Parametric and structural self-adaptation of embedded systems using evolvable hardware

Los sistemas empotrados han sido concebidos tradicionalmente como sistemas de procesamiento específicos que realizan una tarea fija durante toda su vida útil. Para cumplir con requisitos estrictos de coste, tamaño y peso, el equipo de diseño debe optimizar su funcionamiento para condiciones muy específicas. Sin embargo, la demanda de mayor versatilidad, un funcionamiento más inteligente y, en definitiva, una mayor capacidad de procesamiento comenzaron a chocar con estas limitaciones, agravado por la incertidumbre asociada a entornos de operación cada vez más dinámicos donde comenzaban a ser desplegados progresivamente. Esto trajo como resultado una necesidad creciente de que los sistemas pudieran responder por si solos a eventos inesperados en tiempo diseño tales como: cambios en las características de los datos de entrada y el entorno del sistema en general; cambios en la propia plataforma de cómputo, por ejemplo debido a fallos o defectos de fabricación; y cambios en las propias especificaciones funcionales causados por unos objetivos del sistema dinámicos y cambiantes. Como consecuencia, la complejidad del sistema aumenta, pero a cambio se habilita progresivamente una capacidad de adaptación autónoma sin intervención humana a lo largo de la vida útil, permitiendo que tomen sus propias decisiones en tiempo de ejecución. Éstos sistemas se conocen, en general, como sistemas auto-adaptativos y tienen, entre otras características, las de auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación. Típicamente, la parte soft de un sistema es mayoritariamente la única utilizada para proporcionar algunas capacidades de adaptación a un sistema. Sin embargo, la proporción rendimiento/potencia en dispositivos software como microprocesadores en muchas ocasiones no es adecuada para sistemas empotrados. En este escenario, el aumento resultante en la complejidad de las aplicaciones está siendo abordado parcialmente mediante un aumento en la complejidad de los dispositivos en forma de multi/many-cores; pero desafortunadamente, esto hace que el consumo de potencia también aumente. Además, la mejora en metodologías de diseño no ha sido acorde como para poder utilizar toda la capacidad de cómputo disponible proporcionada por los núcleos. Por todo ello, no se están satisfaciendo adecuadamente las demandas de cómputo que imponen las nuevas aplicaciones. La solución tradicional para mejorar la proporción rendimiento/potencia ha sido el cambio a unas especificaciones hardware, principalmente usando ASICs. Sin embargo, los costes de un ASIC son altamente prohibitivos excepto en algunos casos de producción en masa y además la naturaleza estática de su estructura complica la solución a las necesidades de adaptación. Los avances en tecnologías de fabricación han hecho que la FPGA, una vez lenta y pequeña, usada como glue logic en sistemas mayores, haya crecido hasta convertirse en un dispositivo de cómputo reconfigurable de gran potencia, con una cantidad enorme de recursos lógicos computacionales y cores hardware empotrados de procesamiento de señal y de propósito general. Sus capacidades de reconfiguración han permitido combinar la flexibilidad propia del software con el rendimiento del procesamiento en hardware, lo que tiene la potencialidad de provocar un cambio de paradigma en arquitectura de computadores, pues el hardware no puede ya ser considerado más como estático. El motivo es que como en el caso de las FPGAs basadas en tecnología SRAM, la reconfiguración parcial dinámica (DPR, Dynamic Partial Reconfiguration) es posible. Esto significa que se puede modificar (reconfigurar) un subconjunto de los recursos computacionales en tiempo de ejecución mientras el resto permanecen activos. Además, este proceso de reconfiguración puede ser ejecutado internamente por el propio dispositivo. El avance tecnológico en dispositivos hardware reconfigurables se encuentra recogido bajo el campo conocido como Computación Reconfigurable (RC, Reconfigurable Computing). Uno de los campos de aplicación más exóticos y menos convencionales que ha posibilitado la computación reconfigurable es el conocido como Hardware Evolutivo (EHW, Evolvable Hardware), en el cual se encuentra enmarcada esta tesis. La idea principal del concepto consiste en convertir hardware que es adaptable a través de reconfiguración en una entidad evolutiva sujeta a las fuerzas de un proceso evolutivo inspirado en el de las especies biológicas naturales, que guía la dirección del cambio. Es una aplicación más del campo de la Computación Evolutiva (EC, Evolutionary Computation), que comprende una serie de algoritmos de optimización global conocidos como Algoritmos Evolutivos (EA, Evolutionary Algorithms), y que son considerados como algoritmos universales de resolución de problemas. En analogía al proceso biológico de la evolución, en el hardware evolutivo el sujeto de la evolución es una población de circuitos que intenta adaptarse a su entorno mediante una adecuación progresiva generación tras generación. Los individuos pasan a ser configuraciones de circuitos en forma de bitstreams caracterizados por descripciones de circuitos reconfigurables. Seleccionando aquellos que se comportan mejor, es decir, que tienen una mejor adecuación (o fitness) después de ser evaluados, y usándolos como padres de la siguiente generación, el algoritmo evolutivo crea una nueva población hija usando operadores genéticos como la mutación y la recombinación. Según se van sucediendo generaciones, se espera que la población en conjunto se aproxime a la solución óptima al problema de encontrar una configuración del circuito adecuada que satisfaga las especificaciones. El estado de la tecnología de reconfiguración después de que la familia de FPGAs XC6200 de Xilinx fuera retirada y reemplazada por las familias Virtex a finales de los 90, supuso un gran obstáculo para el avance en hardware evolutivo; formatos de bitstream cerrados (no conocidos públicamente); dependencia de herramientas del fabricante con soporte limitado de DPR; una velocidad de reconfiguración lenta; y el hecho de que modificaciones aleatorias del bitstream pudieran resultar peligrosas para la integridad del dispositivo, son algunas de estas razones. Sin embargo, una propuesta a principios de los años 2000 permitió mantener la investigación en el campo mientras la tecnología de DPR continuaba madurando, el Circuito Virtual Reconfigurable (VRC, Virtual Reconfigurable Circuit). En esencia, un VRC en una FPGA es una capa virtual que actúa como un circuito reconfigurable de aplicación específica sobre la estructura nativa de la FPGA que reduce la complejidad del proceso reconfiguración y aumenta su velocidad (comparada con la reconfiguración nativa). Es un array de nodos computacionales especificados usando descripciones HDL estándar que define recursos reconfigurables ad-hoc: multiplexores de rutado y un conjunto de elementos de procesamiento configurables, cada uno de los cuales tiene implementadas todas las funciones requeridas, que pueden seleccionarse a través de multiplexores tal y como ocurre en una ALU de un microprocesador. Un registro grande actúa como memoria de configuración, por lo que la reconfiguración del VRC es muy rápida ya que tan sólo implica la escritura de este registro, el cual controla las señales de selección del conjunto de multiplexores. Sin embargo, esta capa virtual provoca: un incremento de área debido a la implementación simultánea de cada función en cada nodo del array más los multiplexores y un aumento del retardo debido a los multiplexores, reduciendo la frecuencia de funcionamiento máxima. La naturaleza del hardware evolutivo, capaz de optimizar su propio comportamiento computacional, le convierten en un buen candidato para avanzar en la investigación sobre sistemas auto-adaptativos. Combinar un sustrato de cómputo auto-reconfigurable capaz de ser modificado dinámicamente en tiempo de ejecución con un algoritmo empotrado que proporcione una dirección de cambio, puede ayudar a satisfacer los requisitos de adaptación autónoma de sistemas empotrados basados en FPGA. La propuesta principal de esta tesis está por tanto dirigida a contribuir a la auto-adaptación del hardware de procesamiento de sistemas empotrados basados en FPGA mediante hardware evolutivo. Esto se ha abordado considerando que el comportamiento computacional de un sistema puede ser modificado cambiando cualquiera de sus dos partes constitutivas: una estructura hard subyacente y un conjunto de parámetros soft. De esta distinción, se derivan dos lineas de trabajo. Por un lado, auto-adaptación paramétrica, y por otro auto-adaptación estructural. El objetivo perseguido en el caso de la auto-adaptación paramétrica es la implementación de técnicas de optimización evolutiva complejas en sistemas empotrados con recursos limitados para la adaptación paramétrica online de circuitos de procesamiento de señal. La aplicación seleccionada como prueba de concepto es la optimización para tipos muy específicos de imágenes de los coeficientes de los filtros de transformadas wavelet discretas (DWT, DiscreteWavelet Transform), orientada a la compresión de imágenes. Por tanto, el objetivo requerido de la evolución es una compresión adaptativa y más eficiente comparada con los procedimientos estándar. El principal reto radica en reducir la necesidad de recursos de supercomputación para el proceso de optimización propuesto en trabajos previos, de modo que se adecúe para la ejecución en sistemas empotrados. En cuanto a la auto-adaptación estructural, el objetivo de la tesis es la implementación de circuitos auto-adaptativos en sistemas evolutivos basados en FPGA mediante un uso eficiente de sus capacidades de reconfiguración nativas. En este caso, la prueba de concepto es la evolución de tareas de procesamiento de imagen tales como el filtrado de tipos desconocidos y cambiantes de ruido y la detección de bordes en la imagen. En general, el objetivo es la evolución en tiempo de ejecución de tareas de procesamiento de imagen desconocidas en tiempo de diseño (dentro de un cierto grado de complejidad). En este caso, el objetivo de la propuesta es la incorporación de DPR en EHW para evolucionar la arquitectura de un array sistólico adaptable mediante reconfiguración cuya capacidad de evolución no había sido estudiada previamente. Para conseguir los dos objetivos mencionados, esta tesis propone originalmente una plataforma evolutiva que integra un motor de adaptación (AE, Adaptation Engine), un motor de reconfiguración (RE, Reconfiguration Engine) y un motor computacional (CE, Computing Engine) adaptable. El el caso de adaptación paramétrica, la plataforma propuesta está caracterizada por: • un CE caracterizado por un núcleo de procesamiento hardware de DWT adaptable mediante registros reconfigurables que contienen los coeficientes de los filtros wavelet • un algoritmo evolutivo como AE que busca filtros wavelet candidatos a través de un proceso de optimización paramétrica desarrollado específicamente para sistemas caracterizados por recursos de procesamiento limitados • un nuevo operador de mutación simplificado para el algoritmo evolutivo utilizado, que junto con un mecanismo de evaluación rápida de filtros wavelet candidatos derivado de la literatura actual, asegura la viabilidad de la búsqueda evolutiva asociada a la adaptación de wavelets. En el caso de adaptación estructural, la plataforma propuesta toma la forma de: • un CE basado en una plantilla de array sistólico reconfigurable de 2 dimensiones compuesto de nodos de procesamiento reconfigurables • un algoritmo evolutivo como AE que busca configuraciones candidatas del array usando un conjunto de funcionalidades de procesamiento para los nodos disponible en una biblioteca accesible en tiempo de ejecución • un RE hardware que explota la capacidad de reconfiguración nativa de las FPGAs haciendo un uso eficiente de los recursos reconfigurables del dispositivo para cambiar el comportamiento del CE en tiempo de ejecución • una biblioteca de elementos de procesamiento reconfigurables caracterizada por bitstreams parciales independientes de la posición, usados como el conjunto de configuraciones disponibles para los nodos de procesamiento del array Las contribuciones principales de esta tesis se pueden resumir en la siguiente lista: • Una plataforma evolutiva basada en FPGA para la auto-adaptación paramétrica y estructural de sistemas empotrados compuesta por un motor computacional (CE), un motor de adaptación (AE) evolutivo y un motor de reconfiguración (RE). Esta plataforma se ha desarrollado y particularizado para los casos de auto-adaptación paramétrica y estructural. • En cuanto a la auto-adaptación paramétrica, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante registros que permite la adaptación paramétrica de los coeficientes de una implementación hardware adaptativa de un núcleo de DWT. – Un motor de adaptación basado en un algoritmo evolutivo desarrollado específicamente para optimización numérica, aplicada a los coeficientes de filtros wavelet en sistemas empotrados con recursos limitados. – Un núcleo IP de DWT auto-adaptativo en tiempo de ejecución para sistemas empotrados que permite la optimización online del rendimiento de la transformada para compresión de imágenes en entornos específicos de despliegue, caracterizados por tipos diferentes de señal de entrada. – Un modelo software y una implementación hardware de una herramienta para la construcción evolutiva automática de transformadas wavelet específicas. • Por último, en cuanto a la auto-adaptación estructural, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante reconfiguración nativa de FPGAs caracterizado por una plantilla de array sistólico en dos dimensiones de nodos de procesamiento reconfigurables. Es posible mapear diferentes tareas de cómputo en el array usando una biblioteca de elementos sencillos de procesamiento reconfigurables. – Definición de una biblioteca de elementos de procesamiento apropiada para la síntesis autónoma en tiempo de ejecución de diferentes tareas de procesamiento de imagen. – Incorporación eficiente de la reconfiguración parcial dinámica (DPR) en sistemas de hardware evolutivo, superando los principales inconvenientes de propuestas previas como los circuitos reconfigurables virtuales (VRCs). En este trabajo también se comparan originalmente los detalles de implementación de ambas propuestas. – Una plataforma tolerante a fallos, auto-curativa, que permite la recuperación funcional online en entornos peligrosos. La plataforma ha sido caracterizada desde una perspectiva de tolerancia a fallos: se proponen modelos de fallo a nivel de CLB y de elemento de procesamiento, y usando el motor de reconfiguración, se hace un análisis sistemático de fallos para un fallo en cada elemento de procesamiento y para dos fallos acumulados. – Una plataforma con calidad de filtrado dinámica que permite la adaptación online a tipos de ruido diferentes y diferentes comportamientos computacionales teniendo en cuenta los recursos de procesamiento disponibles. Por un lado, se evolucionan filtros con comportamientos no destructivos, que permiten esquemas de filtrado en cascada escalables; y por otro, también se evolucionan filtros escalables teniendo en cuenta requisitos computacionales de filtrado cambiantes dinámicamente. Este documento está organizado en cuatro partes y nueve capítulos. La primera parte contiene el capítulo 1, una introducción y motivación sobre este trabajo de tesis. A continuación, el marco de referencia en el que se enmarca esta tesis se analiza en la segunda parte: el capítulo 2 contiene una introducción a los conceptos de auto-adaptación y computación autonómica (autonomic computing) como un campo de investigación más general que el muy específico de este trabajo; el capítulo 3 introduce la computación evolutiva como la técnica para dirigir la adaptación; el capítulo 4 analiza las plataformas de computación reconfigurables como la tecnología para albergar hardware auto-adaptativo; y finalmente, el capítulo 5 define, clasifica y hace un sondeo del campo del hardware evolutivo. Seguidamente, la tercera parte de este trabajo contiene la propuesta, desarrollo y resultados obtenidos: mientras que el capítulo 6 contiene una declaración de los objetivos de la tesis y la descripción de la propuesta en su conjunto, los capítulos 7 y 8 abordan la auto-adaptación paramétrica y estructural, respectivamente. Finalmente, el capítulo 9 de la parte 4 concluye el trabajo y describe caminos de investigación futuros. ABSTRACT Embedded systems have traditionally been conceived to be specific-purpose computers with one, fixed computational task for their whole lifetime. Stringent requirements in terms of cost, size and weight forced designers to highly optimise their operation for very specific conditions. However, demands for versatility, more intelligent behaviour and, in summary, an increased computing capability began to clash with these limitations, intensified by the uncertainty associated to the more dynamic operating environments where they were progressively being deployed. This brought as a result an increasing need for systems to respond by themselves to unexpected events at design time, such as: changes in input data characteristics and system environment in general; changes in the computing platform itself, e.g., due to faults and fabrication defects; and changes in functional specifications caused by dynamically changing system objectives. As a consequence, systems complexity is increasing, but in turn, autonomous lifetime adaptation without human intervention is being progressively enabled, allowing them to take their own decisions at run-time. This type of systems is known, in general, as selfadaptive, and are able, among others, of self-configuration, self-optimisation and self-repair. Traditionally, the soft part of a system has mostly been so far the only place to provide systems with some degree of adaptation capabilities. However, the performance to power ratios of software driven devices like microprocessors are not adequate for embedded systems in many situations. In this scenario, the resulting rise in applications complexity is being partly addressed by rising devices complexity in the form of multi and many core devices; but sadly, this keeps on increasing power consumption. Besides, design methodologies have not been improved accordingly to completely leverage the available computational power from all these cores. Altogether, these factors make that the computing demands new applications pose are not being wholly satisfied. The traditional solution to improve performance to power ratios has been the switch to hardware driven specifications, mainly using ASICs. However, their costs are highly prohibitive except for some mass production cases and besidesthe static nature of its structure complicates the solution to the adaptation needs. The advancements in fabrication technologies have made that the once slow, small FPGA used as glue logic in bigger systems, had grown to be a very powerful, reconfigurable computing device with a vast amount of computational logic resources and embedded, hardened signal and general purpose processing cores. Its reconfiguration capabilities have enabled software-like flexibility to be combined with hardware-like computing performance, which has the potential to cause a paradigm shift in computer architecture since hardware cannot be considered as static anymore. This is so, since, as is the case with SRAMbased FPGAs, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is possible. This means that subsets of the FPGA computational resources can now be changed (reconfigured) at run-time while the rest remains active. Besides, this reconfiguration process can be triggered internally by the device itself. This technological boost in reconfigurable hardware devices is actually covered under the field known as Reconfigurable Computing. One of the most exotic fields of application that Reconfigurable Computing has enabled is the known as Evolvable Hardware (EHW), in which this dissertation is framed. The main idea behind the concept is turning hardware that is adaptable through reconfiguration into an evolvable entity subject to the forces of an evolutionary process, inspired by that of natural, biological species, that guides the direction of change. It is yet another application of the field of Evolutionary Computation (EC), which comprises a set of global optimisation algorithms known as Evolutionary Algorithms (EAs), considered as universal problem solvers. In analogy to the biological process of evolution, in EHW the subject of evolution is a population of circuits that tries to get adapted to its surrounding environment by progressively getting better fitted to it generation after generation. Individuals become circuit configurations representing bitstreams that feature reconfigurable circuit descriptions. By selecting those that behave better, i.e., with a higher fitness value after being evaluated, and using them as parents of the following generation, the EA creates a new offspring population by using so called genetic operators like mutation and recombination. As generations succeed one another, the whole population is expected to approach to the optimum solution to the problem of finding an adequate circuit configuration that fulfils system objectives. The state of reconfiguration technology after Xilinx XC6200 FPGA family was discontinued and replaced by Virtex families in the late 90s, was a major obstacle for advancements in EHW; closed (non publicly known) bitstream formats; dependence on manufacturer tools with highly limiting support of DPR; slow speed of reconfiguration; and random bitstream modifications being potentially hazardous for device integrity, are some of these reasons. However, a proposal in the first 2000s allowed to keep investigating in this field while DPR technology kept maturing, the Virtual Reconfigurable Circuit (VRC). In essence, a VRC in an FPGA is a virtual layer acting as an application specific reconfigurable circuit on top of an FPGA fabric that reduces the complexity of the reconfiguration process and increases its speed (compared to native reconfiguration). It is an array of computational nodes specified using standard HDL descriptions that define ad-hoc reconfigurable resources; routing multiplexers and a set of configurable processing elements, each one containing all the required functions, which are selectable through functionality multiplexers as in microprocessor ALUs. A large register acts as configuration memory, so VRC reconfiguration is very fast given it only involves writing this register, which drives the selection signals of the set of multiplexers. However, large overheads are introduced by this virtual layer; an area overhead due to the simultaneous implementation of every function in every node of the array plus the multiplexers, and a delay overhead due to the multiplexers, which also reduces maximum frequency of operation. The very nature of Evolvable Hardware, able to optimise its own computational behaviour, makes it a good candidate to advance research in self-adaptive systems. Combining a selfreconfigurable computing substrate able to be dynamically changed at run-time with an embedded algorithm that provides a direction for change, can help fulfilling requirements for autonomous lifetime adaptation of FPGA-based embedded systems. The main proposal of this thesis is hence directed to contribute to autonomous self-adaptation of the underlying computational hardware of FPGA-based embedded systems by means of Evolvable Hardware. This is tackled by considering that the computational behaviour of a system can be modified by changing any of its two constituent parts: an underlying hard structure and a set of soft parameters. Two main lines of work derive from this distinction. On one side, parametric self-adaptation and, on the other side, structural self-adaptation. The goal pursued in the case of parametric self-adaptation is the implementation of complex evolutionary optimisation techniques in resource constrained embedded systems for online parameter adaptation of signal processing circuits. The application selected as proof of concept is the optimisation of Discrete Wavelet Transforms (DWT) filters coefficients for very specific types of images, oriented to image compression. Hence, adaptive and improved compression efficiency, as compared to standard techniques, is the required goal of evolution. The main quest lies in reducing the supercomputing resources reported in previous works for the optimisation process in order to make it suitable for embedded systems. Regarding structural self-adaptation, the thesis goal is the implementation of self-adaptive circuits in FPGA-based evolvable systems through an efficient use of native reconfiguration capabilities. In this case, evolution of image processing tasks such as filtering of unknown and changing types of noise and edge detection are the selected proofs of concept. In general, evolving unknown image processing behaviours (within a certain complexity range) at design time is the required goal. In this case, the mission of the proposal is the incorporation of DPR in EHW to evolve a systolic array architecture adaptable through reconfiguration whose evolvability had not been previously checked. In order to achieve the two stated goals, this thesis originally proposes an evolvable platform that integrates an Adaptation Engine (AE), a Reconfiguration Engine (RE) and an adaptable Computing Engine (CE). In the case of parametric adaptation, the proposed platform is characterised by: • a CE featuring a DWT hardware processing core adaptable through reconfigurable registers that holds wavelet filters coefficients • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate wavelet filters through a parametric optimisation process specifically developed for systems featured by scarce computing resources • a new, simplified mutation operator for the selected EA, that together with a fast evaluation mechanism of candidate wavelet filters derived from existing literature, assures the feasibility of the evolutionary search involved in wavelets adaptation In the case of structural adaptation, the platform proposal takes the form of: • a CE based on a reconfigurable 2D systolic array template composed of reconfigurable processing nodes • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate configurations of the array using a set of computational functionalities for the nodes available in a run time accessible library • a hardware RE that exploits native DPR capabilities of FPGAs and makes an efficient use of the available reconfigurable resources of the device to change the behaviour of the CE at run time • a library of reconfigurable processing elements featured by position-independent partial bitstreams used as the set of available configurations for the processing nodes of the array Main contributions of this thesis can be summarised in the following list. • An FPGA-based evolvable platform for parametric and structural self-adaptation of embedded systems composed of a Computing Engine, an evolutionary Adaptation Engine and a Reconfiguration Engine. This platform is further developed and tailored for both parametric and structural self-adaptation. • Regarding parametric self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through reconfigurable registers that enables parametric adaptation of the coefficients of an adaptive hardware implementation of a DWT core. – An AE based on an Evolutionary Algorithm specifically developed for numerical optimisation applied to wavelet filter coefficients in resource constrained embedded systems. – A run-time self-adaptive DWT IP core for embedded systems that allows for online optimisation of transform performance for image compression for specific deployment environments characterised by different types of input signals. – A software model and hardware implementation of a tool for the automatic, evolutionary construction of custom wavelet transforms. • Lastly, regarding structural self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through native FPGA fabric reconfiguration featured by a two dimensional systolic array template of reconfigurable processing nodes. Different processing behaviours can be automatically mapped in the array by using a library of simple reconfigurable processing elements. – Definition of a library of such processing elements suited for autonomous runtime synthesis of different image processing tasks. – Efficient incorporation of DPR in EHW systems, overcoming main drawbacks from the previous approach of virtual reconfigurable circuits. Implementation details for both approaches are also originally compared in this work. – A fault tolerant, self-healing platform that enables online functional recovery in hazardous environments. The platform has been characterised from a fault tolerance perspective: fault models at FPGA CLB level and processing elements level are proposed, and using the RE, a systematic fault analysis for one fault in every processing element and for two accumulated faults is done. – A dynamic filtering quality platform that permits on-line adaptation to different types of noise and different computing behaviours considering the available computing resources. On one side, non-destructive filters are evolved, enabling scalable cascaded filtering schemes; and on the other, size-scalable filters are also evolved considering dynamically changing computational filtering requirements. This dissertation is organized in four parts and nine chapters. First part contains chapter 1, the introduction to and motivation of this PhD work. Following, the reference framework in which this dissertation is framed is analysed in the second part: chapter 2 features an introduction to the notions of self-adaptation and autonomic computing as a more general research field to the very specific one of this work; chapter 3 introduces evolutionary computation as the technique to drive adaptation; chapter 4 analyses platforms for reconfigurable computing as the technology to hold self-adaptive hardware; and finally chapter 5 defines, classifies and surveys the field of Evolvable Hardware. Third part of the work follows, which contains the proposal, development and results obtained: while chapter 6 contains an statement of the thesis goals and the description of the proposal as a whole, chapters 7 and 8 address parametric and structural self-adaptation, respectively. Finally, chapter 9 in part 4 concludes the work and describes future research paths.

Análisis espectral de señales cardiacas mediante frecuencia dominante

La Ingeniería Biomédica surgió en la década de 1950 como una fascinante mezcla interdisciplinaria, en la cual la ingeniería, la biología y la medicina aunaban esfuerzos para analizar y comprender distintas enfermedades. Las señales existentes en este área deben ser analizadas e interpretadas, más allá de las capacidades limitadas de la simple vista y la experiencia humana. Aquí es donde el procesamiento digital de la señal se postula como una herramienta indispensable para extraer la información relevante oculta en dichas señales. La electrocardiografía fue una de las primeras áreas en las que se aplicó el procesado digital de señales hace más de 50 años. Las señales electrocardiográficas continúan siendo, a día de hoy, objeto de estudio por parte de cardiólogos e ingenieros. En esta área, las técnicas de procesamiento de señal han ayudado a encontrar información oculta a simple vista que ha cambiado la forma de tratar ciertas enfermedades que fueron ya diagnosticadas previamente. Desde entonces, se han desarrollado numerosas técnicas de procesado de señales electrocardiográficas, pudiéndose resumir estas en tres grandes categorías: análisis tiempo-frecuencia, análisis de organización espacio-temporal y separación de la actividad atrial del ruido y las interferencias. Este proyecto se enmarca dentro de la primera categoría, análisis tiempo-frecuencia, y en concreto dentro de lo que se conoce como análisis de frecuencia dominante, la cual se va a aplicar al análisis de señales de fibrilación auricular. El proyecto incluye una parte teórica de análisis y desarrollo de algoritmos de procesado de señal, y una parte práctica, de programación y simulación con Matlab. Matlab es una de las herramientas fundamentales para el procesamiento digital de señales por ordenador, la cual presenta importantes funciones y utilidades para el desarrollo de proyectos en este campo. Por ello, se ha elegido dicho software como herramienta para la implementación del proyecto. ABSTRACT. Biomedical Engineering emerged in the 1950s as a fascinating interdisciplinary blend, in which engineering, biology and medicine pooled efforts to analyze and understand different diseases. Existing signals in this area should be analyzed and interpreted, beyond the limited capabilities of the naked eye and the human experience. This is where the digital signal processing is postulated as an indispensable tool to extract the relevant information hidden in these signals. Electrocardiography was one of the first areas where digital signal processing was applied over 50 years ago. Electrocardiographic signals remain, even today, the subject of close study by cardiologists and engineers. In this area, signal processing techniques have helped to find hidden information that has changed the way of treating certain diseases that were already previously diagnosed. Since then, numerous techniques have been developed for processing electrocardiographic signals. These methods can be summarized into three categories: time-frequency analysis, analysis of spatio-temporal organization and separation of atrial activity from noise and interferences. This project belongs to the first category, time-frequency analysis, and specifically to what is known as dominant frequency analysis, which is one of the fundamental tools applied in the analysis of atrial fibrillation signals. The project includes a theoretical part, related to the analysis and development of signal processing algorithms, and a practical part, related to programming and simulation using Matlab. Matlab is one of the fundamental tools for digital signal processing, presenting significant functions and advantages for the development of projects in this field. Therefore, we have chosen this software as a tool for project implementation.

Análisis, simulación y pruebas de un convertidor DC/DC para aplicaciones aeronáuticas

En la actualidad se está desarrollando la electrónica para el diseño de sistemas de conversión de potencia de alta frecuencia, que reduce notablemente el peso y el ruido de los dispositivos convertidores y aumenta a su vez la densidad de potencia sin afectar negativamente al rendimiento, coste o fiabilidad de dichos dispositivos. La disciplina que se encarga de investigar y crear estos sistemas es la electrónica de potencia. Este documento recoge la metodología empleada para el diseño, análisis y simulación de un convertidor DC/DC de 10 kW de aplicación aeronáutica. Este dispositivo forma parte de un proyecto en el que colaboran el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI - UPM) y las empresas Indra y Airbus. Su objetivo es el diseño y construcción de un rectificador trifásico que proporcione una salida continua de 28 V y 10 kW de potencia. Durante su aplicación final, se dispondrá de dos dispositivos idénticos al diseñado en este proyecto, aportando cada uno de ellos 5 kW, sin embargo, debido a la importancia en seguridad en las aplicaciones aeronáuticas, cada rectificador debe ser capaz de aportar 10 kW de potencia en caso de fallo en uno de ellos. En primer lugar, este trabajo explica el diseño elegido para dicho convertidor, que sigue una topología Dual Active Bridge (DAB), en creciente interés para el desarrollo de dispositivos de potencia en alta frecuencia por sus mejoras en eficiencia y densidad de potencia. Esta topología consiste en dos puentes completos de dispositivos de conmutación, en este caso MOSFET, con un transformador entre medias diseñado para proporcionar la tensión de salida deseada. La topología ha sido modificada para satisfacer especificaciones del proyecto y cumplir las expectativas del diseño preliminar, que se centra en la transición suave de corriente en el transformador, siendo clave el diseño de un filtro resonante en serie con el transformador que proporciona una corriente senoidal con valor nulo en los instantes de conmutación de los MOSFET. Una vez introducida la topología, el siguiente capítulo se centra en el procedimiento de selección de componentes internos del convertidor: destacando el análisis de condensadores y MOSFET. Para su selección, se han estudiado las exigencias eléctricas en los puntos en los que estarán instalados, conociendo así las tensiones y corrientes que deberán soportar. Para asegurar un diseño seguro, los componentes han sido seleccionados de forma que durante su funcionamiento se les exija como máximo el 70% de sus capacidades eléctricas y físicas. Además, a partir de los datos aportados por los fabricantes ha sido posible estimar las pérdidas durante su funcionamiento. Este proyecto tiene un enfoque de aplicación aeronáutica, lo que exige un diseño robusto y seguro, que debe garantizar una detección rápida de fallos, de modo que sea capaz de aislar la anomalía de forma eficaz y no se propague a otros componentes del dispositivo. Para asegurarlo, se ha realizado la selección de sensores de tensión y corriente, que permiten la detección de fallos y la monitorización del convertidor. Al final de este apartado se muestra el esquema de alimentación, se analiza el consumo de los MOSFET y los sensores y se recopilan las pérdidas estimadas por los componentes internos del convertidor. Una vez terminado el diseño y selección de componentes, se muestran las simulaciones realizadas para prever el comportamiento del convertidor. Se presenta el modelo construido y las modificaciones instaladas para las diferentes simulaciones. Se destacan el diseño del regulador que introduce la entrada de corriente del convertidor para analizar su arranque, la construcción de una máquina de estados para analizar la detección de tensiones y corrientes fuera del intervalo correspondiente del correcto funcionamiento, y el modelo de MOSFET para simular los fallos posibles en estos dispositivos. También se analiza la influencia de la oscilación de la carga en los valores de tensión y en la resonancia del convertidor. Tras la simulación del equipo se describen las pruebas realizadas en los componentes magnéticos construidos dentro del periodo de elaboración de este trabajo: el transformador y la bobina externa, diseñada para mejorar el filtro resonante. La etapa final de este trabajo se ha centrado en la elaboración de un código de generación de señales PWM que controlen el funcionamiento de los MOSFET. Para esto se ha programado una tarjeta de control del procesador digital de señales (DSP)Delfino (TMS320F28335) instalado en una placa de experimentación (TMS320C2000), desarrollado por la empresa Texas Instruments, que facilita el acceso a los terminales GPIO y ADC del DSP durante el desarrollo del código, anexo a este documento.

Localización y mapeo visual monocular para robot móvil terrestre aplicado a la inspección ultrasónica aeronáutica

En el ámbito de la robótica de servicio, actualmente no existe una solución automatizada para la inspección ultrasónica de las partes de material compuesto de una aeronave durante las operaciones de mantenimiento que realiza la aerolínea. El desarrollo de las nuevas técnicas de acoplamiento acústico en seco en el método de inspección no destructiva por ultrasonidos, está conduciendo a posibilitar su uso con soluciones de menor coste respecto a las técnicas tradicionales, sin perder eficacia para detectar las deficiencias en las estructuras de material compuesto. Aunque existen aplicaciones de esta técnica con soluciones manuales, utilizadas en las fases de desarrollo y fabricación del material compuesto, o con soluciones por control remoto en sectores diferentes al aeronáutico para componentes metálicos, sin embargo, no existen con soluciones automatizadas para la inspección no destructiva por ultrasonidos de las zonas del avión fabricadas en material compuesto una vez la aeronave ha sido entregada a la aerolínea. El objetivo de este trabajo fin de master es evaluar el sistema de localización, basado en visión por ordenador, de una solución robotizada aplicada la inspección ultrasónica estructural de aeronaves en servicio por parte de las propias aerolíneas, utilizando las nuevas técnicas de acoplamiento acústico en seco, buscando la ventaja de reducir los tiempos y los costes en las operaciones de mantenimiento. Se propone como solución un robot móvil autónomo de pequeño tamaño, con control de posición global basado en técnicas de SLAM Visual Monocular, utilizando marcadores visuales externos para delimitar el área de inspección. Se ha supuesto la inspección de elementos de la aeronave cuya superficie se pueda considerar plana y horizontal, como son las superficies del estabilizador horizontal o del ala. Este supuesto es completamente aceptable en zonas acotadas de estos componentes, y de cara al objetivo del proyecto, no le resta generalidad. El robot móvil propuesto es un vehículo terrestre triciclo, de dos grados de libertad, con un sistema de visión monocular completo embarcado, incluyendo el hardware de procesamiento de visión y control de trayectoria. Las dos ruedas delanteras son motrices y la tercera rueda, loca, sirve únicamente de apoyo. La dirección, de tipo diferencial, permite al robot girar sin necesidad de desplazamiento, al conseguirse por diferencia de velocidad entre la rueda motriz derecha e izquierda. El sistema de inspección ultrasónica embarcado está compuesto por el hardware de procesamiento y registro de señal, y una rueda-sensor situada coaxialmente al eje de las ruedas motrices, y centrada entre estas, de modo que la medida de inspección se realiza en el centro de rotación del robot. El control visual propuesto se realiza mediante una estrategia “ver y mover” basada en posición, ejecutándose de forma secuencial la extracción de características visuales de la imagen, el cálculo de la localización global del robot mediante SLAM visual y el movimiento de éste mediante un algoritmo de control de posición-orientación respecto a referencias de paso de la trayectoria. La trayectoria se planifica a partir del mapa de marcas visuales que delimitan el área de inspección, proporcionado también por SLAM visual. Para validar la solución propuesta se ha optado por desarrollar un prototipo físico tanto del robot como de los marcadores visuales externos, a los que se someterán a una prueba de validación como alternativa a utilizar un entorno simulado por software, consistente en el reconocimiento del área de trabajo, planeamiento de la trayectoria y recorrido de la misma, de forma autónoma, registrando el posicionamiento real del robot móvil junto con el posicionamiento proporcionado por el sistema de localización SLAM. El motivo de optar por un prototipo es validar la solución ante efectos físicos que son muy complicados de modelar en un entorno de simulación, derivados de las limitaciones constructivas de los sistemas de visión, como distorsiones ópticas o saturación de los sensores, y de las limitaciones constructivas de la mecánica del robot móvil que afectan al modelo cinemático, como son el deslizamiento de las ruedas o la fluctuación de potencia de los motores eléctricos. El prototipo de marcador visual externo utilizado para la prueba de validación, ha sido un símbolo plano vertical, en blanco y negro, que consta de un borde negro rectangular dentro del cual se incluye una serie de marcas cuadradas de color negro, cuya disposición es diferente para cada marcador, lo que permite su identificación. El prototipo de robot móvil utilizado para la prueba de validación, ha sido denominado VINDUSTOR: “VIsual controlled Non-Destructive UltraSonic inspecTOR”. Su estructura mecánica ha sido desarrollada a partir de la plataforma comercial de robótica educacional LEGO© MINDSTORMS NXT 2.0, que incluye los dos servomotores utilizados para accionar las dos ruedas motrices, su controlador, las ruedas delanteras y la rueda loca trasera. La estructura mecánica ha sido especialmente diseñada con piezas LEGO© para embarcar un ordenador PC portátil de tamaño pequeño, utilizado para el procesamiento visual y el control de movimiento, y el sistema de captación visual compuesto por dos cámaras web de bajo coste, colocadas una en posición delantera y otra en posición trasera, con el fin de aumentar el ángulo de visión. El peso total del prototipo no alcanza los 2 Kg, siendo sus dimensiones máximas 20 cm de largo, 25 cm de ancho y 26 cm de alto. El prototipo de robot móvil dispone de un control de tipo visual. La estrategia de control es de tipo “ver y mover” dinámico, en la que se realiza un bucle externo, de forma secuencial, la extracción de características en la imagen, la estimación de la localización del robot y el cálculo del control, y en un bucle interno, el control de los servomotores. La estrategia de adquisición de imágenes está basada en un sistema monocular de cámaras embarcadas. La estrategia de interpretación de imágenes está basada en posición tridimensional, en la que los objetivos de control se definen en el espacio de trabajo y no en la imagen. La ley de control está basada en postura, relacionando la velocidad del robot con el error en la posición respecto a las referencias de paso de una trayectoria. La trayectoria es generada a partir del mapa de marcadores visuales externo. En todo momento, la localización del robot respecto a un sistema de referencia externo y el mapa de marcadores, es realizado mediante técnicas de SLAM visual. La auto-localización de un robot móvil dentro de un entorno desconocido a priori constituye uno de los desafíos más importantes en la robótica, habiéndose conseguido su solución en las últimas décadas, con una formulación como un problema numérico y con implementaciones en casos que van desde robots aéreos a robots en entornos cerrados, existiendo numerosos estudios y publicaciones al respecto. La primera técnica de localización y mapeo simultáneo SLAM fue desarrollada en 1989, más como un concepto que como un algoritmo único, ya que su objetivo es gestionar un mapa del entorno constituido por posiciones de puntos de interés, obtenidos únicamente a partir de los datos de localización recogidos por los sensores, y obtener la pose del robot respecto al entorno, en un proceso limitado por el ruido de los sensores, tanto en la detección del entorno como en la odometría del robot, empleándose técnicas probabilísticas aumentar la precisión en la estimación. Atendiendo al algoritmo probabilístico utilizado, las técnicas SLAM pueden clasificarse en las basadas en Filtros de Kalman, en Filtros de Partículas y en su combinación. Los Filtros de Kalman consideran distribuciones de probabilidad gaussiana tanto en las medidas de los sensores como en las medidas indirectas obtenidas a partir de ellos, de modo que utilizan un conjunto de ecuaciones para estimar el estado de un proceso, minimizando la media del error cuadrático, incluso cuando el modelo del sistema no se conoce con precisión, siendo el más utilizado el Filtro de Kalman Extendido a modelos nolineales. Los Filtros de Partículas consideran distribuciones de probabilidad en las medidas de los sensores sin modelo, representándose mediante un conjunto de muestras aleatorias o partículas, de modo que utilizan el método Montecarlo secuencial para estimar la pose del robot y el mapa a partir de ellas de forma iterativa, siendo el más utilizado el Rao-Backwell, que permite obtener un estimador optimizado mediante el criterio del error cuadrático medio. Entre las técnicas que combinan ambos tipos de filtros probabilísticos destaca el FastSLAM, un algoritmo que estima la localización del robot con un Filtro de Partículas y la posición de los puntos de interés mediante el Filtro de Kalman Extendido. Las técnicas SLAM puede utilizar cualquier tipo de sensor que proporcionen información de localización, como Laser, Sonar, Ultrasonidos o Visión. Los sensores basados en visión pueden obtener las medidas de distancia mediante técnicas de visión estereoscópica o mediante técnica de visión monocular. La utilización de sensores basados en visión tiene como ventajas, proporcionar información global a través de las imágenes, no sólo medida de distancia, sino también información adicional como texturas o patrones, y la asequibilidad del hardware frente a otros sensores. Sin embargo, su principal inconveniente es el alto coste computacional necesario para los complejos algoritmos de detección, descripción, correspondencia y reconstrucción tridimensional, requeridos para la obtención de la medida de distancia a los múltiples puntos de interés procesados. Los principales inconvenientes del SLAM son el alto coste computacional, cuando se utiliza un número elevado de características visuales, y su consistencia ante errores, derivados del ruido en los sensores, del modelado y del tratamiento de las distribuciones de probabilidad, que pueden producir el fallo del filtro. Dado que el SLAM basado en el Filtro de Kalman Extendido es una las técnicas más utilizadas, se ha seleccionado en primer lugar cómo solución para el sistema de localización del robot, realizando una implementación en la que las medidas de los sensores y el movimiento del robot son simulados por software, antes de materializarla en el prototipo. La simulación se ha realizado considerando una disposición de ocho marcadores visuales que en todo momento proporcionan ocho medidas de distancia con ruido aleatorio equivalente al error del sensor visual real, y un modelo cinemático del robot que considera deslizamiento de las ruedas mediante ruido aleatorio. Durante la simulación, los resultados han mostrado que la localización estimada por el algoritmo SLAM-EKF presenta tendencia a corregir la localización obtenida mediante la odometría, pero no en suficiente cuantía para dar un resultado aceptable, sin conseguir una convergencia a una solución suficientemente cercana a la localización simulada del robot y los marcadores. La conclusión obtenida tras la simulación ha sido que el algoritmo SLAMEKF proporciona inadecuada convergencia de precisión, debido a la alta incertidumbre en la odometría y a la alta incertidumbre en las medidas de posición de los marcadores proporcionadas por el sensor visual. Tras estos resultados, se ha buscado una solución alternativa. Partiendo de la idea subyacente en los Filtros de Partículas, se ha planteado sustituir las distribuciones de probabilidad gaussianas consideradas por el Filtro de Kalman Extendido, por distribuciones equi-probables que derivan en funciones binarias que representan intervalos de probabilidad no-nula. La aplicación de Filtro supone la superposición de todas las funciones de probabilidad no-nula disponibles, de modo que el resultado es el intervalo donde existe alguna probabilidad de la medida. Cómo la efectividad de este filtro aumenta con el número disponible de medidas, se ha propuesto obtener una medida de la localización del robot a partir de cada pareja de medidas disponibles de posición de los marcadores, haciendo uso de la Trilateración. SLAM mediante Trilateración Estadística (SLAM-ST) es como se ha denominado a esta solución propuesta en este trabajo fin de master. Al igual que con el algoritmo SLAM-EKF, ha sido realizada una implementación del algoritmo SLAM-ST en la que las medidas de los sensores y el movimiento del robot son simulados, antes de materializarla en el prototipo. La simulación se ha realizado en las mismas condiciones y con las mismas consideraciones, para comparar con los resultados obtenidos con el algoritmo SLAM-EKF. Durante la simulación, los resultados han mostrado que la localización estimada por el algoritmo SLAM-ST presenta mayor tendencia que el algoritmo SLAM-EKF a corregir la localización obtenida mediante la odometría, de modo que se alcanza una convergencia a una solución suficientemente cercana a la localización simulada del robot y los marcadores. Las conclusiones obtenidas tras la simulación han sido que, en condiciones de alta incertidumbre en la odometría y en la medida de posición de los marcadores respecto al robot, el algoritmo SLAM-ST proporciona mejores resultado que el algoritmo SLAM-EKF, y que la precisión conseguida sugiere la viabilidad de la implementación en el prototipo. La implementación del algoritmo SLAM-ST en el prototipo ha sido realizada en conjunción con la implementación del Sensor Visual Monocular, el Modelo de Odometría y el Control de Trayectoria. El Sensor Visual Monocular es el elemento del sistema SLAM encargado de proporcionar la posición con respecto al robot de los marcadores visuales externos, a partir de las imágenes obtenidas por las cámaras, mediante técnicas de procesamiento de imagen que permiten detectar e identificar los marcadores visuales que se hallen presentes en la imagen capturada, así como obtener las características visuales a partir de las cuales inferir la posición del marcador visual respecto a la cámara, mediante reconstrucción tridimensional monocular, basada en el conocimiento a-priori del tamaño real del mismo. Para tal fin, se ha utilizado el modelo matemático de cámara pin-hole, y se ha considerado las distorsiones de la cámara real mediante la calibración del sensor, en vez de utilizar la calibración de la imagen, tras comprobar el alto coste computacional que requiere la corrección de la imagen capturada, de modo que la corrección se realiza sobre las características visuales extraídas y no sobre la imagen completa. El Modelo de Odometría es el elemento del sistema SLAM encargado de proporcionar la estimación de movimiento incremental del robot en base a la información proporcionada por los sensores de odometría, típicamente los encoders de las ruedas. Por la tipología del robot utilizado en el prototipo, se ha utilizado un modelo cinemático de un robot tipo uniciclo y un modelo de odometría de un robot móvil de dos ruedas tipo diferencial, en el que la traslación y la rotación se determinan por la diferencia de velocidad de las ruedas motrices, considerando que no existe deslizamiento entre la rueda y el suelo. Sin embargo, el deslizamiento en las ruedas aparece como consecuencia de causas externas que se producen de manera inconstante durante el movimiento del robot que provocan insuficiente contacto de la rueda con el suelo por efectos dinámicos. Para mantener la validez del modelo de odometría en todas estas situaciones que producen deslizamiento, se ha considerado un modelo de incertidumbre basado en un ensayo representativo de las situaciones más habituales de deslizamiento. El Control de Trayectoria es el elemento encargado de proporcionar las órdenes de movimiento al robot móvil. El control implementado en el prototipo está basado en postura, utilizando como entrada la desviación en la posición y orientación respecto a una referencia de paso de la trayectoria. La localización del robot utilizada es siempre de la estimación proporcionada por el sistema SLAM y la trayectoria es planeada a partir del conocimiento del mapa de marcas visuales que limitan el espacio de trabajo, mapa proporcionado por el sistema SLAM. Las limitaciones del sensor visual embarcado en la velocidad de estabilización de la imagen capturada han conducido a que el control se haya implementado con la estrategia “mirar parado”, en la que la captación de imágenes se realiza en posición estática. Para evaluar el sistema de localización basado en visión del prototipo, se ha diseñado una prueba de validación que obtenga una medida cuantitativa de su comportamiento. La prueba consiste en la realización de forma completamente autónoma de la detección del espacio de trabajo, la planificación de una trayectoria de inspección que lo transite completamente, y la ejecución del recorrido de la misma, registrando simultáneamente la localización real del robot móvil junto con la localización proporcionada por el sistema SLAM Visual Monocular. Se han realizado varias ejecuciones de prueba de validación, siempre en las mismas condiciones iniciales de posición de marcadores visuales y localización del robot móvil, comprobando la repetitividad del ensayo. Los resultados presentados corresponden a la consideración de las medidas más pesimistas obtenidas tras el procesamiento del conjunto de medidas de todos los ensayos. Los resultados revelan que, considerando todo el espacio de trabajo, el error de posición, diferencia entre los valores de proporcionados por el sistema SLAM y los valores medidos de posición real, se encuentra en el entorno de la veintena de centímetros. Además, los valores de incertidumbre proporcionados por el sistema SLAM son, en todos los casos, superiores a este error. Estos resultados conducen a concluir que el sistema de localización basado en SLAM Visual, mediante un algoritmo de Trilateración Estadística, usando un sensor visual monocular y marcadores visuales externos, funciona, proporcionando la localización del robot móvil con respecto al sistema de referencia global inicial y un mapa de su situación de los marcadores visuales, con precisión limitada, pero con incertidumbre conservativa, al estar en todo momento el error real de localización por debajo del error estimado. Sin embargo, los resultados de precisión del sistema de localización no son suficientemente altos para cumplir con los requerimientos como solución robotizada aplicada a la inspección ultrasónica estructural de aeronaves en servicio. En este sentido, los resultados sugieren que la posible continuación de este trabajo en el futuro debe centrarse en la mejora de la precisión de localización del robot móvil, con líneas de trabajo encaminadas a mejorar el comportamiento dinámico del prototipo, en mejorar la precisión de las medidas de posición proporcionadas por el sensor visual y en optimizar el resultado del algoritmo SLAM. Algunas de estas líneas futuras podrían ser la utilización de plataformas robóticas de desarrollo alternativas, la exploración de técnicas de visión por computador complementarias, como la odometría visual, la visión omnidireccional, la visión estereoscópica o las técnicas de reconstrucción tridimensional densa a partir de captura monocular, y el análisis de algoritmos SLAM alternativos condicionado a disponer de una sustancial mejora de precisión en el modelo de odometría y en las medidas de posición de los marcadores.

Contribución al análisis multiescala de señales. Aplicación a imágenes de suelos agrícolas y series financieras

En el campo del análisis multirresolución de señales, bien sean señales unidimensionales o imágenes, la transformada wavelet (u ondícula) es una de las herramientas más atractivas y potentes debido a su capacidad de análisis de las estructuras y singularidades presentes en una señal cuando esta es analizada en distintas escalas. Este trabajo parte de la investigación de cómo la modificación directa de los coeficientes wavelets permite añadir información en forma de marcas de agua a una imagen o también como con las mismas técnicas se pueden realizar esquemas relativamente sencillos de eliminación de ruido en imágenes. Estas aplicaciones son el primer paso para entender qué información capturan los coeficientes wavelet obtenidos mediante las distintas versiones existentes de transformada wavelet Siguiendo la relación entre el módulo de los coeficientes wavelets resultantes en distintas escalas llegamos a poder caracterizar las singularidades presentes en señales o imágenes con aplicaciones prácticas en campos como el análisis de imágenes mamográficas. Esta relación no es más que el primer paso para enlazar la teoría wavelet con el formalismo multifractal, relación definida en primera instancia a partir de la transforma wavelet de módulo máximo. El análisis entre señal, transformada wavelet de módulo máximo e información local de cada coeficiente wavelet da origen a la contribución principal de este trabajo de tesis que consiste en la estimación directa de distintos parámetros multifractales a partir del cálculo de coeficientes derivados de manera local para cada muestra de una señal o pixel de una imagen. La metodología propuesta se aplica en primer lugar a señales de una dimensión de gran complejidad o irregularidad como son las series financieras y específicamente los valores que componen el índice Dow Jones. El resultado permite la cuantificación de la volatilidad o riesgo asociado a cada uno de esas series. En segundo lugar y como principal aplicación de la metodología de análisis multiescala propuesta, el trabajo de investigación se centra en cómo calcular parámetros multifractales en imágenes que reflejan la estructura de suelos agrícolas. Estas imágenes son obtenidas bien aplicando un tinte especial o mediante modernas técnicas de tomografía axial computarizada. En ambos casos, el objetivo es completar la caracterización estadística de la geometría de los flujos preferenciales de agua y otras sustancias, aspectos claves para el correcto tratamiento de suelos agrícolas. Para validar e interpretar cada uno de los algoritmos desarrollados se utilizan señales multifractales sintetizadas y se comparan los resultados obtenidos en las distintas aplicaciones respecto de algoritmos ya consolidados en cada caso.

Método experimental para la caracterización de las diferentes tecnologías de integración arquitectónica de la energía fotovoltaica en condiciones de funcionamiento real = Experimental method for characterization of several building integrated photovoltaic technologies under real working conditions

Hoy en día, el proceso de un proyecto sostenible persigue realizar edificios de elevadas prestaciones que son, energéticamente eficientes, saludables y económicamente viables utilizando sabiamente recursos renovables para minimizar el impacto sobre el medio ambiente reduciendo, en lo posible, la demanda de energía, lo que se ha convertido, en la última década, en una prioridad. La Directiva 2002/91/CE "Eficiencia Energética de los Edificios" (y actualizaciones posteriores) ha establecido el marco regulatorio general para el cálculo de los requerimientos energéticos mínimos. Desde esa fecha, el objetivo de cumplir con las nuevas directivas y protocolos ha conducido las políticas energéticas de los distintos países en la misma dirección, centrándose en la necesidad de aumentar la eficiencia energética en los edificios, la adopción de medidas para reducir el consumo, y el fomento de la generación de energía a través de fuentes renovables. Los edificios de energía nula o casi nula (ZEB, Zero Energy Buildings ó NZEB, Net Zero Energy Buildings) deberán convertirse en un estándar de la construcción en Europa y con el fin de equilibrar el consumo de energía, además de reducirlo al mínimo, los edificios necesariamente deberán ser autoproductores de energía. Por esta razón, la envolvente del edifico y en particular las fachadas son importantes para el logro de estos objetivos y la tecnología fotovoltaica puede tener un papel preponderante en este reto. Para promover el uso de la tecnología fotovoltaica, diferentes programas de investigación internacionales fomentan y apoyan soluciones para favorecer la integración completa de éstos sistemas como elementos arquitectónicos y constructivos, los sistemas BIPV (Building Integrated Photovoltaic), sobre todo considerando el próximo futuro hacia edificios NZEB. Se ha constatado en este estudio que todavía hay una falta de información útil disponible sobre los sistemas BIPV, a pesar de que el mercado ofrece una interesante gama de soluciones, en algunos aspectos comparables a los sistemas tradicionales de construcción. Pero por el momento, la falta estandarización y de una regulación armonizada, además de la falta de información en las hojas de datos técnicos (todavía no comparables con las mismas que están disponibles para los materiales de construcción), hacen difícil evaluar adecuadamente la conveniencia y factibilidad de utilizar los componentes BIPV como parte integrante de la envolvente del edificio. Organizaciones internacionales están trabajando para establecer las normas adecuadas y procedimientos de prueba y ensayo para comprobar la seguridad, viabilidad y fiabilidad estos sistemas. Sin embargo, hoy en día, no hay reglas específicas para la evaluación y caracterización completa de un componente fotovoltaico de integración arquitectónica de acuerdo con el Reglamento Europeo de Productos de la Construcción, CPR 305/2011. Los productos BIPV, como elementos de construcción, deben cumplir con diferentes aspectos prácticos como resistencia mecánica y la estabilidad; integridad estructural; seguridad de utilización; protección contra el clima (lluvia, nieve, viento, granizo), el fuego y el ruido, aspectos que se han convertido en requisitos esenciales, en la perspectiva de obtener productos ambientalmente sostenibles, saludables, eficientes energéticamente y económicamente asequibles. Por lo tanto, el módulo / sistema BIPV se convierte en una parte multifuncional del edificio no sólo para ser física y técnicamente "integrado", además de ser una oportunidad innovadora del diseño. Las normas IEC, de uso común en Europa para certificar módulos fotovoltaicos -IEC 61215 e IEC 61646 cualificación de diseño y homologación del tipo para módulos fotovoltaicos de uso terrestre, respectivamente para módulos fotovoltaicos de silicio cristalino y de lámina delgada- atestan únicamente la potencia del módulo fotovoltaico y dan fe de su fiabilidad por un período de tiempo definido, certificando una disminución de potencia dentro de unos límites. Existe también un estándar, en parte en desarrollo, el IEC 61853 (“Ensayos de rendimiento de módulos fotovoltaicos y evaluación energética") cuyo objetivo es la búsqueda de procedimientos y metodologías de prueba apropiados para calcular el rendimiento energético de los módulos fotovoltaicos en diferentes condiciones climáticas. Sin embargo, no existen ensayos normalizados en las condiciones específicas de la instalación (p. ej. sistemas BIPV de fachada). Eso significa que es imposible conocer las efectivas prestaciones de estos sistemas y las condiciones ambientales que se generan en el interior del edificio. La potencia nominal de pico Wp, de un módulo fotovoltaico identifica la máxima potencia eléctrica que éste puede generar bajo condiciones estándares de medida (STC: irradición 1000 W/m2, 25 °C de temperatura del módulo y distribución espectral, AM 1,5) caracterizando eléctricamente el módulo PV en condiciones específicas con el fin de poder comparar los diferentes módulos y tecnologías. El vatio pico (Wp por su abreviatura en inglés) es la medida de la potencia nominal del módulo PV y no es suficiente para evaluar el comportamiento y producción del panel en términos de vatios hora en las diferentes condiciones de operación, y tampoco permite predecir con convicción la eficiencia y el comportamiento energético de un determinado módulo en condiciones ambientales y de instalación reales. Un adecuado elemento de integración arquitectónica de fachada, por ejemplo, debería tener en cuenta propiedades térmicas y de aislamiento, factores como la transparencia para permitir ganancias solares o un buen control solar si es necesario, aspectos vinculados y dependientes en gran medida de las condiciones climáticas y del nivel de confort requerido en el edificio, lo que implica una necesidad de adaptación a cada contexto específico para obtener el mejor resultado. Sin embargo, la influencia en condiciones reales de operación de las diferentes soluciones fotovoltaicas de integración, en el consumo de energía del edificio no es fácil de evaluar. Los aspectos térmicos del interior del ambiente o de iluminación, al utilizar módulos BIPV semitransparentes por ejemplo, son aún desconocidos. Como se dijo antes, la utilización de componentes de integración arquitectónica fotovoltaicos y el uso de energía renovable ya es un hecho para producir energía limpia, pero también sería importante conocer su posible contribución para mejorar el confort y la salud de los ocupantes del edificio. Aspectos como el confort, la protección o transmisión de luz natural, el aislamiento térmico, el consumo energético o la generación de energía son aspectos que suelen considerarse independientemente, mientras que todos juntos contribuyen, sin embargo, al balance energético global del edificio. Además, la necesidad de dar prioridad a una orientación determinada del edificio, para alcanzar el mayor beneficio de la producción de energía eléctrica o térmica, en el caso de sistemas activos y pasivos, respectivamente, podría hacer estos últimos incompatibles, pero no necesariamente. Se necesita un enfoque holístico que permita arquitectos e ingenieros implementar sistemas tecnológicos que trabajen en sinergia. Se ha planteado por ello un nuevo concepto: "C-BIPV, elemento fotovoltaico consciente integrado", esto significa necesariamente conocer los efectos positivos o negativos (en términos de confort y de energía) en condiciones reales de funcionamiento e instalación. Propósito de la tesis, método y resultados Los sistemas fotovoltaicos integrados en fachada son a menudo soluciones de vidrio fácilmente integrables, ya que por lo general están hechos a medida. Estos componentes BIPV semitransparentes, integrados en el cerramiento proporcionan iluminación natural y también sombra, lo que evita el sobrecalentamiento en los momentos de excesivo calor, aunque como componente estático, asimismo evitan las posibles contribuciones pasivas de ganancias solares en los meses fríos. Además, la temperatura del módulo varía considerablemente en ciertas circunstancias influenciada por la tecnología fotovoltaica instalada, la radiación solar, el sistema de montaje, la tipología de instalación, falta de ventilación, etc. Este factor, puede suponer un aumento adicional de la carga térmica en el edificio, altamente variable y difícil de cuantificar. Se necesitan, en relación con esto, más conocimientos sobre el confort ambiental interior en los edificios que utilizan tecnologías fotovoltaicas integradas, para abrir de ese modo, una nueva perspectiva de la investigación. Con este fin, se ha diseñado, proyectado y construido una instalación de pruebas al aire libre, el BIPV Env-lab "BIPV Test Laboratory", para la caracterización integral de los diferentes módulos semitransparentes BIPV. Se han definido también el método y el protocolo de ensayos de caracterización en el contexto de un edificio y en condiciones climáticas y de funcionamiento reales. Esto ha sido posible una vez evaluado el estado de la técnica y la investigación, los aspectos que influyen en la integración arquitectónica y los diferentes tipos de integración, después de haber examinado los métodos de ensayo para los componentes de construcción y fotovoltaicos, en condiciones de operación utilizadas hasta ahora. El laboratorio de pruebas experimentales, que consiste en dos habitaciones idénticas a escala real, 1:1, ha sido equipado con sensores y todos los sistemas de monitorización gracias a los cuales es posible obtener datos fiables para evaluar las prestaciones térmicas, de iluminación y el rendimiento eléctrico de los módulos fotovoltaicos. Este laboratorio permite el estudio de tres diferentes aspectos que influencian el confort y consumo de energía del edificio: el confort térmico, lumínico, y el rendimiento energético global (demanda/producción de energía) de los módulos BIPV. Conociendo el balance de energía para cada tecnología solar fotovoltaica experimentada, es posible determinar cuál funciona mejor en cada caso específico. Se ha propuesto una metodología teórica para la evaluación de estos parámetros, definidos en esta tesis como índices o indicadores que consideran cuestiones relacionados con el bienestar, la energía y el rendimiento energético global de los componentes BIPV. Esta metodología considera y tiene en cuenta las normas reglamentarias y estándares existentes para cada aspecto, relacionándolos entre sí. Diferentes módulos BIPV de doble vidrio aislante, semitransparentes, representativos de diferentes tecnologías fotovoltaicas (tecnología de silicio monocristalino, m-Si; de capa fina en silicio amorfo unión simple, a-Si y de capa fina en diseleniuro de cobre e indio, CIS) fueron seleccionados para llevar a cabo una serie de pruebas experimentales al objeto de demostrar la validez del método de caracterización propuesto. Como resultado final, se ha desarrollado y generado el Diagrama Caracterización Integral DCI, un sistema gráfico y visual para representar los resultados y gestionar la información, una herramienta operativa útil para la toma de decisiones con respecto a las instalaciones fotovoltaicas. Este diagrama muestra todos los conceptos y parámetros estudiados en relación con los demás y ofrece visualmente toda la información cualitativa y cuantitativa sobre la eficiencia energética de los componentes BIPV, por caracterizarlos de manera integral. ABSTRACT A sustainable design process today is intended to produce high-performance buildings that are energy-efficient, healthy and economically feasible, by wisely using renewable resources to minimize the impact on the environment and to reduce, as much as possible, the energy demand. In the last decade, the reduction of energy needs in buildings has become a top priority. The Directive 2002/91/EC “Energy Performance of Buildings” (and its subsequent updates) established a general regulatory framework’s methodology for calculation of minimum energy requirements. Since then, the aim of fulfilling new directives and protocols has led the energy policies in several countries in a similar direction that is, focusing on the need of increasing energy efficiency in buildings, taking measures to reduce energy consumption, and fostering the use of renewable sources. Zero Energy Buildings or Net Zero Energy Buildings will become a standard in the European building industry and in order to balance energy consumption, buildings, in addition to reduce the end-use consumption should necessarily become selfenergy producers. For this reason, the façade system plays an important role for achieving these energy and environmental goals and Photovoltaic can play a leading role in this challenge. To promote the use of photovoltaic technology in buildings, international research programs encourage and support solutions, which favors the complete integration of photovoltaic devices as an architectural element, the so-called BIPV (Building Integrated Photovoltaic), furthermore facing to next future towards net-zero energy buildings. Therefore, the BIPV module/system becomes a multifunctional building layer, not only physically and functionally “integrated” in the building, but also used as an innovative chance for the building envelope design. It has been found in this study that there is still a lack of useful information about BIPV for architects and designers even though the market is providing more and more interesting solutions, sometimes comparable to the existing traditional building systems. However at the moment, the lack of an harmonized regulation and standardization besides to the non-accuracy in the technical BIPV datasheets (not yet comparable with the same ones available for building materials), makes difficult for a designer to properly evaluate the fesibility of this BIPV components when used as a technological system of the building skin. International organizations are working to establish the most suitable standards and test procedures to check the safety, feasibility and reliability of BIPV systems. Anyway, nowadays, there are no specific rules for a complete characterization and evaluation of a BIPV component according to the European Construction Product Regulation, CPR 305/2011. BIPV products, as building components, must comply with different practical aspects such as mechanical resistance and stability; structural integrity; safety in use; protection against weather (rain, snow, wind, hail); fire and noise: aspects that have become essential requirements in the perspective of more and more environmentally sustainable, healthy, energy efficient and economically affordable products. IEC standards, commonly used in Europe to certify PV modules (IEC 61215 and IEC 61646 respectively crystalline and thin-film ‘Terrestrial PV Modules-Design Qualification and Type Approval’), attest the feasibility and reliability of PV modules for a defined period of time with a limited power decrease. There is also a standard (IEC 61853, ‘Performance Testing and Energy Rating of Terrestrial PV Modules’) still under preparation, whose aim is finding appropriate test procedures and methodologies to calculate the energy yield of PV modules under different climate conditions. Furthermore, the lack of tests in specific conditions of installation (e.g. façade BIPV devices) means that it is difficult knowing the exact effective performance of these systems and the environmental conditions in which the building will operate. The nominal PV power at Standard Test Conditions, STC (1.000 W/m2, 25 °C temperature and AM 1.5) is usually measured in indoor laboratories, and it characterizes the PV module at specific conditions in order to be able to compare different modules and technologies on a first step. The “Watt-peak” is not enough to evaluate the panel performance in terms of Watt-hours of various modules under different operating conditions, and it gives no assurance of being able to predict the energy performance of a certain module at given environmental conditions. A proper BIPV element for façade should take into account thermal and insulation properties, factors as transparency to allow solar gains if possible or a good solar control if necessary, aspects that are linked and high dependent on climate conditions and on the level of comfort to be reached. However, the influence of different façade integrated photovoltaic solutions on the building energy consumption is not easy to assess under real operating conditions. Thermal aspects, indoor temperatures or luminance level that can be expected using building integrated PV (BIPV) modules are not well known. As said before, integrated photovoltaic BIPV components and the use of renewable energy is already a standard for green energy production, but would also be important to know the possible contribution to improve the comfort and health of building occupants. Comfort, light transmission or protection, thermal insulation or thermal/electricity power production are aspects that are usually considered alone, while all together contribute to the building global energy balance. Besides, the need to prioritize a particular building envelope orientation to harvest the most benefit from the electrical or thermal energy production, in the case of active and passive systems respectively might be not compatible, but also not necessary. A holistic approach is needed to enable architects and engineers implementing technological systems working in synergy. A new concept have been suggested: “C-BIPV, conscious integrated BIPV”. BIPV systems have to be “consciously integrated” which means that it is essential to know the positive and negative effects in terms of comfort and energy under real operating conditions. Purpose of the work, method and results The façade-integrated photovoltaic systems are often glass solutions easily integrable, as they usually are custommade. These BIPV semi-transparent components integrated as a window element provides natural lighting and shade that prevents overheating at times of excessive heat, but as static component, likewise avoid the possible solar gains contributions in the cold months. In addition, the temperature of the module varies considerably in certain circumstances influenced by the PV technology installed, solar radiation, mounting system, lack of ventilation, etc. This factor may result in additional heat input in the building highly variable and difficult to quantify. In addition, further insights into the indoor environmental comfort in buildings using integrated photovoltaic technologies are needed to open up thereby, a new research perspective. This research aims to study their behaviour through a series of experiments in order to define the real influence on comfort aspects and on global energy building consumption, as well as, electrical and thermal characteristics of these devices. The final objective was to analyze a whole set of issues that influence the global energy consumption/production in a building using BIPV modules by quantifying the global energy balance and the BIPV system real performances. Other qualitative issues to be studied were comfort aspect (thermal and lighting aspects) and the electrical behaviour of different BIPV technologies for vertical integration, aspects that influence both energy consumption and electricity production. Thus, it will be possible to obtain a comprehensive global characterization of BIPV systems. A specific design of an outdoor test facility, the BIPV Env-lab “BIPV Test Laboratory”, for the integral characterization of different BIPV semi-transparent modules was developed and built. The method and test protocol for the BIPV characterization was also defined in a real building context and weather conditions. This has been possible once assessed the state of the art and research, the aspects that influence the architectural integration and the different possibilities and types of integration for PV and after having examined the test methods for building and photovoltaic components, under operation conditions heretofore used. The test laboratory that consists in two equivalent test rooms (1:1) has a monitoring system in which reliable data of thermal, daylighting and electrical performances can be obtained for the evaluation of PV modules. The experimental set-up facility (testing room) allows studying three different aspects that affect building energy consumption and comfort issues: the thermal indoor comfort, the lighting comfort and the energy performance of BIPV modules tested under real environmental conditions. Knowing the energy balance for each experimented solar technology, it is possible to determine which one performs best. A theoretical methodology has been proposed for evaluating these parameters, as defined in this thesis as indices or indicators, which regard comfort issues, energy and the overall performance of BIPV components. This methodology considers the existing regulatory standards for each aspect, relating them to one another. A set of insulated glass BIPV modules see-through and light-through, representative of different PV technologies (mono-crystalline silicon technology, mc-Si, amorphous silicon thin film single junction, a-Si and copper indium selenide thin film technology CIS) were selected for a series of experimental tests in order to demonstrate the validity of the proposed characterization method. As result, it has been developed and generated the ICD Integral Characterization Diagram, a graphic and visual system to represent the results and manage information, a useful operational tool for decision-making regarding to photovoltaic installations. This diagram shows all concepts and parameters studied in relation to each other and visually provides access to all the results obtained during the experimental phase to make available all the qualitative and quantitative information on the energy performance of the BIPV components by characterizing them in a comprehensive way.

Barrios saludables

Desde finales del siglo anterior, el desarrollo sostenible se ha mostrado como el camino necesario para afrontar los grandes retos de las ciudades. Con más de veinte años transcurridos desde la emblemática Cumbre de Rio de Janeiro (1992), en 2015 se pueden evaluar las fortalezas y debilidades que se han abierto con este nuevo objetivo global para ser aplicado desde las escalas locales. Un nuevo camino aparece con fuerza, el de los barrios saludables, entendiéndolos como una célula básica de sostenibilidad donde se pueden resolver satisfactoriamente gran cantidad de problemáticas sociales y ambientales, como son la contaminación ambiental, el ruido urbano, la reducción del CO2, el aumento de las zonas verdes, el control microclimático de los espacios urbanos, el uso adecuado del espacio público y la reducción del stress urbano también necesario para la salud mental de todos los residentes. El texto resume estos objetivos para la planificación urbana.

Sistema de seguridad basado en la clasificación de eventos sonoros

La teoría de reconocimiento y clasificación de patrones y el aprendizaje automático son actualmente áreas de conocimiento en constante desarrollo y con aplicaciones prácticas en múltiples ámbitos de la industria. El propósito de este Proyecto de Fin de Grado es el estudio de las mismas así como la implementación de un sistema software que dé solución a un problema de clasificación de ruido impulsivo, concretamente mediante el desarrollo de un sistema de seguridad basado en la clasificación de eventos sonoros en tiempo real. La solución será integral, comprendiendo todas las fases del proceso, desde la captación de sonido hasta el etiquetado de los eventos registrados, pasando por el procesado digital de señal y la extracción de características. Para su desarrollo se han diferenciado dos partes fundamentales; una primera que comprende la interfaz de usuario y el procesado de la señal de audio donde se desarrollan las labores de monitorización y detección de ruido impulsivo y otra segunda centrada únicamente en la clasificación de los eventos sonoros detectados, definiendo una arquitectura de doble clasificador donde se determina si los eventos detectados son falsas alarmas o amenazas, etiquetándolos como de un tipo concreto en este segundo caso. Los resultados han sido satisfactorios, mostrando una fiabilidad global en el proceso de entorno al 90% a pesar de algunas limitaciones a la hora de construir la base de datos de archivos de audio, lo que prueba que un dispositivo de seguridad basado en el análisis de ruido ambiente podría incluirse en un sistema integral de alarma doméstico aumentando la protección del hogar. ABSTRACT. Pattern classification and machine learning are currently expertise areas under continuous development and also with extensive applications in many business sectors. The aim of this Final Degree Project is to study them as well as the implementation of software to carry on impulsive noise classification tasks, particularly through the development of a security system based on sound events classification. The solution will go over all process stages, from capturing sound to the labelling of the events recorded, without forgetting digital signal processing and feature extraction, everything in real time. In the development of the Project a distinction has been made between two main parts. The first one comprises the user’s interface and the audio signal processing module, where monitoring and impulsive noise detection tasks take place. The second one is focussed in sound events classification tasks, defining a double classifier architecture where it is determined whether detected events are false alarms or threats, labelling them from a concrete category in the latter case. The obtained results have been satisfactory, with an overall reliability of 90% despite some limitations when building the audio files database. This proves that a safety device based on the analysis of environmental noise could be included in a full alarm system increasing home protection standards.

Análisis experimental de las transmisiones indirectas en particiones de doble hoja de fábrica de ladrillo, propuesta de métodos de cuantificación para la mejora del aislamiento acústico

Esta investigación aborda el estudio de la influencia de las uniones en el aislamiento acústico a ruido aéreo en los edificios y el análisis de las transmisiones indirectas producidas en particiones de dos hojas de ladrillo cerámico sobre bandas elásticas. La transmisión de ruido entre dos recintos separados por una partición se produce por dos vías: La vía directa a través del elemento que separa los dos recintos y la vía indirecta, a través de los elementos de flanco, como forjados, particiones, fachadas, etc. que conectados a dicho elemento de separación, vibran en presencia del campo acústico transmitiendo sus vibraciones al recinto receptor. Si las transmisiones indirectas son dominantes, el aislamiento acústico “in situ” puede ser menor que el esperado. El parámetro que expresa la atenuación acústica en las uniones es el índice de reducción vibracional en la unión o Kij. Éste parámetro se utiliza en los métodos de cálculo del aislamiento acústico a ruido aéreo, que permiten la justificación del cumplimiento de la normativa actual, el Documento Básico DB HR Protección frente al ruido del CTE. La determinación de los índices Kij de las uniones es una cuestión que debe abordarse de forma experimental. Existen diferentes expresiones empíricas obtenidas en varios laboratorios europeos que permiten el cálculo del índice Kij, pero no se han validado con ensayos realizados en soluciones habituales en la construcción española, como las estudiadas en este trabajo. El objetivo de este trabajo es la medida, análisis y cuantificación de las transmisiones indirectas producidas en las uniones de elementos de dos hojas de fábrica de ladrillo cerámico. Se ha recurrido a una campaña de ensayos en la que se reproducían las condiciones de un edificio real y se ha medido el aislamiento acústico a ruido aéreo y los índices Kij de diferentes configuraciones de uniones. Del análisis de los resultados, se demuestra que el aislamiento acústico a ruido aéreo depende de las uniones, pudiéndose obtener mejoras significativas al variar la forma de unión entre los elementos constructivos. Las mejoras de aislamiento acústico están relacionadas con un buen diseño de las uniones y con valores elevados del índice Kij. Este trabajo aporta valores experimentales de Kij para soluciones de fábrica de ladrillo y pone en discusión los valores teóricos que actualmente aparecen en la normativa vigente. ABSTRACT This research work deals with the effects of junction construction details on airborne sound insulation in buildings and the analysis of flanking transmissions across double ceramic brick walls with elastic interlayers. The sound transmission between two adjacent rooms comprises two paths: the direct path, caused by the incident sound on a separating wall, and the indirect path, through flanking elements connected to the separating wall, such as floors, internal walls, ceilings, etc. Flanking elements vibrate when excited in the sound field, thus transferring sound via structure borne to the receiving room. Dominant flanking transmissions can decrease the field sound insulation performance of the building. The vibration reduction index, Kij. expresses the acoustic attenuation of construction joints. This is an input parameter in the calculation models designed to estimate the airborne sound insulation between adjoining rooms in buildings. These models are used to comply with the acoustic requirements set by Basic Document DB HR Protection against noise included in the Spanish Building Code. The characterization of Kij. must be addressed experimentally by means of measurements. The available empirical Kij. formulae were developed in different European laboratories, but they have not been validated with standard tests performed on common Spanish walls, such as those studied in this work. The aim of this work is the measurement, analysis and quantification of indirect transmissions though joints of double ceramic brick walls. Airborne sound insulation tests and Kij measurements were performed in a laboratory which emulated the conditions of a real building. These tests were performed in different partitions whose joints were modified. It follows from the analysis of the results that airborne sound insulation depends strongly on the design of joints. Sound insulation improves when the joints between construction elements are modified to eliminate acoustic bridges. The increase in sound insulation corresponds to best practice design of joints and to high Kij values. This research work provides experimental Kij data of double ceramic brick walls and the results put in discussion the theoretical values set in the current Standards.

El concurso “Berlin Hauptstadt” 1957-1958 : aproximaciones al proyecto de espacio público europeo de posguerra

1. INTRODUCCION 2. LA ORGANIZACIÓN DEL CONCURSO 3. MONUMENTALIDAD Y ESCALAS CERCANAS Los CIAM de Bridgewater y Hoddesdon. El carácter institucional del urbanismo moderno Las propuestas premiadas 4. PLANTA LIBRE Y PREEXISTENCIAS El CIAM 7 de Bérgamo. El debate sobre la reconstrucción Nada que conservar. La propuesta de Le Corbusier Desde el interior. La propuesta de Luiggi Piccinato 5. LA VIDA EN LA CALLE. SUPERPOSICION DE USOS EN EL ESPACIO PÚBLICO De Hoddesdon al manifiesto de Doorn y Dubrovnic. Usos compartidos. La propuesta de Van der Broeck y Bakema Una calle en alto. La propuesta de Alison y Peter Smithson “The charged void”. Dos sillas y el rastro de una acción 6. EL PAISAJE COMO PUNTO DE PARTIDA El CIAM de la Sarraz. Hacia una definición de “Urbanismo” De la “Grosstadt” al “StadtLandschaft”. La propuesta de Korn y Rosemberg Infraestructuras para un paisaje de mesetas. La propuesta de Abben, Anderson y Utzon 7. OTRAS HUELLAS PARA OTRA SOCIEDAD Forma y contenido de Berlín-Mitte. La propuesta de Scharoun. El paisaje chino propuesto por Ebert y Scharoun 8. CONCLUSIONES Cambios de contexto y búsqueda pragmática De la necesidad de humanizar. Momentos de conciencia INTRODUCCION El espacio público siendo quizás uno de los campos en que con más frecuencia se trabaja en los últimos años, carece sin embargo de episodios suficientemente alejados en el tiempo que nos permitan reconocer su historia reciente. La irrupción del pensamiento organicista y más tarde existencialista tras el final de la 2ª Guerra Mundial cambiaron el modo de pensar en todas las áreas del conocimiento, también en aquellas relativas al urbanismo y el proyecto de ciudad. El cambio de contexto encontrado en las capitales europeas tras los bombardeos de la Guerra (figura1) cristalizó en la necesidad de una ciudad “humanizada”. Esta necesidad se reconoce en algunas propuestas aisladas de aquellos años que se han estudiado usualmente como precursoras de otras mas actuales , pero son cuestiones que también fueron transformando la forma de pensar el espacio público en los diferentes debates de urbanismo llevados a cabo en los Congresos Internacionales de Arquitectura Moderna, influyendo de manera determinante en la continua revisión de las prerrogativas de la “Carta de Atenas” y llegando a estar en la base de su disolución final escenificada por el Team X en Oterloo en 1959. A pesar de las continuas revisiones que se habían llevado a cabo en el periodo de postguerra, la distancia entre los presupuestos teóricos y las realidades urbanas que se encontraban los participantes en los CIAM de aquella época, llevó a un cierto escepticismo y a un desplazamiento de intereses desde la teoría urbanística a la práctica proyectiva, tratando de resolver cuestiones concretas para posteriormente extraer conclusiones. LA ORGANIZACIÓN DEL CONCURSO El concurso: “Berlin Hauptstadt”, un ambicioso Plan para la Capital de una Alemania unida convocado en 1957 por la “Internationalles Bauaustellung” berlinesa, fue un último episodio en los debates de urbanismo moderno de aquel periodo de disolución que nos muestra las incertidumbres y contradicciones de algunos participantes al enfrentarse al proyecto de espacio público desde la desconfianza en las bases teóricas. Si bien en cuanto a los proyectos de edificación, apenas se percibieron cambios en las propuestas presentadas al concurso, en algunos casos, el proyecto de espacio público si presentó ciertas variaciones respecto a las pautas urbanísticas presentadas por los CIAM de aquellos años. Se plantea el estudio de Berlin Hauptstadt como un último registro de estas reacciones pragmáticas ante el cambio de contexto, que nos permita encontrar matices y diferencias de interpretación entre algunas de las propuestas para desvelar a través de ellas las condiciones latentes en el proyecto de espacio público de posguerra europeo. La batalla propagandística derivada de la tensión existente entre los dos bloques que gobernaban la capital alemana en aquellos años, protagonizó la mayor parte de las decisiones sobre la ciudad y sus espacios públicos. En Berlín occidental se realizaron múltiples exposiciones sobre los diversos planes urbanísticos propuestos divulgando un modelo de ciudad moderna abierta y de planta libre, que equilibraría las carencias de soleamiento y espacios verdes existentes hasta el estallido de la Guerra. Entre otras, se impulsó la “Internationalles Bauaustellung” en 1957 conocida como IBA´57, en la que se llevaron a cabo actuaciones como la reconstrucción del nuevo “Hansaviertel” además de otros eventos entre los que destacaba el concurso “Berlin Hauptstadt”. Berlín se presentaba en la convocatoria como la futura capital de una Alemania unificada, que le llevaba a asumir un programa muy extenso y segregado, basado en una nueva red de autopistas y ferrocarriles común para toda la ciudad. Esta utópica premisa fue sin embargo acogida con cierta esperanza de viabilidad real por parte de los participantes, quienes en su mayoría mostraron una preocupación común por lo que coincidieron en llamar “humanizierung der Stadt” la humanización de la ciudad en las memorias presentadas. La humanización era sin embargo algo difícil de lograr en el Berlín de aquellos años. La ciudad o mejor dicho las dos ciudades estaban una vez más sumidas en su propia idea de reconstrucción, como la capital “permanentemente a medio hacer” que ya describía Karl Scheffer a principios de siglo XX. De este modo mientras Berlín era proyectado desde estudios provenientes de países lejanos, para unas autoridades militares afanadas en ganar su particular batalla propagandística con el urbanismo como mejor arma, la necesidad de humanizar el espacio público se fue haciendo cada vez más presente con el paso de los años. Una ciudad real, habitada desde el espacio necesario para las acciones cotidianas, se iba consolidando silenciosamente sobre los descampados y vacíos urbanos de la capital. Las fotografías de Fritz Tiedemann y Arno Fischer (figuras 4,5,6,7) realizadas durante los primeros años tras el final de la guerra, nos muestran un paisaje de ruinas y escombros en las que quedaban registradas los rastros de una escondida cotidianeidad. En estas fotografías las ausencias se hacían mas presentes que las ruinas de la ciudad anterior, enfocando las imágenes en los ejes de las interminables avenidas, la antigua capital prusiana se percibe como un descampado continuo . MONUMENTALIDAD Y ESCALAS CERCANAS Los CIAM de Bridgewater y Hoddesdon. El carácter institucional del urbanismo moderno La mayoría de las propuestas presentadas al Concurso Berlin Hauptstadt, se desarrollaron por tanto desde unas premisas modernas que ya entonces llevaban más de una década en crisis continua. La eclosión de nuevos países en todo el mundo, que inauguraban sus recién instauradas democracias con nuevas capitales que las representasen, había alimentado durante aquellos años las discusiones teóricas llevadas a cabo en el seno de los CIAM actualizando en ciertos aspectos una “Carta de Atenas” que sin embargo se mostraban incompatibles con la recuperación de las ciudades europeas tras los bombardeos de la 2ª Guerra mundial. Estos desencuentros habían ido cambiando la forma de pensar el espacio público e intensificando su debate en los últimos Congresos Internacionales de Arquitectura Moderna. Las críticas a las actas del primer CIAM celebrado tras el final de la contienda en Bridgewater (Reino Unido) en 1947, recogidas en escritos como “Monumentalist, Symbolism and Style” por Lewis Mumford y repetidas en distintas ocasiones desde que declinó la invitación de José Luis Sert para redactar el prólogo de “Can our cities survive?” en 1940, empezaron a desestabilizar las hasta entonces férreas convicciones de los participantes. La búsqueda de una ciudad más humanizada apareció como preocupación común en las actas redactadas por Giedion, donde se entendía además logro suficiente la reanudación de los encuentros, emplazándose a proponer los temas a debatir en el próximo Congreso . Esta cualidad humana era la base del “corazón de la ciudad” que José Luis Sert propondría como tema repetidamente hasta que finalmente fue recogido como título del CIAM 8 celebrado en Hoddesdon (Inglaterra) en 1951. También sería en Hoddesdon, donde como expone Eric P. Mumford , donde se confirmó una cierta conciencia de globalización de los preceptos modernos que ya aceptados como lugar común por los poderes políticos de los distintos gobiernos no podrían volver a jugar el papel de vanguardia que se le suponía. Las propuestas premiadas Pocos años después en 1967 en su monografía editada por W. Boesiger y H. Girsberger44: Le Corbusier dejaba constancia del airado desacuerdo con que recibió el fallo del jurado, en un escrito publicado “El hecho de pensar en urbanismo en 3 dimensiones fue considerado como un crimen. De 86 proyectos se admitieron 13, pero el decimotercero era el de Le Corbusier. Fue eliminado.” Criticando así una referencia que hacían las actas a los enormes rascacielos de planta triangular que el maestro suizo superponía sobre la vieja trama berlinesa. A pesar de las enormes dificultades existentes en las Alemanias de después de la Guerra, el espíritu con que se había propuesto el concurso Berlin Hauptstadt desde la organización del IBA´57, era muy próximo al de las nuevas capitales democráticas recién fundadas profusamente expuestas en 1951 en el CIAM de Hoddesdon. Se hacía mas hincapié en lograr estos aspectos representativos y de escala monumental que debían tener las áreas institucionales que en atender a las condiciones de entendimiento con el centro histórico que tanto preocupaban ya en otras capitales europeas aquellos años. Pero si bien las bases del Concurso se habían establecido sobre estos criterios, la resolución del jurado tuvo sin embargo muy en cuenta ciertas consideraciones en cuanto a la escala de las nuevas edificaciones propuestas y al encuentro con la estructura de la ciudad existente. PLANTA LIBRE Y PREEXISTENCIAS El CIAM 7 de Bérgamo. Intervenir sobre lo existente Los principios del urbanismo moderno descritos en los CIAM de los años 1920 y 1930, desde las primeras ciudades ideales propuestas hasta la redacción de la más tarde conocida como “Carta de Atenas”, estaban pensados generalmente sobre una naturaleza teórica más o menos fértil y habitable que obviaba aquellas particularidades del lugar en el que se producían. Tras la guerra, los desoladores paisajes de retazos urbanos en que se habían convertido las capitales europeas, hacían difícil ignorar las nuevas condiciones del terreno con las ruinas de unas ciudades que poco antes estaban allí. La propuesta para la reconstrucción de Milán, fue presentada por Ernst N. Rogers en la primera sesión del CIAM de Bérgamo, como un trabajo acorde con los preceptos urbanísticos de la Carta de Atenas y capaz de incorporar la restauración de los centros históricos como parte de un plan urbanístico moderno. Se reabría así un debate en el seno de los CIAM, después de que hubiese sido ya puesto sobre la mesa por los arquitectos polacos de origen judío Helena y Syzmon Syrkus en las reuniones preparativas para el CIAM 7 llevadas a cabo un año antes en Paris. El Plan “Varsovia Socialista” incorporaba la reconstrucción del centro histórico de las ciudades a otras actuaciones basadas en la Carta de Atenas, como una reivindicación de identidad cultural ante la barbarie nazi. Helena Syrkus, a quien Giedion reservó una hora en la rueda de conferencias de la sesión inaugural del CIAM de Bérgamo, reclamaba este tipo de actuaciones como parte de una revolución “socialista-realista” que suponía un cambio cultural en la vida de los ciudadanos. Estas intervenciones, llevaron a un debate más amplio que el de la reconstrucción y conservación de centros históricos, planteándose asuntos que eran debatidos por la ciudadanía en otros ámbitos. Nada que conservar. La propuesta de Le Corbusier Le Corbusier (figura1), llevó a cabo Berlin Hauptstadt en paralelo a otros trabajos que ya en aquella época prestaban mas atención a las condiciones particulares del lugar como Chandigarh, trabajó en Berlin partiendo desde un plano teórico con el que superponía con toda libertad una versión reeditada de la “Ville Radieuse”, apenas adaptada al entramado aún presente de la antigua ciudad. Así describía la situación de partida: ”No había duda, no se habrían de destruir obras maestras del pasado para reconstruir. La demolición se debió a los aviones y no quedaba nada de todo el centro de Berlín.” Desde el interior. La propuesta de Luiggi Piccinato El final caótico del Congreso de Bérgamo, tuvo aún una última crítica quizás una de las más difíciles de salvar meses después de la clausura. El crítico italiano formado en Harvard Bruno Zevi dirigía una carta a los participantes: “De´lla cultura architettonica: Messagio al Congrés International d´Architecture Moderne”. poniendo de relieve cómo los CIAM habían perdido la batalla para liderar el debate arquitectónico al no contar con algunos de los arquitectos de la escena internacional que habían desarrollado sobre los principios de Frank Lloyd Wright, una arquitectura llamada orgánica. Con estos principios se trasladaba la idea de construir desde el interior hacia el exterior tanto la arquitectura como la propia ciudad, heredando las estructuras existentes y desarrollándolas como el crecimiento continuo de los organismos vivos. Este principio hacía necesario alejarse de los planteamientos más teóricos del urbanismo moderno, en favor de una práctica proyectiva concreta que asumiera las vicisitudes concretas del lugar en el que se trabaja. Bruno Zevi fundó la A.P.A.O. en Italia, junto con otros arquitectos y urbanistas entre quienes estaban Pier Luiggi Nervi y Mario Ridolfi además del urbanista Luiggi Piccinato. Tras el final de la Guerra, Piccinato lleva a cabo diversos Planes de Reconstrucción de ciudades históricas como Nápoles Roma o Siena y en los años 1950 de las principales capitales turcas, como Estambul y Bursa. El valor patrimonial que detecta en estas capitales de la historia arquitectónica lo asociaba a las cualidades constructivas más básicas, aquellas que realizadas sin arquitectos representaban la herencia de una cultura propia. La propuesta que presentó Luiggi Piccinato al concurso Berlin Hauptstadt (figura2), bien puede considerarse como una mas de las actuacicones realizadas hasta entonces, no había en ella una sola estructura basada en datos socioeconómicos que determine el orden general. sino que su propuesta se basaba en la suma de distintos proyectos concretos que resuelven espacios urbanos de características particulares. El plan General propuesto es consecuencia directa de estas pequeñas actuaciones con las que va re-describiendo la trama urbana de todo el área central. Un entramado de plazas interiores se incorporaban a las manzanas aún existentes, ordenando así los vacíos tan característicos de la ciudad para volver a coser las estructuras que aún quedaban en pie. Re-describir las trazas de una ciudad tan denostada por aquel entonces. LA VIDA EN LA CALLE. SUPERPOSICION DE USOS EN EL ESPACIO PÚBLICO De Hoddesdon al manifiesto de Doorn y el CIAM de Dubrovnic. El “Corazón de la Ciudad” siendo uno de los pocos temas de debate claros en el CIAM de Hoddesdon llevó sin embargo a varias críticas. Una de las más interesantes fue la protagonizada por Jacob B. Bakema y Sigfried Giedion por la posterior repercusión que tendría en las ideas que forjarían el Team X años más tarde. Giedion defendía los antecedentes históricos que daban soporte al corazón de la ciudad como hecho único, mientras que Bakema, tomando como ejemplo los parques infantiles llevadas a cabo por Aldo Van Eyck en los vacíos de Ámsterdam, abogaba por romper el aislamiento del hombre en la ciudad y poner en valor las relaciones entre las personas y objetos, a escala de barrio llevando distintos centros a todos ellos. Una de las primeras consecuencias de esta afirmación, fue la obsolescencia del criterio de segregación por áreas funcionales de la ciudad, una de las piedras angulares del urbanismo hasta entonces. La cuestión del uso. superposiciones en el espacio público En búsqueda de esa ciudad de siempre la propuesta presentada por Van Der Broeck y Bakema para Berlin Hauptstadt, trataban de llevar a cabo una disgregación del exhaustivo programa de usos propuesto en las bases para generar una serie de espacios públicos centrales. La relación entre programa y ciudad se fraguaba así como un esquema multi-centros en el que los usos, lejos de presentarse segregados se superponían por capas en un mismo espacio. La vida de los pueblos y aldeas antes de la llegada de la planificación urbana se concentraba en su espacio público, en su origen las primeras poblaciones carecían de edificios de un solo uso específico como mercados, teatros, etc, estas acciones tenían cabida de forma más o menos espontánea en el suelo libre disponible entre las casas. “The charged void” . El vacío cargado en la propuesta de los Smithson In calling our collected works The Charged Void we are thinking of architecture’s capacity to charge the space around it with an energy which can join up with other energies, influence the nature of things that might come, anticipate happenings… a capacity we can feel and act upon, but cannot necessarily describe or record. Con este escueto pero intenso párrafo, Alison y Peter Smithson hacían una aproximación un tanto indeterminada, a la idea de charged void como espacio público lleno de vida, invitándonos quizá a preguntarnos sobre esa necesidad de espacio vacío para respirar, cada vez más acuciante en la arquitectura de nuestras ciudades. La propuesta para “Berlin Hauptstadt” de Alison y Peter Smithson, ganadora de un 3er premio, se basaba en un entramado de calles en alto que se extendía sobre la antigua ciudad superponiéndose como una nueva trama. Este tejido de calles, con unas dimensiones suficientemente amplias para redefinir Berlín pero a la vez suficientemente cercanas para participar de la vida cotidiana de la ciudad, se presentaba con independencia de las edificaciones existentes y propuestas como el gran protagonista de la intervención. Proponían un entramado más o menos coincidente con el trazado de la ciudad, dejando que pequeñas torres de esquinas achaflanadas albergaran las oficinas, las viviendas y los espacios comerciales, adosándose tan sólo en una de sus caras al entramado peatonal propuesto. Las calles tenían dimensiones sobradas para la mera conexión de barrios y sin embargo tampoco tenían un uso específico, estaban pensadas para albergar todos los eventos cotidianos que se superponían en los barrios y pequeñas poblaciones de la época. EL PAISAJE COMO PUNTO DE PARTIDA El CIAM de la Sarraz. Hacia una definición de “Urbanismo”. En los congresos CIAM, desde el primer encuentro celebrado en La Sarraz en 1928, la necesidad de definir el término “urbanismo” como método objetivo de proyectar la ciudad, había llevado a excluir aquellas otras consideraciones relativas al paisaje que no eran fácilmente analizables. Las consideraciones entorno al uso, al soleamiento, a la facilidad de acceso, de edificación o a las óptimas densidades de ocupación de un territorio, debían estudiarse sin más distracciones con un análisis objetivo que regiría posteriormente todo planteamiento urbanístico. Así, en el primer punto del acta redactada en francés, del CIAM I de La Sarraz, se definía: “1. Urbanismo es la organización de todas las funciones de la vida colectiva. Se extiende sobre las aglomeraciones urbanas y el campo. La urbanización no puede estar condicionada por las pretensiones de un esteticismo preexistente, su esencia es la de un orden funcional” … De la “Grosstadt” al “StadtLandschaft”. La propuesta de Korn y Rosenberg. En 1957, algunas de las propuestas presentadas al concurso Berlín Hauptstadt, como la de Arthur Korn y Stephen Rosenberg, tuvieron el paisaje como punto de partida del proyecto. La propuesta presentada 15 años después para Berlín Hauptstadt, formando equipo con Stephen Rosenberg, con quien se asociaría poco después en Londres, planteaba un paisaje fluvial generado directamente por una gran placa plana. La placa, como aquellas de origen sedimentario que bordean los cauces de los ríos, fluctuaba ampliando y disminuyendo su ancho y se deshacía incrustándose en la trama urbana existente, ahuecando su interior para dar cabida a los distintos espacios públicos del programa. Como apunta Keneth Frampton , la propuesta presentada por Korn y Rosenberg evolucionaban desde el concepto de Grosstadt (gran ciudad) a la idea de Stadtlandschaft (ciudad-paisaje), ya que si bien en el plan propuesto para la reconstrucción de Londres eran las trazas del viario y la parcelación las que respondían a las prerrogativas del paisaje, en Berlín se daba un paso más, confiando en una superestructura de carácter orgánico la resolución de todos los aspectos tanto institucionales como terciarios que se proponían en el programa, que eran posteriormente incluidos en el proyecto. Los primeros esbozos del paisaje lineal entorno al rio Spree a su paso por Berlín, posibilitaron a los autores reconocer cierta unidad en lo que se presentaba como una amalgama de retazos fragmentados y dispersos en el que la Capital no era reconocible. Pero si bien estos apuntes, habían logrado cierta ilusión de cohesión y continuidad en torno al paisaje fluvial del Spree, al desarrollarse con precisión, los autores trasladaban directamente a las plantas generales y axonometrías de la propuesta los sinuosos contornos, haciendo ciertamente complicado el encuentro con la trama existente (figuras 26 y 27). La gran determinación con que trataban sus autores de no perder las virtudes intuidas en sus primeros apuntes, les llevaba a abandonar las pautas de zonificación y separación por unidades funcionales que se establecían en los CIAM para aproximarse a su realidad constructiva desde una utópica confianza en sus valores plásticos como solución de los problemas urbanos encontrados. Un paisaje de mesetas. La propuesta de Abben, Anderson y Utzon. Si bien por un lado, la adopción de criterios paisajísticos como punto de partida liberaba de las rígidas pautas de zonificación determinadas en las “Grilla CIAM”, a otra escala suponía distanciarse de las condiciones sociales en las que se asentaba la población berlinesa. La mayor parte de los proyectos de paisaje presentados, compartieron una prerrogativa: El espacio verde en torno al Rio Spree, fue propuesto como elemento estructurador de la nueva capital. La propuesta presentada por el equipo de Jorn Utzon, mostraba con radicalidad esta doble condición del paisaje poniendo a prueba las experiencias vividas sobre las plataformas del Yucatán en México. Unas plataformas vinculadas a la nueva red de autopistas berlinesas, que albergaban aparcamientos en su interior y daban soporte a los distintos edificios de usos institucionales. Mientras la cota superior a la masa arbórea pertenecía a una visión limpia de horizonte nítido desde el que se podía divisar el valle del Spree y las infraestructuras que lo atravesaban, el nivel inferior quedaba vinculado a las trazas de la ciudad, ocupado generalmente por las viviendas. NUEVAS HUELLAS PARA OTRA SOCIEDAD Forma y contenido de Berlín-Mitte.La propuesta de Hans Scharoun Al presentar Hans Scharoun el “Kollektiv Plan” para la reconstrucción de la ciudad en 1946, proponía una trama flexible de autopistas o vías de circulación superpuesta a los campos de ruinas y escombros de la Berlín de aquellos años. El área central de la antigua ciudad, se incorporaba a una enorme banda verde que atravesaba todas las áreas urbanas discurriendo en paralelo a las márgenes del rio Spree. Se negaba la cuidad radio concéntrica, para proponer una trama o red flexible paralela y perpendicular al rio. Quedaban sin embargo en el plan muy pocos detalles de lo que podría ocurrir bajo esa trama en el interior de la retícula, tan sólo quedaba esbozado un gran área libre de edificación que cruzaba como una gran banda verde la ciudad continuando la márgenes naturales del rio Spree hacia el Tiergarten. Aunque la definición de las áreas interiores al entramado quedaba quizá fuera del ámbito de estudio que por aquel entonces les estaba encomendado, la idea de superposición de la trama viaria sobre el valle de ruinas del Spree originaba una nueva conciencia que abría la puerta a trabajar con una doble materialidad. Aquella propia de las ciudades antiguas que por aquel entonces describía en diversos textos. La propuesta logró un 2º premio siendo quizás una de las que menos relación mantenía con las anteriores trazas urbanas berlinesas. En el acta del jurado, se reconocía el acierto de desarrollar el área verde atravesando la ciudad en cuanto a “acogida para el que llega de fuera”. En la memoria que presentó Scharoun junto con Wills Ebert al Concurso Berlin Hauptstadt, se analizaba el área de actuación recordando cómo fueron originados los barrios sobre las poblaciones medievales de Friedrichstadt y Luisenstadt anteriores a las grandes obras urbanizadoras de la corte prusiana y al desarrollo de la metrópoli del s. XX: “Características y de identificable naturaleza son las estructuras de los barrios medievales de Luisenstadt y Friedrichstadt. En estas partes de la ciudad la forma y el contenido aún eran idénticos”… …”convivimos con ellas entendiéndolas como parte de nuestro patrimonio, sin ser muy conscientes de sus contenidos y sus transformaciones a lo largo del tiempo. La pérdida en general de sus principios ordenadores lleva a dejar expuesta la ciudad. Estamos en todos los ámbitos de la planificación urbana ante la dificultad de gestionar con eficacia nuestras tensiones y establecer una nueva transición en las relaciones sujeto-objeto. De ahí que el moderno sistema de circulación yuxtapuesto nos lleve a la indecisión y por tanto a la confusión, en lugar de ordenar las diferencias y clarificar.”80 La memoria para Berlín Hauptstadt, presentaba la estructura medieval del área de intervención como una necesidad para no dejar “expuesta a la ciudad”, sin embargo en las planos presentados al concurso no resulta fácil reconocer este cuidado con las trazas históricas en la ciudad, más bien parecía haberse borrado toda huella de otro tiempo en un gran vacío verde. Es posible que las trazas a las que hacían referencia Scharoun y Ebert, fueran aquellas anteriores a las urbanizaciones de la corte prusiana en 1780, cuando los caminos agrícolas y los arrabales extramuros trazaban las primeras huellas de la ciudad sobre las que más tarde se trazarían los barrios de la capital de Prusia. Estas primeras huellas berlinesas recogidas en publicaciones como “Die Dörfer in Berlín” por Hans Jürgen Rach 81muestran un campo ya humanizado, surcado por caminos y huertas, que hacía reconocible la vida de la sociedad que los habitaba. El paisaje chino propuesto por Ebert y Scharoun Un texto titulado “Urbanismo Chino” escrito en Berlín durante los últimos años de guerra y publicado dos años después de su fallecimiento en 1972, ilustrado con algunas de sus acuarelas realizadas en la misma época74, en la monografía sobre su obra de la Akademie der Kunste de Berlin, desvelaba algunas de las preocupaciones urbanas y paisajísticas del arquitecto en el periodo de postguerra. En el texto Scharoun dejaba constancia de su admiración por las formaciones o Gestalt75 con que nacían las ciudades chinas, tomándolas como posible ideal o modelo de un urbanismo organicista. Este otro urbanismo se exponía como consecuencia de las acciones de una cultura y una sociedad determinada, suficientemente humanas como para cristalizar en estructuras capaces de convocar a sus semejantes, y de ordenar entorno a ellas la vida de toda la población. “El arte de proyectar con buen gusto el cielo, la tierra, los árboles y los ríos como parte vinculante de sus creencias, condujo a la cultura china a una sólida tradición del diseño que permitió el perfeccionamiento y desarrollo de la continuidad urbana. …la formulación de una estructura alveolar sociológica y espiri tual del cuerpo político como un organismo vivo que deja espacio para construir con natural continuidad las transformaciones… Ordenando por temas posteriormente, las distintas continuidades urbanas: “…1. Muros. Están en todo el país, en la ciudad, en los distritos sagrados y los palacios, de los barrios familiares a los muros que los rodean. Limitan y comparten el uso del suelo por una parte y por otra, proveen de una escala moderada a las células habitacionales, que les permitía variar de forma ordenada desde la escala cercana a la gran escala espiritual de la ciudad… Los muros trabajan como elementos constructivos creadores de espacio, hacia el interior, con un cierto límite, ya que es este un espacio determinante. 2. Ejes. Se construyen - como ejes ópticos - llevando a las ya mencionadas células hacia su correspondiente significado espiritual... 3. La luz. Su estudio es especialmente importante. Los frentes uniformes de numerosos edificios públicos con los barrios al sur, tienen las personas una relación cotidiana con la luz, cuya claridad y fuerza apenas se puede experimentar en las azarosas ciudades occidentales. 4. Construcción. Con la misma actitud espiritual tan impregnada en su cultura, se ordenan también las células más importantes de la ciudad, las salas y espacios principales de los templos, palacios y edificios públicos de los barrios residenciales. Cual bosquecillos en un paisaje construyen condensaciones, sin delimitar estas células urbanas. 5. Tejados. (Exagerando) Sí, flotan cual nubes sobre la tierra sobre las construcciones realizadas con esa actitud espiritual. Tienden sobre esas construcciones la capa probablemente más simbólica de todas. Con ligeros matices, los chinos logran agrandar el pequeño espectáculo de la protección de la techumbre. 6. Las terrazas elevadas. El terreno se prepara con moderación y con cuidada moderación se distancian del suelo, porque la vida no se separa de la esclavitud de la tierra. Sin embargo está enriqueciendo y transformando el mundo a su escala, sin hacer ruido.… 7. Calles. Las vías representativas como la que lleva en Pekín hasta la puerta de entrada al palacio de la ciudad prohibida, contrastan con las interiores que son meros carriles de descongestión de los densos distritos residenciales. Estas calles son franjas de arcilla que discurren entre las altas tapias de las casas donde tan solo tiene lugar el juego de la vida, en familia. De este modo las pequeñas calles con su forma cambiante, son también parte de un único orden espiritual, formadas por la expansión sustancial de las construcciones adyacentes… 8. El Paisaje. Se tienen así paisajes a distintas escalas, realizados o desarrollados desde tamaños inminentes a escalas cercanas a la mano del hombre. También cuando los paisajes están fuera de los ámbitos urbanos son ordenados y utilizados, quedando en ellos bellos retazos asilvestrados, porciones vivas y muertas, y refugios de los demonios. Naturalezas ocupadas y libremente vividas en un rico intercambio. Ya sean partes de paisajes grandes o pequeñas, fuera o dentro de las ciudades, son ciertamente de distintos escalas pero no por ello distintos. No hay (como en los jardines occidentales) naturalezas desarmadas. …” Estos aspectos del urbanismo chino revelaban una gran preocupación por aquellos temas relativos a las características de las condiciones públicas de las ciudades y de sus paisajes, al tiempo que un cierto distanciamiento del problema de la vivienda, aún con las acusadas carencias que en este sentido presentaban las ciudades del periodo de postguerra y a pesar de haber sido tantas veces el centro de los intereses de los CIAM. Dejaban entrever la necesidad de encontrar la ciudad como cristalización de una cultura y sociedad. Las instituciones públicas debían ser capaces de convocar a la población mientras que las casas tenían su propia existencia más o menos espontánea y ligada a la tierra, con un mayor grado de libertad e independencia respecto a los planes de los urbanistas. Pero muchas de estas condiciones que Scharoun encontraba en las ciudades chinas, estaban también presentes en la mayoría de las ciudades medievales centroeuropeas, incluyendo a la propia Berlín. La ciudad medieval de Praga, con su característico skyline de cúpulas, cubiertas y torres ABSTRACT Hypothesis Working method Study state 1. BERLIN HAUPTSTADT: 1945 – 1958 1945. Governments and divisions in post-war Berlin 1946. The “KollektivPlan” 1948. The Bonatz Plan 1957. The IBA´57 2. THE SET-UP Planning a Capital. “Berlin Hauptstadt” The working area The jury and the competition programme The refute of Walter Gropius The Berlin Capital requirements 3. MONUMENTALITY AND CLOSER SCALES The C.I.A.M. at Bridgewater and Hoddesdon. Modern urbanism as institutional urban planning thinking Finalists and Shortlisted proposals 4. OPEN FLOOR PLAN AND PREEXISTENCES AFTER WAR “The as found” The C.I.A.M. 7 in Bergamo. About the rebuild of old cities “Nothing to conserve.” Le Corbusier´s Plan for Berlin. From Inside. The plan proposed by Luiggi Piccinato. 5. LIFE IN THE STREET. OVERLAYED USES ON ANCIENT PUBLIC SPACES Form Hoddesdon to Dubrovnic, and the Doorn manifesto. Shared uses. The Plan proposed by Van der Broeck and Bakema Streets in the air. The Plan proposed by Alison and Peter Smithson “The charged void”. Two chairs and an action trail. 6. LANDSCAPE AS A URBAN PRINCIPLE 1957. The irruption of urban motorways Plan Towards a definition for “Urbanism.” The C.I.A.M. in LaSarraz. From “Grosstadt” to “StadtLandschaft.” The proposal by Korn and Rosemberg Chinese landscapes. The proposal by Ebert and Scharoun 7. FOOTPRINTS OF A NEW SOCIETY The influence of other avant-gardes Paths and trails in Albert H. Steiner proposal Berlín-Mitte Form and contains. References to medieval city in the proposal by Scharoun From Friedrichshein to Berlin Hauptstadt. 8. CONCLUSIONS Changing context and pragmatism Human city necessity after war BIBLIOGRAPHY Essential Bibliography Specific publications Specific publications contemporary to “Berlin Hauptstadt” competition General Bibliography APPENDIX Documents Specific publications ABSTRACT Public space, being perhaps one of the urbanism most studied topics on last years, however lacks events sufficiently distant in time to recognize its recent history. The emergence of organic and later existentialism philosophies after Second World War changed the way of thinking in those areas of knowledge relating to urbanism and city planning. The switched context found in European capitals after the War crystallized the need for a "humanized" city. This need is recognized in some isolated proposals of those years , but these questions were also present in the way public space was thought in different debates and urban planning discussions hold at the International Congresses of Modern Architecture, where the decisive influence of the "Athens Charter" prerogatives and its several reviews was on the basis of its final dissolution staged by Team X in Oterloo in 1959. Despite the on going revisions conducted in the post-war period, the gap between theoretical assumptions and urban realities that CIAM participants found at that time, led to some skepticism and a loss of interest in urban theories and aimed them to set on a projective practice, solving specific issues for further general conclusions. The "Berlin Hauptstadt" Competition, an ambitious Plan for the capital of a united Germany convened in Berlin 1957 by the "Internationalles Bauaustellung" was a last episode in this period of discussions and dissolution of modern urbanism that shows uncertainties and contradictions of some participants when were faced to the public space projects distrusting their theoretical bases. While building projects regarded more or less as they were in pre-war period, in some cases, the public space projects presented in the submitted proposals, are perceived with some important variations comparing to the planning guidelines defended by the CIAM urbanism at that time. Thus, the study of Berlin Hauptstadt competition is here presented as a compilation of these pragmatic responses to the switched context, which will allow us to find nuances and differences of interpretation between some of the presented proposals to reveal through them latent conditions in the public space projects at European post-war. CONCLUSIONS Changing context and pragmatism After having a view of the different concepts used by the participants in their proposals presented to the competition, there is a first conclusion we can drop out. The postwar in Berlin, from the Postdam conference until the Wall erection in august 1961, revealed a frozen period in its recent history on which no urban plan was developed under urban arguments nor theories. Most of the urban changes occurred where done by political decisions. Somehow the global urbanism promoted by the postwar CIAMs helped to this situation, the City planning as a standardized method allowed politicians to use it as a tool for propaganda and so to fight for their own interests. Although the specific situation of Berlin, the use of urbanism as a tool for propaganda has been also a usual problem after second world war in some European cities. But meanwhile modern urbanism became an institutional tool and architects and urban planners refuted it beginning then their own research on city planning from a projective practice by solving concrete questions they found in the given context. Thus, we have the proposal of Piccinato in Berlin Hauptstadt working with the existing to develop a non conclude city, far away from previous works like the one of Villa Sabaudia (1934) organized as an axial and well oriented, shaped city. We find in the Smithson proposal a complex city centre with a “charged void” conception, much more picturesque and aerial than the one projected for Golden Lane, four years before. Their concept “area of quietude” proposed at the Berlin competition was used once again a year after, in the elevated plaza that support the Economist buildings. At last we find that Landscape was again used to city planning and thus many proposals were not based on such concepts as transport main lines or building zonings, but in imagined landscapes, which were after filled up with the program. The proposal presented by Arthur Korn and Stephen Rosenberg was quite a renounce of the CIAM principles, which Korn drew up with the “Ernst May Brigade” in the soviet cities between 1930 and 1933 and ten years later in London with the MARS group. Utzon with Abben and Anderson, also settled up another landscape concept which he import from distant cultures to Berlin. He used the Mayas platforms from the Yucatan half island, and the oriental ones as well, in different projects during those years when he was fling constantly from Denmark to Sidney. But he used it not only to project specific buildings like the one of Sidney Concert Hall, in Berlin and later in other places of a smaller scale such concepts were used for urban planning as well. Landscape was also the final solution for a concept, which Hans Scharoun was working on during all these postwar years in Berlin. The Spree-band he already proposed inspired by Peter Friedrich in the Kollektivplan (1946) as a consequence of the traffic main lines and as a logic separation of functions of the city, was presented in Berlin Hauptstadt as a liberated build mass which disposed at the Leipzigerstrasse permitted Tiergarten Park to be continuously expanded all over the Spree valley. The enormous build mass shaped with gold roofs, presented a high level of public spaces that were able to convoke and bring up citizens for having a view of their entire inhabited landscape. The necessity of a human city after war Despite of their different approaches to the Berlin Hauptstadt solitudes, most of the presented proposals showed up a concerning about what was named: “Humanizierung der Stadt” (Humanization of the city), that was a exposed necessity in their submitted texts. But humanizing was a extremely difficult goal at that time in Berlin, a city immerse at the epicenter of the “Cold War” After so many decades isolated and frozen by the “Wall”, Berlin or better the Berliners have developed its own way for city planning. The restricted life they could overlay to the city voids, have leave specific footprints and shaped the ground showing up their own the daily uses of the city. After the “Wall fallen” the great efforts token to unify the divided city by both governments revealed another, thus softly, division. The one established between a real city sculpted by the citizens daily life and other one planned by the council occupying most of these charged voids with a new remake of the Wagner Plan (1925) or the reconstruction of the 19th century city. Even now having a walk by the city void grounds that once were planned in the Berlin Hauptstadt competition, is possible to see the great value they still have for preserving a sort of places with a closer scale, in such a great City. Sometimes, the footprints confirm some of the ideas that were appointed in the competitors proposals. The inner city proposed by Piccinato is present now in very different places like “PrizessinGarten” or “Pfefferberg” which with their own specific character made from their inside uses, influence the whole neighborhood where they are sited. The ground beside the Reichstag, contrary to the idea of an open-air parliament presented by the Smithson, is today marked with the footprints of the rows of the visitors who want to climb up the new dome and take a view. Meanwhile footprints in other places such as the Mauerpark at Prenzlauerberg show us a rich and with various uses place, where citizens find them selves. Also the landscape is present in some public spaces of the city freely occupied as observatories. The intense relation with the river proposed by Korn and Rosenberg can be lived in the bridge Admiralbrücke where the spring solstice is in alignment with the Landwehrkanal and so people meet this day to presence the sunset. Footprints on both sides of the canal bring the observers to the meeting point. One of the few elevations existing in the city grounds, hosts footprints from the Grossbeerenstrasse and Tempelhofstrasse avenues that are self concentrated in the National Monument projected by Schinkel in 1822, in memoriam of the Independence war fallen. The observatory an octagonal base which crowns the ViktoriaPark, give to citizens a place to sit down all over the hill skirts and watch the city landscape and its skylines. This kind of city recognition was also the basis of the landscape proposed by Hans Scharoun for the competition.

Análisis de la precisión en la medida del tiempo de reverberación y de los parámetros asociados

El trabajo fin de master “Análisis de la precisión en la medida del tiempo de reverberación y de los parámetros asociados” tiene como objetivo primordial la evaluación de los parámetros y métodos utilizados para la obtención de estos, a través del tiempo de reverberación, tanto de forma global, conjunto de todos los métodos, como cada uno de ellos por separado. Un objetivo secundario es la evaluación de la incertidumbre en función del método de medición usado. Para realizarlo, se van a aprovechar las mediciones realizadas para llevar a cabo el proyecto fin de carrera [1], donde se medía el tiempo de reverberación en dos recintos diferentes usando el método del ruido interrumpido y el método de la respuesta impulsiva integrada con señales distintas. Las señales que han sido utilizadas han sido señales impulsivas de explosión de globos, disparo de pistola, claquetas y, a través de procesado digital, señales periódicas pseudoaleatorias MLS y barridos de tonos puros. La evaluación que se realizará a cada parámetro ha sido extraída de la norma UNE 89002 [2], [3]y [4]. Se determinará si existen valores aberrantes tanto por el método de Grubbs como el de Cochran, e interesará conocer la veracidad, precisión, repetibilidad y reproducibilidad de los resultados obtenidos. Los parámetros que han sido estudiados y evaluados son el tiempo de reverberación con caída de 10 dB, (T10), con caída de 15 dB (T15), con caída de 20 dB (T20), con caída de 30 dB (T30), el tiempo de la caída temprana (EDT), el tiempo final (Ts), claridad (C20, C30, C50 y C80) y definición (D50 y D80). Dependiendo de si el parámetro hace referencia al recinto o si varía en función de la relación entre la posición de fuente y micrófono, su estudio estará sujeto a un procedimiento diferente de evaluación. ABSTRACT. The master thesis called “Analysis of the accuracy in measuring the reverberation time and the associated parameters” has as the main aim the assessment of parameters and methods used to obtain these through reverberation time, both working overall, set of all methods, as each of them separately. A secondary objective is to evaluate the uncertainty depending on the measurement method used. To do this, measurements of [1] will be used, where they were carried on in two different spaces using the interrupted noise method and the method of impulse response integrated with several signals. The signals that have been used are impulsive signals such as balloon burst, gunshot, slates and, through digital processing, periodic pseudorandom signal MLS and swept pure tone. The assessment that will be made to each parameter has been extracted from the UNE 89002 [2], [3] and [4]. It will determine whether there are aberrant values both through Grubbs method and Cochran method, to say so, if a value is inconsistent with the rest of the set. In addition, it is interesting to know the truthfulness, accuracy, repeatability and reproducibility of results obtained from the first part of this rule. The parameters that are going to be evaluated are reverberation time with 10 dB decay, (T10), with 15 dB decay (T15), with 20 dB decay (T20), with 30 dB decay (T30), the Early Decay Time (EDT), the final time (Ts), clarity (C20, C30, C50 y C80) and definition (D50 y D80). Depending on whether the parameter refers to the space or if it varies depending on the relationship between source and microphone positions, the study will be related to a different evaluation procedure.

Aerodynamic database reconstruction via gappy high order singular value decomposition

Esta Tesis se centra en el desarrollo de un método para la reconstrucción de bases de datos experimentales incompletas de más de dos dimensiones. Como idea general, consiste en la aplicación iterativa de la descomposición en valores singulares de alto orden sobre la base de datos incompleta. Este nuevo método se inspira en el que ha servido de base para la reconstrucción de huecos en bases de datos bidimensionales inventado por Everson y Sirovich (1995) que a su vez, ha sido mejorado por Beckers y Rixen (2003) y simultáneamente por Venturi y Karniadakis (2004). Además, se ha previsto la adaptación de este nuevo método para tratar el posible ruido característico de bases de datos experimentales y a su vez, bases de datos estructuradas cuya información no forma un hiperrectángulo perfecto. Se usará una base de datos tridimensional de muestra como modelo, obtenida a través de una función transcendental, para calibrar e ilustrar el método. A continuación se detalla un exhaustivo estudio del funcionamiento del método y sus variantes para distintas bases de datos aerodinámicas. En concreto, se usarán tres bases de datos tridimensionales que contienen la distribución de presiones sobre un ala. Una se ha generado a través de un método semi-analítico con la intención de estudiar distintos tipos de discretizaciones espaciales. El resto resultan de dos modelos numéricos calculados en C F D . Por último, el método se aplica a una base de datos experimental de más de tres dimensiones que contiene la medida de fuerzas de una configuración ala de Prandtl obtenida de una campaña de ensayos en túnel de viento, donde se estudiaba un amplio espacio de parámetros geométricos de la configuración que como resultado ha generado una base de datos donde la información está dispersa. ABSTRACT A method based on an iterative application of high order singular value decomposition is derived for the reconstruction of missing data in multidimensional databases. The method is inspired by a seminal gappy reconstruction method for two-dimensional databases invented by Everson and Sirovich (1995) and improved by Beckers and Rixen (2003) and Venturi and Karniadakis (2004). In addition, the method is adapted to treat both noisy and structured-but-nonrectangular databases. The method is calibrated and illustrated using a three-dimensional toy model database that is obtained by discretizing a transcendental function. The performance of the method is tested on three aerodynamic databases for the flow past a wing, one obtained by a semi-analytical method, and two resulting from computational fluid dynamics. The method is finally applied to an experimental database consisting in a non-exhaustive parameter space measurement of forces for a box-wing configuration.

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

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

Estudio acústico y electroacústico para la realización de un musical en el teatro Rialto de Madrid

El propósito de este Proyecto Fin de Carrera es el estudio acústico y electroacústico de la realización del musical “Hoy no me puedo levantar” en el Teatro Rialto de Madrid en 2005. En primer lugar, se realiza una breve introducción histórica, citando sus remodelaciones y comentando la situación actual del recinto. Posteriormente, es analizado el equipo de sonido empleado en el espectáculo a partir de cada uno de los distintos controles de sonido: FOH (Front of Hause), monitores y microfonía inalámbrica. De cada uno de ellos se explican sus principales funciones y los sistemas que los conforman. También se describe la utilización de las cabinas insonorizadas. A continuación, se detallan los sistemas electroacústicos (empleados en el diseño) de la sonorización de dicho musical, que se consideran divididos en las siguientes partes: sistema principal, refuerzos y retardos, efectos y monitores. Además, se detalla el software RMS (Remote Monitoring System), que aporta información del funcionamiento de estos sistemas en tiempo real. Seguidamente, se exponen el equipo, procedimiento y resultados de la medida in situ en el Teatro, aplicando la Norma UNE-EN ISO 3382-2/2008 para obtener el tiempo de reverberación y ruido de fondo. Con el objeto de inicializar la simulación por ordenador, primero se exportan los planos originales de AutoCAD a EASE 4.4, donde se finaliza el proceso de modelar el recinto. Posteriormente, se asignan materiales, áreas de audiencia, puntos de escucha y se ubican los sistemas electroacústicos. Se afina el tiempo de reverberación obtenido en la medida in situ mediante materiales de la base de datos del propio software. También se ajustan los sistemas electroacústicos en el recinto para obtener la ecualización empleada y los niveles de presión sonora directo y total para distintas frecuencias. Una vez finalizados los pasos anteriores, se procede a realizar estudios psicoacústicos para comprobar posibles ecos y el efecto precedencia (empleando retardos electrónicos o delays). Finalmente, se realizan estudios de inteligibilidad, en los que se justifica la Claridad de Voz (C50) y Claridad Musical (C80); el Índice de inteligibilidad del habla (SII), la Pérdida de articulación de consonantes (Alcons) y el Índice de transmisión del habla (STI). Por último se expone el presupuesto del proyecto y del alquiler del equipo de sonido del musical y se exponen las conclusiones del Proyecto Final de Carrera. ABSTRACT. The purpose of this Final Degree Project is the acoustic and electro-acoustic study of the musical “Hoy No Me Puedo Levantar” at Teatro Rialto in 2005 (Madrid, Spain). First of all, a brief review of its history is made, quoting its refurbishments and discussing the current situation of this enclosure. Later, the sound equipment of the show is analyzed through every different sound controls: FOH (Front Of House), monitors and wireless microphones. There is also an explanation about their principal functions and systems, as well as a description of the soundproof cabins. Then, the electro-acoustic systems are detailed and divided in the following parts: main system, boosters and delays, effects and monitors. The RMS software (Remote Monitoring System) is described too, since it gives relevant information of the systems operations in real time. Afterwards, equipment, procedures and results of the measurements are exposed, applying the UNE-EN ISO 3382-2/2008 regulation in order to obtain the reverberation time and background noise of the theatre. With the purpose of initialize the computer simulation, original plans are exported from AutoCad to EASE 4.4., where its modeling process is ended. Materials, audience areas, hearing points and electro-acoustic locations are assigned below. At the same time, reverberation time is tuned up using database materials of the software itself. Also, electro-acoustic systems of the enclosure are adjusted to get the equalization and pressure sound levels of the different frequencies. Once previous steps are finished, psycho-acoustic studies are made to check possible echoes and the precedence effect - using electronic delays -. Finally, intelligibility studies are detailed, where the Voice and Musical Clarities are justified: The Speech Intelligibility Index, the Loss of Consonants Articulation and the Talk Transmission Index. This Final Degree Project ends describing the budget and rent of the sound equipment and the final conclusions.

Study of OLSR protocol with Network Simulator 2 over Linux

Until a few years ago, most of the network communications were based in the wire as the physical media, but due to the advances and the maturity of the wireless communications, this is changing. Nowadays wireless communications offers fast, secure, efficient and reliable connections. Mobile communications are in expansion, clearly driven by the use of smart phones and other mobile devices, the use of laptops, etc… Besides that point, the inversion in the installation and maintenance of the physical medium is much lower than in wired communications, not only because the air has no cost, but because the installation and maintenance of the wire require a high economic cost. Besides the economic cost we find that wire is a more vulnerable medium to external threats such as noise, sabotages, etc… There are two different types of wireless networks: those which the structure is part of the network itself and those which have a lack of structure or any centralization, in a way that the devices that form part of the network can connect themselves in a dynamic and random way, handling also the routing of every control and information messages, this kind of networks is known as Ad-hoc. In the present work we will proceed to study one of the multiple wireless protocols that allows mobile communications, it is Optimized Link State Routing, from now on, OLSR, it is an pro-active routing, standard mechanism that works in a distributed in order to stablish the connections among the different nodes that belong to a wireless network. Thanks to this protocol it is possible to get all the routing tables in all the devices correctly updated every moment through the periodical transmission of control messages and on this way allow a complete connectivity among the devices that are part of the network and also, allow access to other external networks such as virtual private networks o Internet. This protocol could be perfectly used in environments such as airports, malls, etc… The update of the routing tables in all the devices is got thanks to the periodical transmission of control messages and finally it will offer connectivity among all the devices and the corresponding external networks. For the study of OLSR protocol we will have the help of the network simulator “Network Simulator 2”, a freeware network simulator programmed in C++ based in discrete events. This simulator is used mainly in educational and research environments and allows a very extensive range of protocols, both, wired networks protocols and wireless network protocols, what is going to be really useful to proceed to the simulation of different configurations of networks and protocols. In the present work we will also study different simulations with Network Simulator 2, in different scenarios with different configurations, wired networks, and Ad-hoc networks, where we will study OLSR Protocol. RESUMEN. Hasta hace pocos años, la mayoría de las comunicaciones de red estaban basadas en el cable como medio físico pero debido al avance y madurez alcanzados en el campo de las comunicaciones inalámbricas esto está cambiando. Hoy día las comunicaciones inalámbricas nos ofrecen conexiones veloces, seguras, eficientes y fiables. Las comunicaciones móviles se encuentran en su momento de máxima expansión, claramente impulsadas por el uso de teléfonos y demás dispositivos móviles, el uso de portátiles, etc… Además la inversión a realizar en la instalación y el mantenimiento del medio físico en las comunicaciones móviles es muchísimo menor que en comunicaciones por cable, ya no sólo porque el aire no tenga coste alguno, sino porque la instalación y mantenimiento del cable precisan de un elevado coste económico por norma. Además del coste económico nos encontramos con que es un medio más vulnerable a amenazas externas tales como el ruido, escuchas no autorizadas, sabotajes, etc… Existen dos tipos de redes inalámbricas: las constituidas por una infraestructura que forma parte más o menos de la misma y las que carecen de estructura o centralización alguna, de modo que los dispositivos que forman parte de ella pueden conectarse de manera dinámica y arbitraria entre ellos, encargándose además del encaminamiento de todos los mensajes de control e información, a este tipo de redes se las conoce como redes Ad-hoc. En el presente Proyecto de Fin de Carrera se procederá al estudio de uno de los múltiples protocolos inalámbricos que permiten comunicaciones móviles, se trata del protocolo inalámbrico Optimized Link State Routing, de ahora en adelante OLSR, un mecanismo estándar de enrutamiento pro-activo, que trabaja de manera distribuida para establecer las conexiones entre los nodos que formen parte de las redes inalámbricas Ad-hoc, las cuales carecen de un nodo central y de una infraestructura pre-existente. Gracias a este protocolo es posible conseguir que todos los equipos mantengan en todo momento las tablas de ruta actualizadas correctamente mediante la transmisión periódica de mensajes de control y así permitir una completa conectividad entre todos los equipos que formen parte de la red y, a su vez, también permitir el acceso a otras redes externas tales como redes privadas virtuales o Internet. Este protocolo sería usado en entornos tales como aeropuertos La actualización de las tablas de enrutamiento de todos los equipos se conseguirá mediante la transmisión periódica de mensajes de control y así finalmente se podrá permitir conectividad entre todos los equipos y con las correspondientes redes externas. Para el estudio del protocolo OLSR contaremos con el simulador de redes Network Simulator 2, un simulador de redes freeware programado en C++ basado en eventos discretos. Este simulador es usado principalmente en ambientes educativos y de investigación y permite la simulación tanto de protocolos unicast como multicast. El campo donde más se utiliza es precisamente en el de la investigación de redes móviles Ad-hoc. El simulador Network Simulator 2 no sólo implementa el protocolo OLSR, sino que éste implementa una amplia gama de protocolos, tanto de redes cableadas como de redes inalámbricas, lo cual va a sernos de gran utilidad para proceder a la simulación de distintas configuraciones de redes y protocolos. En el presente Proyecto de Fin de Carrera se estudiarán también diversas simulaciones con el simulador NS2 en diferentes escenarios con diversas configuraciones; redes cableadas, redes inalámbricas Ad-hoc, donde se estudiará el protocolo antes mencionado: OLSR. Este Proyecto de Fin de Carrera consta de cuatro apartados distintos: Primeramente se realizará el estudio completo del protocolo OLSR, se verán los beneficios y contrapartidas que ofrece este protocolo inalámbrico. También se verán los distintos tipos de mensajes existentes en este protocolo y unos pequeños ejemplos del funcionamiento del protocolo OLSR. Seguidamente se hará una pequeña introducción al simulador de redes Network Simulator 2, veremos la historia de este simulador, y también se hará referencia a la herramienta extra NAM, la cual nos permitirá visualizar el intercambio de paquetes que se produce entre los diferentes dispositivos de nuestras simulaciones de forma intuitiva y amigable. Se hará mención a la plataforma MASIMUM, encargada de facilitar en un entorno académico software y documentación a sus alumnos con el fin de facilitarles la investigación y la simulación de redes y sensores Ad-hoc. Finalmente se verán dos ejemplos, uno en el que se realizará una simulación entre dos PCs en un entorno Ethernet y otro ejemplo en el que se realizará una simulación inalámbrica entre cinco dispositivos móviles mediante el protocolo a estudiar, OLSR.