer durante su ejecución. Esto lleva al análisis de un problema fundamental en el estudio de las redes IoT, el problema de la "Conectividad". Se dice que una red está conectada si todo par de nodos en la red son capaces de encontrar al menos un camino de comunicación entre ambos. Sin embargo, la red puede desconectarse debido a varias razones, como que se agote la batería, que un nodo sea destruido, etc. Por tanto, se hace necesario gestionar la resiliencia de la red con el objeto de mantener la conectividad entre sus nodos, de tal manera que cada nodo IoT sea capaz de proveer servicios continuos, a otros nodos, a otras redes o, a otros servicios y aplicaciones. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis doctoral se centra en el estudio del problema de conectividad IoT, más concretamente en el desarrollo de modelos para el análisis y gestión de la Resiliencia, llevado a la práctica a través de las redes WSN, con el fin de mejorar la capacidad la tolerancia a fallos de los nodos que componen la red. Este reto se aborda teniendo en cuenta dos enfoques distintos, por una parte, a diferencia de otro tipo de redes de dispositivos convencionales, los nodos en una red IoT son propensos a perder la conexión, debido a que se despliegan en entornos aislados, o en entornos con condiciones extremas; por otra parte, los nodos suelen ser recursos con bajas capacidades en términos de procesamiento, almacenamiento y batería, entre otros, por lo que requiere que el diseño de la gestión de su resiliencia sea ligero, distribuido y energéticamente eficiente. En este sentido, esta tesis desarrolla técnicas auto-adaptativas que permiten a una red IoT, desde la perspectiva del control de su topología, ser resiliente ante fallos en sus nodos. Para ello, se utilizan técnicas basadas en lógica difusa y técnicas de control proporcional, integral y derivativa (PID - "proportional-integral-derivative"), con el objeto de mejorar la conectividad de la red, teniendo en cuenta que el consumo de energía debe preservarse tanto como sea posible. De igual manera, se ha tenido en cuenta que el algoritmo de control debe ser distribuido debido a que, en general, los enfoques centralizados no suelen ser factibles a despliegues a gran escala. El presente trabajo de tesis implica varios retos que conciernen a la conectividad de red, entre los que se incluyen: la creación y el análisis de modelos matemáticos que describan la red, una propuesta de sistema de control auto-adaptativo en respuesta a fallos en los nodos, la optimización de los parámetros del sistema de control, la validación mediante una implementación siguiendo un enfoque de ingeniería del software y finalmente la evaluación en una aplicación real. Atendiendo a los retos anteriormente mencionados, el presente trabajo justifica, mediante una análisis matemático, la relación existente entre el "grado de un nodo" (definido como el número de nodos en la vecindad del nodo en cuestión) y la conectividad de la red, y prueba la eficacia de varios tipos de controladores que permiten ajustar la potencia de trasmisión de los nodos de red en respuesta a eventuales fallos, teniendo en cuenta el consumo de energía como parte de los objetivos de control. Así mismo, este trabajo realiza una evaluación y comparación con otros algoritmos representativos; en donde se demuestra que el enfoque desarrollado es más tolerante a fallos aleatorios en los nodos de la red, así como en su eficiencia energética. Adicionalmente, el uso de algoritmos bioinspirados ha permitido la optimización de los parámetros de control de redes dinámicas de gran tamaño. Con respecto a la implementación en un sistema real, se han integrado las propuestas de esta tesis en un modelo de programación OSGi ("Open Services Gateway Initiative") con el objeto de crear un middleware auto-adaptativo que mejore la gestión de la resiliencia, especialmente la reconfiguración en tiempo de ejecución de componentes software cuando se ha producido un fallo. Como conclusión, los resultados de esta tesis doctoral contribuyen a la investigación teórica y, a la aplicación práctica del control resiliente de la topología en redes distribuidas de gran tamaño. Los diseños y algoritmos presentados pueden ser vistos como una prueba novedosa de algunas técnicas para la próxima era de IoT. A continuación, se enuncian de forma resumida las principales contribuciones de esta tesis: (1) Se han analizado matemáticamente propiedades relacionadas con la conectividad de la red. Se estudia, por ejemplo, cómo varía la probabilidad de conexión de la red al modificar el alcance de comunicación de los nodos, así como cuál es el mínimo número de nodos que hay que añadir al sistema desconectado para su re-conexión. (2) Se han propuesto sistemas de control basados en lógica difusa para alcanzar el grado de los nodos deseado, manteniendo la conectividad completa de la red. Se han evaluado diferentes tipos de controladores basados en lógica difusa mediante simulaciones, y los resultados se han comparado con otros algoritmos representativos. (3) Se ha investigado más a fondo, dando un enfoque más simple y aplicable, el sistema de control de doble bucle, y sus parámetros de control se han optimizado empleando algoritmos heurísticos como el método de la entropía cruzada (CE, "Cross Entropy"), la optimización por enjambre de partículas (PSO, "Particle Swarm Optimization"), y la evolución diferencial (DE, "Differential Evolution"). (4) Se han evaluado mediante simulación, la mayoría de los diseños aquí presentados; además, parte de los trabajos se han implementado y validado en una aplicación real combinando técnicas de software auto-adaptativo, como por ejemplo las de una arquitectura orientada a servicios (SOA, "Service-Oriented Architecture"). ABSTRACT The advent of the Internet of Things (IoT) enables a tremendous number of applications, such as forest monitoring, disaster management, home automation, factory automation, smart city, etc. However, various kinds of unexpected disturbances may cause node failure in the IoT, for example battery depletion, software/hardware malfunction issues and malicious attacks. So, it can be considered that the IoT is prone to failure. The ability of the network to recover from unexpected internal and external failures is known as "resilience" of the network. Resilience usually serves as an important non-functional requirement when designing IoT, which can further be broken down into "self-*" properties, such as self-adaptive, self-healing, self-configuring, self-optimization, etc. One of the consequences that node failure brings to the IoT is that some nodes may be disconnected from others, such that they are not capable of providing continuous services for other nodes, networks, and applications. In this sense, the main objective of this dissertation focuses on the IoT connectivity problem. A network is regarded as connected if any pair of different nodes can communicate with each other either directly or via a limited number of intermediate nodes. More specifically, this thesis focuses on the development of models for analysis and management of resilience, implemented through the Wireless Sensor Networks (WSNs), which is a challenging task. On the one hand, unlike other conventional network devices, nodes in the IoT are more likely to be disconnected from each other due to their deployment in a hostile or isolated environment. On the other hand, nodes are resource-constrained in terms of limited processing capability, storage and battery capacity, which requires that the design of the resilience management for IoT has to be lightweight, distributed and energy-efficient. In this context, the thesis presents self-adaptive techniques for IoT, with the aim of making the IoT resilient against node failures from the network topology control point of view. The fuzzy-logic and proportional-integral-derivative (PID) control techniques are leveraged to improve the network connectivity of the IoT in response to node failures, meanwhile taking into consideration that energy consumption must be preserved as much as possible. The control algorithm itself is designed to be distributed, because the centralized approaches are usually not feasible in large scale IoT deployments. The thesis involves various aspects concerning network connectivity, including: creation and analysis of mathematical models describing the network, proposing self-adaptive control systems in response to node failures, control system parameter optimization, implementation using the software engineering approach, and evaluation in a real application. This thesis also justifies the relations between the "node degree" (the number of neighbor(s) of a node) and network connectivity through mathematic analysis, and proves the effectiveness of various types of controllers that can adjust power transmission of the IoT nodes in response to node failures. The controllers also take into consideration the energy consumption as part of the control goals. The evaluation is performed and comparison is made with other representative algorithms. The simulation results show that the proposals in this thesis can tolerate more random node failures and save more energy when compared with those representative algorithms. Additionally, the simulations demonstrate that the use of the bio-inspired algorithms allows optimizing the parameters of the controller. With respect to the implementation in a real system, the programming model called OSGi (Open Service Gateway Initiative) is integrated with the proposals in order to create a self-adaptive middleware, especially reconfiguring the software components at runtime when failures occur. The outcomes of this thesis contribute to theoretic research and practical applications of resilient topology control for large and distributed networks. The presented controller designs and optimization algorithms can be viewed as novel trials of the control and optimization techniques for the coming era of the IoT. The contributions of this thesis can be summarized as follows: (1) Mathematically, the fault-tolerant probability of a large-scale stochastic network is analyzed. It is studied how the probability of network connectivity depends on the communication range of the nodes, and what is the minimum number of neighbors to be added for network re-connection. (2) A fuzzy-logic control system is proposed, which obtains the desired node degree and in turn maintains the network connectivity when it is subject to node failures. There are different types of fuzzy-logic controllers evaluated by simulations, and the results demonstrate the improvement of fault-tolerant capability as compared to some other representative algorithms. (3) A simpler but more applicable approach, the two-loop control system is further investigated, and its control parameters are optimized by using some heuristic algorithms such as Cross Entropy (CE), Particle Swarm Optimization (PSO), and Differential Evolution (DE). (4) Most of the designs are evaluated by means of simulations, but part of the proposals are implemented and tested in a real-world application by combining the self-adaptive software technique and the control algorithms which are presented in this thesis.