Mining Abstractions in Scientific Workows

Los flujos de trabajo científicos han sido adoptados durante la última década para representar los métodos computacionales utilizados en experimentos in silico, así como para dar soporte a sus publicaciones asociadas. Dichos flujos de trabajo han demostrado ser útiles para compartir y reproducir experimentos científicos, permitiendo a investigadores visualizar, depurar y ahorrar tiempo a la hora de re-ejecutar un trabajo realizado con anterioridad. Sin embargo, los flujos de trabajo científicos pueden ser en ocasiones difíciles de entender y reutilizar. Esto es debido a impedimentos como el gran número de flujos de trabajo existentes en repositorios, su heterogeneidad o la falta generalizada de documentación y ejemplos de uso. Además, dado que normalmente es posible implementar un mismo método utilizando algoritmos o técnicas distintas, flujos de trabajo aparentemente distintos pueden estar relacionados a un determinado nivel de abstracción, basándose, por ejemplo, en su funcionalidad común. Esta tesis se centra en la reutilización de flujos de trabajo y su abstracción mediante la exploración de relaciones entre los flujos de trabajo de un repositorio y la extracción de abstracciones que podrían ayudar a la hora de reutilizar otros flujos de trabajo existentes. Para ello, se propone un modelo simple de representación de flujos de trabajo y sus ejecuciones, se analizan las abstracciones típicas que se pueden encontrar en los repositorios de flujos de trabajo, se exploran las prácticas habituales de los usuarios a la hora de reutilizar flujos de trabajo existentes y se describe un método para descubrir abstracciones útiles para usuarios, basadas en técnicas existentes de teoría de grafos. Los resultados obtenidos exponen las abstracciones y prácticas comunes de usuarios en términos de reutilización de flujos de trabajo, y muestran cómo las abstracciones que se extraen automáticamente tienen potencial para ser reutilizadas por usuarios que buscan diseñar nuevos flujos de trabajo. Abstract Scientific workflows have been adopted in the last decade to represent the computational methods used in in silico scientific experiments and their associated research products. Scientific workflows have demonstrated to be useful for sharing and reproducing scientific experiments, allowing scientists to visualize, debug and save time when re-executing previous work. However, scientific workflows may be difficult to understand and reuse. The large amount of available workflows in repositories, together with their heterogeneity and lack of documentation and usage examples may become an obstacle for a scientist aiming to reuse the work from other scientists. Furthermore, given that it is often possible to implement a method using different algorithms or techniques, seemingly disparate workflows may be related at a higher level of abstraction, based on their common functionality. In this thesis we address the issue of reusability and abstraction by exploring how workflows relate to one another in a workflow repository, mining abstractions that may be helpful for workflow reuse. In order to do so, we propose a simple model for representing and relating workflows and their executions, we analyze the typical common abstractions that can be found in workflow repositories, we explore the current practices of users regarding workflow reuse and we describe a method for discovering useful abstractions for workflows based on existing graph mining techniques. Our results expose the common abstractions and practices of users in terms of workflow reuse, and show how our proposed abstractions have potential to become useful for users designing new workflows.

Climate variability effects on field crops in Iberian Peninsula. Predictability

La presente Tesis constituye un avance en el conocimiento de los efectos de la variabilidad climática en los cultivos en la Península Ibérica (PI). Es bien conocido que la temperatura del océano, particularmente de la región tropical, es una de las variables más convenientes para ser utilizado como predictor climático. Los océanos son considerados como la principal fuente de almacenamiento de calor del planeta debido a la alta capacidad calorífica del agua. Cuando se libera esta energía, altera los regímenes globales de circulación atmosférica por mecanismos de teleconexión. Estos cambios en la circulación general de la atmósfera afectan a la temperatura, precipitación, humedad, viento, etc., a escala regional, los cuales afectan al crecimiento, desarrollo y rendimiento de los cultivos. Para el caso de Europa, esto implica que la variabilidad atmosférica en una región específica se asocia con la variabilidad de otras regiones adyacentes y/o remotas, como consecuencia Europa está siendo afectada por los patrones de circulaciones globales, que a su vez, se ven afectados por patrones oceánicos. El objetivo general de esta tesis es analizar la variabilidad del rendimiento de los cultivos y su relación con la variabilidad climática y teleconexiones, así como evaluar su predictibilidad. Además, esta Tesis tiene como objetivo establecer una metodología para estudiar la predictibilidad de las anomalías del rendimiento de los cultivos. El análisis se centra en trigo y maíz como referencia para otros cultivos de la PI, cultivos de invierno en secano y cultivos de verano en regadío respectivamente. Experimentos de simulación de cultivos utilizando una metodología en cadena de modelos (clima + cultivos) son diseñados para evaluar los impactos de los patrones de variabilidad climática en el rendimiento y su predictibilidad. La presente Tesis se estructura en dos partes: La primera se centra en el análisis de la variabilidad del clima y la segunda es una aplicación de predicción cuantitativa de cosechas. La primera parte está dividida en 3 capítulos y la segundo en un capitulo cubriendo los objetivos específicos del presente trabajo de investigación. Parte I. Análisis de variabilidad climática El primer capítulo muestra un análisis de la variabilidad del rendimiento potencial en una localidad como indicador bioclimático de las teleconexiones de El Niño con Europa, mostrando su importancia en la mejora de predictibilidad tanto en clima como en agricultura. Además, se presenta la metodología elegida para relacionar el rendimiento con las variables atmosféricas y oceánicas. El rendimiento de los cultivos es parcialmente determinado por la variabilidad climática atmosférica, que a su vez depende de los cambios en la temperatura de la superficie del mar (TSM). El Niño es el principal modo de variabilidad interanual de la TSM, y sus efectos se extienden en todo el mundo. Sin embargo, la predictibilidad de estos impactos es controversial, especialmente aquellos asociados con la variabilidad climática Europea, que se ha encontrado que es no estacionaria y no lineal. Este estudio mostró cómo el rendimiento potencial de los cultivos obtenidos a partir de datos de reanálisis y modelos de cultivos sirve como un índice alternativo y más eficaz de las teleconexiones de El Niño, ya que integra las no linealidades entre las variables climáticas en una única serie temporal. Las relaciones entre El Niño y las anomalías de rendimiento de los cultivos son más significativas que las contribuciones individuales de cada una de las variables atmosféricas utilizadas como entrada en el modelo de cultivo. Además, la no estacionariedad entre El Niño y la variabilidad climática europea se detectan con mayor claridad cuando se analiza la variabilidad de los rendimiento de los cultivos. La comprensión de esta relación permite una cierta predictibilidad hasta un año antes de la cosecha del cultivo. Esta predictibilidad no es constante, sino que depende tanto la modulación de la alta y baja frecuencia. En el segundo capítulo se identifica los patrones oceánicos y atmosféricos de variabilidad climática que afectan a los cultivos de verano en la PI. Además, se presentan hipótesis acerca del mecanismo eco-fisiológico a través del cual el cultivo responde. Este estudio se centra en el análisis de la variabilidad del rendimiento de maíz en la PI para todo el siglo veinte, usando un modelo de cultivo calibrado en 5 localidades españolas y datos climáticos de reanálisis para obtener series temporales largas de rendimiento potencial. Este estudio evalúa el uso de datos de reanálisis para obtener series de rendimiento de cultivos que dependen solo del clima, y utilizar estos rendimientos para analizar la influencia de los patrones oceánicos y atmosféricos. Los resultados muestran una gran fiabilidad de los datos de reanálisis. La distribución espacial asociada a la primera componente principal de la variabilidad del rendimiento muestra un comportamiento similar en todos los lugares estudiados de la PI. Se observa una alta correlación lineal entre el índice de El Niño y el rendimiento, pero no es estacionaria en el tiempo. Sin embargo, la relación entre la temperatura del aire y el rendimiento se mantiene constante a lo largo del tiempo, siendo los meses de mayor influencia durante el período de llenado del grano. En cuanto a los patrones atmosféricos, el patrón Escandinavia presentó una influencia significativa en el rendimiento en PI. En el tercer capítulo se identifica los patrones oceánicos y atmosféricos de variabilidad climática que afectan a los cultivos de invierno en la PI. Además, se presentan hipótesis acerca del mecanismo eco-fisiológico a través del cual el cultivo responde. Este estudio se centra en el análisis de la variabilidad del rendimiento de trigo en secano del Noreste (NE) de la PI. La variabilidad climática es el principal motor de los cambios en el crecimiento, desarrollo y rendimiento de los cultivos, especialmente en los sistemas de producción en secano. En la PI, los rendimientos de trigo son fuertemente dependientes de la cantidad de precipitación estacional y la distribución temporal de las mismas durante el periodo de crecimiento del cultivo. La principal fuente de variabilidad interanual de la precipitación en la PI es la Oscilación del Atlántico Norte (NAO), que se ha relacionado, en parte, con los cambios en la temperatura de la superficie del mar en el Pacífico Tropical (El Niño) y el Atlántico Tropical (TNA). La existencia de cierta predictibilidad nos ha animado a analizar la posible predicción de los rendimientos de trigo en la PI utilizando anomalías de TSM como predictor. Para ello, se ha utilizado un modelo de cultivo (calibrado en dos localidades del NE de la PI) y datos climáticos de reanálisis para obtener series temporales largas de rendimiento de trigo alcanzable y relacionar su variabilidad con anomalías de la TSM. Los resultados muestran que El Niño y la TNA influyen en el desarrollo y rendimiento del trigo en el NE de la PI, y estos impactos depende del estado concurrente de la NAO. Aunque la relación cultivo-TSM no es igual durante todo el periodo analizado, se puede explicar por un mecanismo eco-fisiológico estacionario. Durante la segunda mitad del siglo veinte, el calentamiento (enfriamiento) en la superficie del Atlántico tropical se asocia a una fase negativa (positiva) de la NAO, que ejerce una influencia positiva (negativa) en la temperatura mínima y precipitación durante el invierno y, por lo tanto, aumenta (disminuye) el rendimiento de trigo en la PI. En relación con El Niño, la correlación más alta se observó en el período 1981 -2001. En estas décadas, los altos (bajos) rendimientos se asocian con una transición El Niño - La Niña (La Niña - El Niño) o con eventos de El Niño (La Niña) que están finalizando. Para estos eventos, el patrón atmosférica asociada se asemeja a la NAO, que también influye directamente en la temperatura máxima y precipitación experimentadas por el cultivo durante la floración y llenado de grano. Los co- efectos de los dos patrones de teleconexión oceánicos ayudan a aumentar (disminuir) la precipitación y a disminuir (aumentar) la temperatura máxima en PI, por lo tanto el rendimiento de trigo aumenta (disminuye). Parte II. Predicción de cultivos. En el último capítulo se analiza los beneficios potenciales del uso de predicciones climáticas estacionales (por ejemplo de precipitación) en las predicciones de rendimientos de trigo y maíz, y explora métodos para aplicar dichos pronósticos climáticos en modelos de cultivo. Las predicciones climáticas estacionales tienen un gran potencial en las predicciones de cultivos, contribuyendo de esta manera a una mayor eficiencia de la gestión agrícola, seguridad alimentaria y de subsistencia. Los pronósticos climáticos se expresan en diferentes formas, sin embargo todos ellos son probabilísticos. Para ello, se evalúan y aplican dos métodos para desagregar las predicciones climáticas estacionales en datos diarios: 1) un generador climático estocástico condicionado (predictWTD) y 2) un simple re-muestreador basado en las probabilidades del pronóstico (FResampler1). Los dos métodos se evaluaron en un caso de estudio en el que se analizaron los impactos de tres escenarios de predicciones de precipitación estacional (predicción seco, medio y lluvioso) en el rendimiento de trigo en secano, sobre las necesidades de riego y rendimiento de maíz en la PI. Además, se estimó el margen bruto y los riesgos de la producción asociada con las predicciones de precipitación estacional extremas (seca y lluviosa). Los métodos predWTD y FResampler1 usados para desagregar los pronósticos de precipitación estacional en datos diarios, que serán usados como inputs en los modelos de cultivos, proporcionan una predicción comparable. Por lo tanto, ambos métodos parecen opciones factibles/viables para la vinculación de los pronósticos estacionales con modelos de simulación de cultivos para establecer predicciones de rendimiento o las necesidades de riego en el caso de maíz. El análisis del impacto en el margen bruto de los precios del grano de los dos cultivos (trigo y maíz) y el coste de riego (maíz) sugieren que la combinación de los precios de mercado previstos y la predicción climática estacional pueden ser una buena herramienta en la toma de decisiones de los agricultores, especialmente en predicciones secas y/o localidades con baja precipitación anual. Estos métodos permiten cuantificar los beneficios y riesgos de los agricultores ante una predicción climática estacional en la PI. Por lo tanto, seríamos capaces de establecer sistemas de alerta temprana y diseñar estrategias de adaptación del manejo del cultivo para aprovechar las condiciones favorables o reducir los efectos de condiciones adversas. La utilidad potencial de esta Tesis es la aplicación de las relaciones encontradas para predicción de cosechas de la próxima campaña agrícola. Una correcta predicción de los rendimientos podría ayudar a los agricultores a planear con antelación sus prácticas agronómicas y todos los demás aspectos relacionados con el manejo de los cultivos. Esta metodología se puede utilizar también para la predicción de las tendencias futuras de la variabilidad del rendimiento en la PI. Tanto los sectores públicos (mejora de la planificación agrícola) como privados (agricultores, compañías de seguros agrarios) pueden beneficiarse de esta mejora en la predicción de cosechas. ABSTRACT The present thesis constitutes a step forward in advancing of knowledge of the effects of climate variability on crops in the Iberian Peninsula (IP). It is well known that ocean temperature, particularly the tropical ocean, is one of the most convenient variables to be used as climate predictor. Oceans are considered as the principal heat storage of the planet due to the high heat capacity of water. When this energy is released, it alters the global atmospheric circulation regimes by teleconnection1 mechanisms. These changes in the general circulation of the atmosphere affect the regional temperature, precipitation, moisture, wind, etc., and those influence crop growth, development and yield. For the case of Europe, this implies that the atmospheric variability in a specific region is associated with the variability of others adjacent and/or remote regions as a consequence of Europe being affected by global circulations patterns which, in turn, are affected by oceanic patterns. The general objective of this Thesis is to analyze the variability of crop yields at climate time scales and its relation to the climate variability and teleconnections, as well as to evaluate their predictability. Moreover, this Thesis aims to establish a methodology to study the predictability of crop yield anomalies. The analysis focuses on wheat and maize as a reference crops for other field crops in the IP, for winter rainfed crops and summer irrigated crops respectively. Crop simulation experiments using a model chain methodology (climate + crop) are designed to evaluate the impacts of climate variability patterns on yield and its predictability. The present Thesis is structured in two parts. The first part is focused on the climate variability analyses, and the second part is an application of the quantitative crop forecasting for years that fulfill specific conditions identified in the first part. This Thesis is divided into 4 chapters, covering the specific objectives of the present research work. Part I. Climate variability analyses The first chapter shows an analysis of potential yield variability in one location, as a bioclimatic indicator of the El Niño teleconnections with Europe, putting forward its importance for improving predictability in both climate and agriculture. It also presents the chosen methodology to relate yield with atmospheric and oceanic variables. Crop yield is partially determined by atmospheric climate variability, which in turn depends on changes in the sea surface temperature (SST). El Niño is the leading mode of SST interannual variability, and its impacts extend worldwide. Nevertheless, the predictability of these impacts is controversial, especially those associated with European climate variability, which have been found to be non-stationary and non-linear. The study showed how potential2 crop yield obtained from reanalysis data and crop models serves as an alternative and more effective index of El Niño teleconnections because it integrates the nonlinearities between the climate variables in a unique time series. The relationships between El Niño and crop yield anomalies are more significant than the individual contributions of each of the atmospheric variables used as input in the crop model. Additionally, the non-stationarities between El Niño and European climate variability are more clearly detected when analyzing crop-yield variability. The understanding of this relationship allows for some predictability up to one year before the crop is harvested. This predictability is not constant, but depends on both high and low frequency modulation. The second chapter identifies the oceanic and atmospheric patterns of climate variability affecting summer cropping systems in the IP. Moreover, hypotheses about the eco-physiological mechanism behind crop response are presented. It is focused on an analysis of maize yield variability in IP for the whole twenty century, using a calibrated crop model at five contrasting Spanish locations and reanalyses climate datasets to obtain long time series of potential yield. The study tests the use of reanalysis data for obtaining only climate dependent time series of simulated crop yield for the whole region, and to use these yield to analyze the influences of oceanic and atmospheric patterns. The results show a good reliability of reanalysis data. The spatial distribution of the leading principal component of yield variability shows a similar behaviour over all the studied locations in the IP. The strong linear correlation between El Niño index and yield is remarkable, being this relation non-stationary on time, although the air temperature-yield relationship remains on time, being the highest influences during grain filling period. Regarding atmospheric patterns, the summer Scandinavian pattern has significant influence on yield in IP. The third chapter identifies the oceanic and atmospheric patterns of climate variability affecting winter cropping systems in the IP. Also, hypotheses about the eco-physiological mechanism behind crop response are presented. It is focused on an analysis of rainfed wheat yield variability in IP. Climate variability is the main driver of changes in crop growth, development and yield, especially for rainfed production systems. In IP, wheat yields are strongly dependent on seasonal rainfall amount and temporal distribution of rainfall during the growing season. The major source of precipitation interannual variability in IP is the North Atlantic Oscillation (NAO) which has been related in part with changes in the Tropical Pacific (El Niño) and Atlantic (TNA) sea surface temperature (SST). The existence of some predictability has encouraged us to analyze the possible predictability of the wheat yield in the IP using SSTs anomalies as predictor. For this purpose, a crop model with a site specific calibration for the Northeast of IP and reanalysis climate datasets have been used to obtain long time series of attainable wheat yield and relate their variability with SST anomalies. The results show that El Niño and TNA influence rainfed wheat development and yield in IP and these impacts depend on the concurrent state of the NAO. Although crop-SST relationships do not equally hold on during the whole analyzed period, they can be explained by an understood and stationary ecophysiological mechanism. During the second half of the twenty century, the positive (negative) TNA index is associated to a negative (positive) phase of NAO, which exerts a positive (negative) influence on minimum temperatures (Tmin) and precipitation (Prec) during winter and, thus, yield increases (decreases) in IP. In relation to El Niño, the highest correlation takes place in the period 1981-2001. For these decades, high (low) yields are associated with an El Niño to La Niña (La Niña to El Niño) transitions or to El Niño events finishing. For these events, the regional associated atmospheric pattern resembles the NAO, which also influences directly on the maximum temperatures (Tmax) and precipitation experienced by the crop during flowering and grain filling. The co-effects of the two teleconnection patterns help to increase (decrease) the rainfall and decrease (increase) Tmax in IP, thus on increase (decrease) wheat yield. Part II. Crop forecasting The last chapter analyses the potential benefits for wheat and maize yields prediction from using seasonal climate forecasts (precipitation), and explores methods to apply such a climate forecast to crop models. Seasonal climate prediction has significant potential to contribute to the efficiency of agricultural management, and to food and livelihood security. Climate forecasts come in different forms, but probabilistic. For this purpose, two methods were evaluated and applied for disaggregating seasonal climate forecast into daily weather realizations: 1) a conditioned stochastic weather generator (predictWTD) and 2) a simple forecast probability resampler (FResampler1). The two methods were evaluated in a case study where the impacts of three scenarios of seasonal rainfall forecasts on rainfed wheat yield, on irrigation requirements and yields of maize in IP were analyzed. In addition, we estimated the economic margins and production risks associated with extreme scenarios of seasonal rainfall forecasts (dry and wet). The predWTD and FResampler1 methods used for disaggregating seasonal rainfall forecast into daily data needed by the crop simulation models provided comparable predictability. Therefore both methods seem feasible options for linking seasonal forecasts with crop simulation models for establishing yield forecasts or irrigation water requirements. The analysis of the impact on gross margin of grain prices for both crops and maize irrigation costs suggests the combination of market prices expected and the seasonal climate forecast can be a good tool in farmer’s decision-making, especially on dry forecast and/or in locations with low annual precipitation. These methodologies would allow quantifying the benefits and risks of a seasonal weather forecast to farmers in IP. Therefore, we would be able to establish early warning systems and to design crop management adaptation strategies that take advantage of favorable conditions or reduce the effect of adverse conditions. The potential usefulness of this Thesis is to apply the relationships found to crop forecasting on the next cropping season, suggesting opportunity time windows for the prediction. The methodology can be used as well for the prediction of future trends of IP yield variability. Both public (improvement of agricultural planning) and private (decision support to farmers, insurance companies) sectors may benefit from such an improvement of crop forecasting.

Pattern formation of parametrically driven surface waves induced by vibration

Esta tesis se centra en la generación de ondas superficiales subarmónicas en fluidos sometidos a vibración forzada en el régimen gravitatorio capilar con líquidos de baja viscosidad. Tres problemas diferentes han sido estudiados: un contenedor rectangular con vibración horizontal, la misma geometría pero con una combinación de vibración vertical y horizontal y un obstáculo completamente sumergido vibrado verticalmente en un contenedor grande. Se deriva una ecuación de amplitud desde primeros principios para describir las ondas subarmónicas con forzamiento parámetrico inducido por la vibración. La ecuación es bidimensional mientras que el problema original es tridimensional y admite un forzamiento espacial no uniforme. Usando esta ecuación los tres sistemas han sido analizados, centrándose en calcular la amplitud crítica, la orientación de los patrones y el carácter temporal de los patrones espaciotemporales, que pueden ser estrictamente subarmónicos o cuasiperiodicos con una frecuencia de modulación temporal. La dependencia con los parámetros adimensionales también se considera. La teoría será comparada con los experimentos disponibles en la literatura. Abstract This thesis focus on the generation of subharmonic surface waves on fluids subject to forced vibration in the gravity-capillary regime with liquids of small viscosity. Three different problems have been considered: a rectangular container under horizontal vibration; the same geometry but under a combination of horizontal and vertical vibration; and a fully submerged vertically vibrated obstacle in a large container. An amplitude equation is derived from first principles that fairly precisely describes the subharmonic surfaces waves parametrically driven by vibration. That equation is two dimensional while the underlying problem is three-dimensional and permits spatially nonuniform forcing. Using this equation, the three systems have been analyzed, focusing on the calculation of the threshold amplitude, the pattern orientation, and the temporal character of the spatio-temporal patterns, which can be either strictly subharmonic or quasi-periodic, showing an additional modulation frequency. Dependence on the non-dimensional parameters is also considered. The theory is compared with the experiments available in the literature.

Methods and Techniques for the Generation and Eficient Exploitation of RDB2RDF Mappings

RDB to RDF Mapping Language (R2RML) es una recomendación del W3C que permite especificar reglas para transformar bases de datos relacionales a RDF. Estos datos en RDF se pueden materializar y almacenar en un sistema gestor de tripletas RDF (normalmente conocidos con el nombre triple store), en el cual se pueden evaluar consultas SPARQL. Sin embargo, hay casos en los cuales la materialización no es adecuada o posible, por ejemplo, cuando la base de datos se actualiza frecuentemente. En estos casos, lo mejor es considerar los datos en RDF como datos virtuales, de tal manera que las consultas SPARQL anteriormente mencionadas se traduzcan a consultas SQL que se pueden evaluar sobre los sistemas gestores de bases de datos relacionales (SGBD) originales. Para esta traducción se tienen en cuenta los mapeos R2RML. La primera parte de esta tesis se centra en la traducción de consultas. Se propone una formalización de la traducción de SPARQL a SQL utilizando mapeos R2RML. Además se proponen varias técnicas de optimización para generar consultas SQL que son más eficientes cuando son evaluadas en sistemas gestores de bases de datos relacionales. Este enfoque se evalúa mediante un benchmark sintético y varios casos reales. Otra recomendación relacionada con R2RML es la conocida como Direct Mapping (DM), que establece reglas fijas para la transformación de datos relacionales a RDF. A pesar de que ambas recomendaciones se publicaron al mismo tiempo, en septiembre de 2012, todavía no se ha realizado un estudio formal sobre la relación entre ellas. Por tanto, la segunda parte de esta tesis se centra en el estudio de la relación entre R2RML y DM. Se divide este estudio en dos partes: de R2RML a DM, y de DM a R2RML. En el primer caso, se estudia un fragmento de R2RML que tiene la misma expresividad que DM. En el segundo caso, se representan las reglas de DM como mapeos R2RML, y también se añade la semántica implícita (relaciones de subclase, 1-N y M-N) que se puede encontrar codificada en la base de datos. Esta tesis muestra que es posible usar R2RML en casos reales, sin necesidad de realizar materializaciones de los datos, puesto que las consultas SQL generadas son suficientemente eficientes cuando son evaluadas en el sistema gestor de base de datos relacional. Asimismo, esta tesis profundiza en el entendimiento de la relación existente entre las dos recomendaciones del W3C, algo que no había sido estudiado con anterioridad. ABSTRACT. RDB to RDF Mapping Language (R2RML) is a W3C recommendation that allows specifying rules for transforming relational databases into RDF. This RDF data can be materialized and stored in a triple store, so that SPARQL queries can be evaluated by the triple store. However, there are several cases where materialization is not adequate or possible, for example, if the underlying relational database is updated frequently. In those cases, RDF data is better kept virtual, and hence SPARQL queries over it have to be translated into SQL queries to the underlying relational database system considering that the translation process has to take into account the specified R2RML mappings. The first part of this thesis focuses on query translation. We discuss the formalization of the translation from SPARQL to SQL queries that takes into account R2RML mappings. Furthermore, we propose several optimization techniques so that the translation procedure generates SQL queries that can be evaluated more efficiently over the underlying databases. We evaluate our approach using a synthetic benchmark and several real cases, and show positive results that we obtained. Direct Mapping (DM) is another W3C recommendation for the generation of RDF data from relational databases. While R2RML allows users to specify their own transformation rules, DM establishes fixed transformation rules. Although both recommendations were published at the same time, September 2012, there has not been any study regarding the relationship between them. The second part of this thesis focuses on the study of the relationship between R2RML and DM. We divide this study into two directions: from R2RML to DM, and from DM to R2RML. From R2RML to DM, we study a fragment of R2RML having the same expressive power than DM. From DM to R2RML, we represent DM transformation rules as R2RML mappings, and also add the implicit semantics encoded in databases, such as subclass, 1-N and N-N relationships. This thesis shows that by formalizing and optimizing R2RML-based SPARQL to SQL query translation, it is possible to use R2RML engines in real cases as the resulting SQL is efficient enough to be evaluated by the underlying relational databases. In addition to that, this thesis facilitates the understanding of bidirectional relationship between the two W3C recommendations, something that had not been studied before.

Análisis, desarrollo y optimización de un sistema para el diseño de redes topográficas valorando el modelo digital del terreno

El presente trabajo tiene como objetivo general el análisis de las técnicas de diseño y optimización de redes topográficas, observadas mediante topografía convencional (no satelital) el desarrollo e implementación de un sistema informático capaz de ayudar a la definición de la geometría más fiable y precisa, en función de la orografía del terreno donde se tenga que ubicar. En primer lugar se realizará un estudio de la metodología del ajuste mediante mínimos cuadrados y la propagación de varianzas, para posteriormente analizar su dependencia de la geometría que adopte la red. Será imprescindible determinar la independencia de la matriz de redundancia (R) de las observaciones y su total dependencia de la geometría, así como la influencia de su diagonal principal (rii), números de redundancia, para garantizar la máxima fiabilidad interna de la misma. También se analizará el comportamiento de los números de redundancia (rii) en el diseño de una red topográfica, la variación de dichos valores en función de la geometría, analizando su independencia respecto de las observaciones así como los diferentes niveles de diseño en función de los parámetros y datos conocidos. Ha de señalarse que la optimización de la red, con arreglo a los criterios expuestos, está sujeta a los condicionantes que impone la necesidad de que los vértices sean accesibles, y además sean visibles entre sí, aquellos relacionados por observaciones, situaciones que dependen esencialmente del relieve del terreno y de los obstáculos naturales o artificiales que puedan existir. Esto implica la necesidad de incluir en el análisis y en el diseño, cuando menos de un modelo digital del terreno (MDT), aunque lo más útil sería la inclusión en el estudio del modelo digital de superficie (MDS), pero esta opción no siempre será posible. Aunque el tratamiento del diseño esté basado en un sistema bidimensional se estudiará la posibilidad de incorporar un modelo digital de superficie (MDS); esto permitirá a la hora de diseñar el emplazamiento de los vértices de la red la viabilidad de las observaciones en función de la orografía y los elementos, tanto naturales como artificiales, que sobre ella estén ubicados. Este sistema proporcionaría, en un principio, un diseño óptimo de una red constreñida, atendiendo a la fiabilidad interna y a la precisión final de sus vértices, teniendo en cuenta la orografía, lo que equivaldría a resolver un planteamiento de diseño en dos dimensiones y media1; siempre y cuando se dispusiera de un modelo digital de superficie o del terreno. Dado que la disponibilidad de obtener de manera libre el MDS de las zonas de interés del proyecto, hoy en día es costoso2, se planteará la posibilidad de conjuntar, para el estudio del diseño de la red, de un modelo digital del terreno. Las actividades a desarrollar en el trabajo de esta tesis se describen en esta memoria y se enmarcan dentro de la investigación para la que se plantean los siguientes objetivos globales: 1. Establecer un modelo matemático del proceso de observación de una red topográfica, atendiendo a todos los factores que intervienen en el mismo y a su influencia sobre las estimaciones de las incógnitas que se obtienen como resultado del ajuste de las observaciones. 2. Desarrollar un sistema que permita optimizar una red topográfica en sus resultados, aplicando técnicas de diseño y simulación sobre el modelo anterior. 3. Presentar una formulación explícita y rigurosa de los parámetros que valoran la fiabilidad de una red topográfica y de sus relaciones con el diseño de la misma. El logro de este objetivo se basa, además de en la búsqueda y revisión de las fuentes, en una intensa labor de unificación de notaciones y de construcción de pasos intermedios en los desarrollos matemáticos. 4. Elaborar una visión conjunta de la influencia del diseño de una red, en los seis siguientes factores (precisiones a posteriori, fiabilidad de las observaciones, naturaleza y viabilidad de las mismas, instrumental y metodología de estacionamiento) como criterios de optimización, con la finalidad de enmarcar el tema concreto que aquí se aborda. 5. Elaborar y programar los algoritmos necesarios para poder desarrollar una aplicación que sea capaz de contemplar las variables planteadas en el apartado anterior en el problema del diseño y simulación de redes topográficas, contemplando el modelo digital de superficie. Podrían considerarse como objetivos secundarios, los siguientes apartados: Desarrollar los algoritmos necesarios para interrelacionar el modelo digital del terreno con los propios del diseño. Implementar en la aplicación informática la posibilidad de variación, por parte del usuario, de los criterios de cobertura de los parámetros (distribución normal o t de Student), así como los grados de fiabilidad de los mismos ABSTRACT The overall purpose of this work is the analysis of the techniques of design and optimization for geodetic networks, measured with conventional survey methods (not satellite), the development and implementation of a computational system capable to help on the definition of the most liable and accurate geometry, depending on the land orography where the network has to be located. First of all, a study of the methodology by least squares adjustment and propagation of variances will be held; then, subsequently, analyze its dependency of the geometry that the network will take. It will be essential to determine the independency of redundancy matrix (R) from the observations and its absolute dependency from the network geometry, as well as the influence of the diagonal terms of the R matrix (rii), redundancy numbers, in order to ensure maximum re liability of the network. It will also be analyzed first the behavior of redundancy numbers (rii) in surveying network design, then the variation of these values depending on the geometry with the analysis of its independency from the observations, and finally the different design levels depending on parameters and known data. It should be stated that network optimization, according to exposed criteria, is subject to the accessibility of the network points. In addition, common visibility among network points, which of them are connected with observations, has to be considered. All these situations depends essentially on the terrain relief and the natural or artificial obstacles that should exist. Therefore, it is necessary to include, at least, a digital terrain model (DTM), and better a digital surface model (DSM), not always available. Although design treatment is based on a bidimensional system, the possibility of incorporating a digital surface model (DSM) will be studied; this will allow evaluating the observations feasibility based on the terrain and the elements, both natural and artificial, which are located on it, when selecting network point locations. This system would provide, at first, an optimal design of a constrained network, considering both the internal reliability and the accuracy of its points (including the relief). This approach would amount to solving a “two and a half dimensional”3 design, if a digital surface model is available. As the availability of free DSM4 of the areas of interest of the project today is expensive, the possibility of combining a digital terrain model will arise. The activities to be developed on this PhD thesis are described in this document and are part of the research for which the following overall objectives are posed: 1. To establish a mathematical model for the process of observation of a survey network, considering all the factors involved and its influence on the estimates of the unknowns that are obtained as a result of the observations adjustment. 2. To develop a system to optimize a survey network results, applying design and simulation techniques on the previous model. 3. To present an explicit and rigorous formulation of parameters which assess the reliability of a survey network and its relations with the design. The achievement of this objective is based, besides on the search and review of sources, in an intense work of unification of notation and construction of intermediate steps in the mathematical developments. 4. To develop an overview of the influence on the network design of six major factors (posterior accuracy, observations reliability, viability of observations, instruments and station methodology) as optimization criteria, in order to define the subject approached on this document. 5. To elaborate and program the algorithms needed to develop an application software capable of considering the variables proposed in the previous section, on the problem of design and simulation of surveying networks, considering the digital surface model. It could be considered as secondary objectives, the following paragraphs: To develop the necessary algorithms to interrelate the digital terrain model with the design ones. To implement in the software application the possibility of variation of the coverage criteria parameters (normal distribution or Student t test) and therefore its degree of reliability.

Biometric authentication of users through iris by using key binding and similarity preserving hash functions = Autenticación biométrica de usuarios a través del iris mediante la ocultación de claves y funciones resumen que preservan la similitud

El extraordinario auge de las nuevas tecnologías de la información, el desarrollo de la Internet de las Cosas, el comercio electrónico, las redes sociales, la telefonía móvil y la computación y almacenamiento en la nube, han proporcionado grandes beneficios en todos los ámbitos de la sociedad. Junto a éstos, se presentan nuevos retos para la protección y privacidad de la información y su contenido, como la suplantación de personalidad y la pérdida de la confidencialidad e integridad de los documentos o las comunicaciones electrónicas. Este hecho puede verse agravado por la falta de una frontera clara que delimite el mundo personal del mundo laboral en cuanto al acceso de la información. En todos estos campos de la actividad personal y laboral, la Criptografía ha jugado un papel fundamental aportando las herramientas necesarias para garantizar la confidencialidad, integridad y disponibilidad tanto de la privacidad de los datos personales como de la información. Por otro lado, la Biometría ha propuesto y ofrecido diferentes técnicas con el fin de garantizar la autentificación de individuos a través del uso de determinadas características personales como las huellas dáctilares, el iris, la geometría de la mano, la voz, la forma de caminar, etc. Cada una de estas dos ciencias, Criptografía y Biometría, aportan soluciones a campos específicos de la protección de datos y autentificación de usuarios, que se verían enormemente potenciados si determinadas características de ambas ciencias se unieran con vistas a objetivos comunes. Por ello es imperativo intensificar la investigación en estos ámbitos combinando los algoritmos y primitivas matemáticas de la Criptografía con la Biometría para dar respuesta a la demanda creciente de nuevas soluciones más técnicas, seguras y fáciles de usar que potencien de modo simultáneo la protección de datos y la identificacíón de usuarios. En esta combinación el concepto de biometría cancelable ha supuesto una piedra angular en el proceso de autentificación e identificación de usuarios al proporcionar propiedades de revocación y cancelación a los ragos biométricos. La contribución de esta tesis se basa en el principal aspecto de la Biometría, es decir, la autentificación segura y eficiente de usuarios a través de sus rasgos biométricos, utilizando tres aproximaciones distintas: 1. Diseño de un esquema criptobiométrico borroso que implemente los principios de la biometría cancelable para identificar usuarios lidiando con los problemas acaecidos de la variabilidad intra e inter-usuarios. 2. Diseño de una nueva función hash que preserva la similitud (SPHF por sus siglas en inglés). Actualmente estas funciones se usan en el campo del análisis forense digital con el objetivo de buscar similitudes en el contenido de archivos distintos pero similares de modo que se pueda precisar hasta qué punto estos archivos pudieran ser considerados iguales. La función definida en este trabajo de investigación, además de mejorar los resultados de las principales funciones desarrolladas hasta el momento, intenta extender su uso a la comparación entre patrones de iris. 3. Desarrollando un nuevo mecanismo de comparación de patrones de iris que considera tales patrones como si fueran señales para compararlos posteriormente utilizando la transformada de Walsh-Hadarmard. Los resultados obtenidos son excelentes teniendo en cuenta los requerimientos de seguridad y privacidad mencionados anteriormente. Cada uno de los tres esquemas diseñados han sido implementados para poder realizar experimentos y probar su eficacia operativa en escenarios que simulan situaciones reales: El esquema criptobiométrico borroso y la función SPHF han sido implementados en lenguaje Java mientras que el proceso basado en la transformada de Walsh-Hadamard en Matlab. En los experimentos se ha utilizado una base de datos de imágenes de iris (CASIA) para simular una población de usuarios del sistema. En el caso particular de la función de SPHF, además se han realizado experimentos para comprobar su utilidad en el campo de análisis forense comparando archivos e imágenes con contenido similar y distinto. En este sentido, para cada uno de los esquemas se han calculado los ratios de falso negativo y falso positivo. ABSTRACT The extraordinary increase of new information technologies, the development of Internet of Things, the electronic commerce, the social networks, mobile or smart telephony and cloud computing and storage, have provided great benefits in all areas of society. Besides this fact, there are new challenges for the protection and privacy of information and its content, such as the loss of confidentiality and integrity of electronic documents and communications. This is exarcebated by the lack of a clear boundary between the personal world and the business world as their differences are becoming narrower. In both worlds, i.e the personal and the business one, Cryptography has played a key role by providing the necessary tools to ensure the confidentiality, integrity and availability both of the privacy of the personal data and information. On the other hand, Biometrics has offered and proposed different techniques with the aim to assure the authentication of individuals through their biometric traits, such as fingerprints, iris, hand geometry, voice, gait, etc. Each of these sciences, Cryptography and Biometrics, provides tools to specific problems of the data protection and user authentication, which would be widely strengthen if determined characteristics of both sciences would be combined in order to achieve common objectives. Therefore, it is imperative to intensify the research in this area by combining the basics mathematical algorithms and primitives of Cryptography with Biometrics to meet the growing demand for more secure and usability techniques which would improve the data protection and the user authentication. In this combination, the use of cancelable biometrics makes a cornerstone in the user authentication and identification process since it provides revocable or cancelation properties to the biometric traits. The contributions in this thesis involve the main aspect of Biometrics, i.e. the secure and efficient authentication of users through their biometric templates, considered from three different approaches. The first one is designing a fuzzy crypto-biometric scheme using the cancelable biometric principles to take advantage of the fuzziness of the biometric templates at the same time that it deals with the intra- and inter-user variability among users without compromising the biometric templates extracted from the legitimate users. The second one is designing a new Similarity Preserving Hash Function (SPHF), currently widely used in the Digital Forensics field to find similarities among different files to calculate their similarity level. The function designed in this research work, besides the fact of improving the results of the two main functions of this field currently in place, it tries to expand its use to the iris template comparison. Finally, the last approach of this thesis is developing a new mechanism of handling the iris templates, considering them as signals, to use the Walsh-Hadamard transform (complemented with three other algorithms) to compare them. The results obtained are excellent taking into account the security and privacy requirements mentioned previously. Every one of the three schemes designed have been implemented to test their operational efficacy in situations that simulate real scenarios: The fuzzy crypto-biometric scheme and the SPHF have been implemented in Java language, while the process based on the Walsh-Hadamard transform in Matlab. The experiments have been performed using a database of iris templates (CASIA-IrisV2) to simulate a user population. The case of the new SPHF designed is special since previous to be applied i to the Biometrics field, it has been also tested to determine its applicability in the Digital Forensic field comparing similar and dissimilar files and images. The ratios of efficiency and effectiveness regarding user authentication, i.e. False Non Match and False Match Rate, for the schemes designed have been calculated with different parameters and cases to analyse their behaviour.

An ICT-based closed-loop model to improve care for heart failure patients

Durante las últimas décadas se ha producido un fenómeno global de envejecimiento en la población. Esta tendencia se puede observar prácticamente en todos los países del mundo y se debe principalmente a los avances en la medicina, y a los descensos en las tasas de fertilidad y mortalidad. El envejecimiento de la población tiene un gran impacto en la salud de los ciudadanos, y a menudo es la causa de aparición de enfermedades crónicas. Este tipo de enfermedades supone una amenaza y una carga importantes para la sociedad, especialmente en aspectos como la mortalidad o los gastos en los sistemas sanitarios. Entre las enfermedades cardiovasculares, la insuficiencia cardíaca es probablemente la condición con mayor prevalencia y afecta a 23-26 millones de personas en todo el mundo. Normalmente, la insuficiencia cardíaca presenta un mal pronóstico y una tasa de supervivencia bajas, en algunos casos peores que algún tipo de cáncer. Además, suele ser la causa de hospitalizaciones frecuentes y es una de las enfermedades más costosas para los sistemas sanitarios. La tendencia al envejecimiento de la población y la creciente incidencia de las enfermedades crónicas están llevando a una situación en la que los sistemas de salud no son capaces de hacer frente a la demanda de la sociedad. Los servicios de salud existentes tendrán que adaptarse para ser efectivos y sostenibles en el futuro. Es necesario identificar nuevos paradigmas de cuidado de pacientes, así como mecanismos para la provisión de servicios que ayuden a transformar estos sistemas sanitarios. En este contexto, esta tesis se plantea la búsqueda de soluciones, basadas en las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC), que contribuyan a realizar la transformación en los sistemas sanitarios. En concreto, la tesis se centra en abordar los problemas de una de las enfermedades con mayor impacto en estos sistemas: la insuficiencia cardíaca. Las siguientes hipótesis constituyen la base para la realización de este trabajo de investigación: 1. Es posible definir un modelo basado en el paradigma de lazo cerrado y herramientas TIC que formalice el diseño de mejores servicios para pacientes con insuficiencia cardíaca. 2. El modelo de lazo cerrado definido se puede utilizar para definir un servicio real que ayude a gestionar la insuficiencia cardíaca crónica. 3. La introducción, la adopción y el uso de un servicio basado en el modelo definido se traducirá en mejoras en el estado de salud de los pacientes que sufren insuficiencia cardíaca. a. La utilización de un sistema basado en el modelo de lazo cerrado definido mejorará la experiencia del usuario de los pacientes. La definición del modelo planteado se ha basado en el estándar ISO / EN 13940- Sistema de conceptos para dar soporte a la continuidad de la asistencia. Comprende un conjunto de conceptos, procesos, flujos de trabajo, y servicios como componentes principales, y representa una formalización de los servicios para los pacientes con insuficiencia cardíaca. Para evaluar el modelo definido se ha definido un servicio real basado en el mismo, además de la implementación de un sistema de apoyo a dicho servicio. El diseño e implementación de dicho sistema se realizó siguiendo la metodología de Diseño Orientado a Objetivos. El objetivo de la evaluación consistía en investigar el efecto que tiene un servicio basado en el modelo de lazo cerrado sobre el estado de salud de los pacientes con insuficiencia cardíaca. La evaluación se realizó en el marco de un estudio clínico observacional. El análisis de los resultados ha comprendido métodos de análisis cuantitativos y cualitativos. El análisis cuantitativo se ha centrado en determinar el estado de salud de los pacientes en base a datos objetivos (obtenidos en pruebas de laboratorio o exámenes médicos). Para realizar este análisis se definieron dos índices específicos: el índice de estabilidad y el índice de la evolución del estado de salud. El análisis cualitativo ha evaluado la autopercepción del estado de salud de los pacientes en términos de calidad de vida, auto-cuidado, el conocimiento, la ansiedad y la depresión, así como niveles de conocimiento. Se ha basado en los datos recogidos mediante varios cuestionarios o instrumentos estándar (i.e. EQ-5D, la Escala de Ansiedad y Depresión (HADS), el Cuestionario de Cardiomiopatía de Kansas City (KCCQ), la Escala Holandesa de Conocimiento de Insuficiencia Cardíaca (DHFKS), y la Escala Europea de Autocuidado en Insuficiencia Cardíaca (EHFScBS), así como cuestionarios dedicados no estandarizados de experiencia de usuario. Los resultados obtenidos en ambos análisis, cuantitativo y cualitativo, se compararon con el fin de evaluar la correlación entre el estado de salud objetivo y subjetivo de los pacientes. Los resultados de la validación demostraron que el modelo propuesto tiene efectos positivos en el cuidado de los pacientes con insuficiencia cardíaca y contribuye a mejorar su estado de salud. Asimismo, ratificaron al modelo como instrumento válido para la definición de servicios mejorados para la gestión de esta enfermedad. ABSTRACT During the last decades we have witnessed a global aging phenomenon in the population. This can be observed in practically every country in the world, and it is mainly caused by the advances in medicine, and the decrease of mortality and fertility rates. Population aging has an important impact on citizens’ health and it is often the cause for chronic diseases, which constitute global burden and threat to the society in terms of mortality and healthcare expenditure. Among chronic diseases, Chronic Heart Failure (CHF) or Heart Failure (HF) is probably the one with highest prevalence, affecting between 23 and 26 million people worldwide. Heart failure is a chronic, long-term and serious condition with very poor prognosis and worse survival rates than some type of cancers. Additionally, it is often the cause of frequent hospitalizations and one of the most expensive conditions for the healthcare systems. The aging trends in the population and the increasing incidence of chronic diseases are leading to a situation where healthcare systems are not able to cope with the society demand. Current healthcare services will have to be adapted and redefined in order to be effective and sustainable in the future. There is a need to find new paradigms for patients’ care, and to identify new mechanisms for services’ provision that help to transform the healthcare systems. In this context, this thesis aims to explore new solutions, based on ICT, that contribute to achieve the needed transformation within the healthcare systems. In particular, it focuses on addressing the problems of one of the diseases with higher impact within these systems: Heart Failure. The following hypotheses represent the basis to the elaboration of this research: 1. It is possible to define a model based on a closed-loop paradigm and ICT tools that formalises the design of enhanced healthcare services for chronic heart failure patients. 2. The described closed-loop model can be exemplified in a real service that supports the management of chronic heart failure disease. 3. The introduction, adoption and use of a service based on the outlined model will result in improvements in the health status of patients suffering heart failure. 4. The user experience of patients when utilizing a system based on the defined closed-loop model will be enhanced. The definition of the closed-loop model for health care support of heart failure patients have been based on the standard ISO/EN 13940 System of concepts to support continuity of care. It includes a set of concept, processes and workflows, and services as main components, and it represent a formalization of services for heart failure patients. In order to be validated, the proposed closed-loop model has been instantiated into a real service and a supporting IT system. The design and implementation of the system followed the user centred design methodology Goal Oriented Design. The validation, that included an observational clinical study, aimed to investigate the effect that a service based on the closed-loop model had on heart failure patients’ health status. The analysis of results comprised quantitative and qualitative analysis methods. The quantitative analysis was focused on determining the health status of patients based on objective data (obtained in lab tests or physical examinations). Two specific indexes where defined and considered in this analysis: the stability index and the health status evolution index. The qualitative analysis assessed the self-perception of patients’ health status in terms of quality of life, self-care, knowledge, anxiety and depression, as well as knowledge levels. It was based on the data gathered through several standard instruments (i.e. EQ-5D, the Hospital Anxiety and Depression Scale, the Kansas City Cardiomyopathy Questionnaire, the Dutch Heart Failure Knowledge Scale, and the European Heart Failure Self-care Behaviour Scale) as well as dedicated non-standardized user experience questionnaires. The results obtained in both analyses, quantitative and qualitative, were compared in order to assess the correlation between the objective and subjective health status of patients. The results of the validation showed that the proposed model contributed to improve the health status of the patients and had a positive effect on the patients’ care. It also proved that the model is a valid instrument for designing enhanced healthcare services for heart failure patients.

Inventario morfológico de las ciudadelas del Casco Histórico de La Habana para su caracterización como tipología específica. Estudio comparado con las corralas madrileñas

La ciudadela habanera sigue un modelo arquitectónico ampliamente difundido en la América de habla hispana proveniente de la metrópoli, conocido popularmente como casa de patio, casa de vecindad, o mejor, casa de corredor. Como tal, constituyen una tipología peculiar fácilmente identificable, que nace como consecuencia de la necesidad de alojamiento de las clases populares de origen más humilde, a menudo también asociada a la inmigración, a partir de la revolución industrial y, por supuesto, no exclusiva de La Habana. Las ciudadelas Habaneras, como tipología específica, surgen en el siglo XIX, como consecuencia del proceso de aparición de las clases asalariadas, es decir, como respuesta lógica y práctica a una imperiosa demanda de obtener la máxima rentabilidad al suelo en una trama urbana compacta, teniendo en cuenta las especificidades del clima y la especulación urbana. Estas premisas establecen las características tipológicas generales de las ciudadelas: pequeñas habitaciones que delimitan un patio, elemento que constituye, además, el espacio de circulación, con servicios sanitarios y un área de cocina comunes para todos los inquilinos. A partir de 1938 queda prohibida la construcción de ciudadelas, pero ello no impide que su uso siga vigente, dadas las peculiares condiciones socio-políticas cubanas, que han hecho que, desde la revolución castrista, no se produzca la renovación del parque edilicio que ha tenido lugar en otros países. Las ciudadelas, como las casas de corredor españolas y las del resto de América, están íntimamente asociadas al concepto de infravivienda, con unas condiciones de habitabilidad que, si ya eran mínimas hace 150 años, actualmente son inaceptables. No obstante, el modelo continúa resultando atractivo, pues ofrece una posibilidad de relaciones personales y de sentido de la pertenencia que otros modelos urbanos no permiten. Es por ello que se intenta recuperar este modo de vida mediante la rehabilitación de las casas de corredor, eso sí, siguiendo criterios de espacio y salubridad acordes con la época y la normativa actual. Por todo ello, en esta tesis se profundiza en el conocimiento de las ciudadelas habaneras tanto desde el punto de vista histórico y tipológico como en el constructivo o patológico. En primer lugar se estudia su origen y evolución, así como sus similitudes y diferencias con sus homólogas en España e Hispanoamérica, para entender su morfología propia y poder decidir sobre la técnica de rehabilitación más apropiada. En segundo lugar, se describen y analizan sus características geométricas y morfológicas, con el objeto de determinar su correlación con el concepto de infravivienda y las relaciones espaciales patio/solar, para demostrar que su origen es fruto de la adaptación de un modelo universal, que deviene en una tipología específica de La Habana. En tercer lugar, se analizan los materiales y los sistemas constructivos y estructurales empleados en su origen, prácticamente intactos en la mayoría de los casos, demostrando así que en las ciudadelas se siguieron métodos similares y se optó por soluciones muy semejantes a las utilizadas en otras edificaciones habitacionales de carácter popular contemporáneas, por lo que el campo de aplicación de las soluciones deducidas de la documentación desarrollada en este trabajo es mucho más amplio que su mera adopción en las ciudadelas. En cuarto lugar, se realiza un estudio patológico de las fachadas de los edificios. Este análisis permitirá analizar con mayor rigor técnico las causas de las lesiones y diseñar técnicas de rehabilitación más adecuadas y duraderas, con un campo de aplicación también muy amplio, dado que las soluciones constructivas de los cerramientos son idénticas a las adoptadas prácticamente en la totalidad de las edificaciones de La Habana Vieja Por último, se elabora un estudio comparado de los resultados alcanzados en las ciudadelas habaneras con los obtenidos en los estudios previos realizados en las corralas madrileñas, para establecer correlaciones, similitudes y diferencias que permitan adaptar y aplicar las mismas o similares soluciones para casos semejantes en una y otra tipología.

LiDAR remote sensing applied to forest resources assessment

Disponer de información precisa y actualizada de inventario forestal es una pieza clave para mejorar la gestión forestal sostenible y para proponer y evaluar políticas de conservación de bosques que permitan la reducción de emisiones de carbono debidas a la deforestación y degradación forestal (REDD). En este sentido, la tecnología LiDAR ha demostrado ser una herramienta perfecta para caracterizar y estimar de forma continua y en áreas extensas la estructura del bosque y las principales variables de inventario forestal. Variables como la biomasa, el número de pies, el volumen de madera, la altura dominante, el diámetro o la altura media son estimadas con una calidad comparable a los inventarios tradicionales de campo. La presente tesis se centra en analizar la aplicación de los denominados métodos de masa de inventario forestal con datos LIDAR bajo diferentes condiciones y características de masa forestal (bosque templados puros y mixtos) y utilizando diferentes bases de datos LiDAR (información proveniente de vuelo nacionales e información capturada de forma específica). Como consecuencia de lo anterior, se profundiza en la generación de inventarios forestales continuos con LiDAR en grandes áreas. Los métodos de masa se basan en la búsqueda de relaciones estadísticas entre variables predictoras derivadas de la nube de puntos LiDAR y las variables de inventario forestal medidas en campo con el objeto de generar una cartografía continua de inventario forestal. El rápido desarrollo de esta tecnología en los últimos años ha llevado a muchos países a implantar programas nacionales de captura de información LiDAR aerotransportada. Estos vuelos nacionales no están pensados ni diseñados para fines forestales por lo que es necesaria la evaluación de la validez de esta información LiDAR para la descripción de la estructura del bosque y la medición de variables forestales. Esta información podría suponer una drástica reducción de costes en la generación de información continua de alta resolución de inventario forestal. En el capítulo 2 se evalúa la estimación de variables forestales a partir de la información LiDAR capturada en el marco del Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA-LiDAR) en España. Para ello se compara un vuelo específico diseñado para inventario forestal con la información de la misma zona capturada dentro del PNOA-LiDAR. El caso de estudio muestra cómo el ángulo de escaneo, la pendiente y orientación del terreno afectan de forma estadísticamente significativa, aunque con pequeñas diferencias, a la estimación de biomasa y variables de estructura forestal derivadas del LiDAR. La cobertura de copas resultó más afectada por estos factores que los percentiles de alturas. Considerando toda la zona de estudio, la estimación de la biomasa con ambas bases de datos no presentó diferencias estadísticamente significativas. Las simulaciones realizadas muestran que las diferencias medias en la estimación de biomasa entre un vuelo específico y el vuelo nacional podrán superar el 4% en áreas abruptas, con ángulos de escaneo altos y cuando la pendiente de la ladera no esté orientada hacia la línea de escaneo. En el capítulo 3 se desarrolla un estudio en masas mixtas y puras de pino silvestre y haya, con un enfoque multi-fuente empleando toda la información disponible (vuelos LiDAR nacionales de baja densidad de puntos, imágenes satelitales Landsat y parcelas permanentes del inventario forestal nacional español). Se concluye que este enfoque multi-fuente es adecuado para realizar inventarios forestales continuos de alta resolución en grandes superficies. Los errores obtenidos en la fase de ajuste y de validación de los modelos de área basimétrica y volumen son similares a los registrados por otros autores (usando un vuelo específico y parcelas de campo específicas). Se observan errores mayores en la variable número de pies que los encontrados en la literatura, que pueden ser explicados por la influencia de la metodología de parcelas de radio variable en esta variable. En los capítulos 4 y 5 se evalúan los métodos de masa para estimar biomasa y densidad de carbono en bosques tropicales. Para ello se trabaja con datos del Parque Nacional Volcán Poás (Costa Rica) en dos situaciones diferentes: i) se dispone de una cobertura completa LiDAR del área de estudio (capitulo 4) y ii) la cobertura LiDAR completa no es técnica o económicamente posible y se combina una cobertura incompleta de LiDAR con imágenes Landsat e información auxiliar para la estimación de biomasa y carbono (capitulo 5). En el capítulo 4 se valida un modelo LiDAR general de estimación de biomasa aérea en bosques tropicales y se compara con los resultados obtenidos con un modelo ajustado de forma específica para el área de estudio. Ambos modelos están basados en la variable altura media de copas (TCH por sus siglas en inglés) derivada del modelo digital LiDAR de altura de la vegetación. Los resultados en el área de estudio muestran que el modelo general es una alternativa fiable al ajuste de modelos específicos y que la biomasa aérea puede ser estimada en una nueva zona midiendo en campo únicamente la variable área basimétrica (BA). Para mejorar la aplicación de esta metodología es necesario definir en futuros trabajos procedimientos adecuados de medición de la variable área basimétrica en campo (localización, tamaño y forma de las parcelas de campo). La relación entre la altura media de copas del LiDAR y el área basimétrica (Coeficiente de Stock) obtenida en el área de estudio varía localmente. Por tanto es necesario contar con más información de campo para caracterizar la variabilidad del Coeficiente de Stock entre zonas de vida y si estrategias como la estratificación pueden reducir los errores en la estimación de biomasa y carbono en bosques tropicales. En el capítulo 5 se concluye que la combinación de una muestra sistemática de información LiDAR con una cobertura completa de imagen satelital de moderada resolución (e información auxiliar) es una alternativa efectiva para la realización de inventarios continuos en bosques tropicales. Esta metodología permite estimar altura de la vegetación, biomasa y carbono en grandes zonas donde la captura de una cobertura completa de LiDAR y la realización de un gran volumen de trabajo de campo es económica o/y técnicamente inviable. Las alternativas examinadas para la predicción de biomasa a partir de imágenes Landsat muestran una ligera disminución del coeficiente de determinación y un pequeño aumento del RMSE cuando la cobertura de LiDAR es reducida de forma considerable. Los resultados indican que la altura de la vegetación, la biomasa y la densidad de carbono pueden ser estimadas en bosques tropicales de forma adecuada usando coberturas de LIDAR bajas (entre el 5% y el 20% del área de estudio). ABSTRACT The availability of accurate and updated forest data is essential for improving sustainable forest management, promoting forest conservation policies and reducing carbon emissions from deforestation and forest degradation (REDD). In this sense, LiDAR technology proves to be a clear-cut tool for characterizing forest structure in large areas and assessing main forest-stand variables. Forest variables such as biomass, stem volume, basal area, mean diameter, mean height, dominant height, and stem number can be thus predicted with better or comparable quality than with costly traditional field inventories. In this thesis, it is analysed the potential of LiDAR technology for the estimation of plot-level forest variables under a range of conditions (conifer & broadleaf temperate forests and tropical forests) and different LiDAR capture characteristics (nationwide LiDAR information vs. specific forest LiDAR data). This study evaluates the application of LiDAR-based plot-level methods in large areas. These methods are based on statistical relationships between predictor variables (derived from airborne data) and field-measured variables to generate wall to wall forest inventories. The fast development of this technology in recent years has led to an increasing availability of national LiDAR datasets, usually developed for multiple purposes throughout an expanding number of countries and regions. The evaluation of the validity of nationwide LiDAR databases (not designed specifically for forest purposes) is needed and presents a great opportunity for substantially reducing the costs of forest inventories. In chapter 2, the suitability of Spanish nationwide LiDAR flight (PNOA) to estimate forest variables is analyzed and compared to a specifically forest designed LiDAR flight. This study case shows that scan angle, terrain slope and aspect significantly affect the assessment of most of the LiDAR-derived forest variables and biomass estimation. Especially, the estimation of canopy cover is more affected than height percentiles. Considering the entire study area, biomass estimations from both databases do not show significant differences. Simulations show that differences in biomass could be larger (more than 4%) only in particular situations, such as steep areas when the slopes are non-oriented towards the scan lines and the scan angles are larger than 15º. In chapter 3, a multi-source approach is developed, integrating available databases such as nationwide LiDAR flights, Landsat imagery and permanent field plots from SNFI, with good resultos in the generation of wall to wall forest inventories. Volume and basal area errors are similar to those obtained by other authors (using specific LiDAR flights and field plots) for the same species. Errors in the estimation of stem number are larger than literature values as a consequence of the great influence that variable-radius plots, as used in SNFI, have on this variable. In chapters 4 and 5 wall to wall plot-level methodologies to estimate aboveground biomass and carbon density in tropical forest are evaluated. The study area is located in the Poas Volcano National Park (Costa Rica) and two different situations are analyzed: i) available complete LiDAR coverage (chapter 4) and ii) a complete LiDAR coverage is not available and wall to wall estimation is carried out combining LiDAR, Landsat and ancillary data (chapter 5). In chapter 4, a general aboveground biomass plot-level LiDAR model for tropical forest (Asner & Mascaro, 2014) is validated and a specific model for the study area is fitted. Both LiDAR plot-level models are based on the top-of-canopy height (TCH) variable that is derived from the LiDAR digital canopy model. Results show that the pantropical plot-level LiDAR methodology is a reliable alternative to the development of specific models for tropical forests and thus, aboveground biomass in a new study area could be estimated by only measuring basal area (BA). Applying this methodology, the definition of precise BA field measurement procedures (e.g. location, size and shape of the field plots) is decisive to achieve reliable results in future studies. The relation between BA and TCH (Stocking Coefficient) obtained in our study area in Costa Rica varied locally. Therefore, more field work is needed for assessing Stocking Coefficient variations between different life zones and the influence of the stratification of the study areas in tropical forests on the reduction of uncertainty. In chapter 5, the combination of systematic LiDAR information sampling and full coverage Landsat imagery (and ancillary data) prove to be an effective alternative for forest inventories in tropical areas. This methodology allows estimating wall to wall vegetation height, biomass and carbon density in large areas where full LiDAR coverage and traditional field work are technically and/or economically unfeasible. Carbon density prediction using Landsat imaginery shows a slight decrease in the determination coefficient and an increase in RMSE when harshly decreasing LiDAR coverage area. Results indicate that feasible estimates of vegetation height, biomass and carbon density can be accomplished using low LiDAR coverage areas (between 5% and 20% of the total area) in tropical locations.

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.

Esquema de Referencia para Acoplamiento Débil entre Sistema Informático y Equipo de Producción

La meta de intercambiabilidad de piezas establecida en los sistemas de producción del siglo XIX, es ampliada en el último cuarto del siglo pasado para lograr la capacidad de fabricación de varios tipos de producto en un mismo sistema de manufactura, requerimiento impulsado por la incertidumbre del mercado. Esta incertidumbre conduce a plantear la flexibilidad como característica importante en el sistema de producción. La presente tesis se ubica en el problema de integración del sistema informático (SI) con el equipo de producción (EP) en la búsqueda de una solución que coadyuve a satisfacer los requerimientos de flexibilidad impuestas por las condiciones actuales de mercado. Se describen antecedentes de los sistemas de producción actuales y del concepto de flexibilidad. Se propone una clasificación compacta y práctica de los tipos de flexibilidad relevantes en el problema de integración SI-EP, con la finalidad de ubicar el significado de flexibilidad en el área de interés. Así mismo, las variables a manejar en la solución son clasificadas en cuatro tipos: Medio físico, lenguajes de programación y controlador, naturaleza del equipo y componentes de acoplamiento. Por otra parte, la característica de reusabilidad como un efecto importante y deseable de un sistema flexible, es planteada como meta en la solución propuesta no solo a nivel aplicación del sistema sino también a nivel de reuso de conceptos de diseño. Se propone un esquema de referencia en tres niveles de abstracción, que permita manejar y reutilizar en forma organizada el conocimiento del dominio de aplicación (integración SI-EP), el desarrollo de sistemas de aplicación genérica así como también la aplicación del mismo en un caso particular. Un análisis del concepto de acoplamiento débil (AD) es utilizado como base en la solución propuesta al problema de integración SI-EP. El desarrollo inicia identificando condiciones para la existencia del acoplamiento débil, compensadores para soportar la operación del sistema bajo AD y los efectos que ocasionan en el sistema informático los cambios en el conjunto de equipos de producción. Así mismo, se introducen como componentes principales del acoplamiento los componentes tecnológico, tarea y rol, a utilizar en el análisis de los requerimientos para el desarrollo de una solución de AD entre SI-EP. La estructura de tres niveles del esquema de referencia propuesto surge del análisis del significado de conceptos de referencia comúnmente reportados en la literatura, tales como arquitectura de referencia, modelo de referencia, marco de trabajo, entre otros. Se presenta un análisis de su significado como base para la definición de cada uno de los niveles de la estructura del esquema, pretendiendo con ello evitar la ambigüedad existente debido al uso indistinto de tales conceptos en la literatura revisada. Por otra parte, la relación entre niveles es definida tomando como base la estructura de cuatro capas planteada en el área de modelado de datos. La arquitectura de referencia, implementada en el primer nivel del esquema propuesto es utilizada como base para el desarrollo del modelo de referencia o marco de trabajo para el acoplamiento débil entre el SI y el EP. La solución propuesta es validada en la integración de un sistema informático de coordinación de flujo y procesamiento de pieza con un conjunto variable de equipos de diferentes tipos, naturaleza y fabricantes. En el ejercicio de validación se abordaron diferentes estándares y técnicas comúnmente empleadas como soporte al problema de integración a nivel componente tecnológico, tales como herramientas de cero configuración (ejemplo: plug and play), estándar OPC-UA, colas de mensajes y servicios web, permitiendo así ubicar el apoyo de estas técnicas en el ámbito del componente tecnológico y su relación con los otros componentes de acoplamiento: tarea y rol. ABSTRACT The interchangeability of parts, as a goal of manufacturing systems at the nineteenth century, is extended into the present to achieve the ability to manufacture various types of products in the same manufacturing system, requirement associated with market uncertainty. This uncertainty raises flexibility as an important feature in the production system. This thesis addresses the problem regarding integration of software system (SS) and the set of production equipment (PE); looking for a solution that contributes to satisfy the requirements of flexibility that the current market conditions impose on manufacturing, particularly to the production floor. Antecedents to actual production systems as well as the concept of flexibility are described and analyzed in detail. A practical and compact classification of flexibility types of relevance to the integration SS-EP problem is proposed with the aim to delimit the meaning of flexibility regarding the area of interest. Also, a classification for the variables involved in the integration problem is presented into four types: Physical media, programming and controller languages, equipment nature and coupling components. In addition, the characteristic of reusability that has been seen as an important and desirable effect of a flexible system is taken as a goal in the proposed solution, not only at system implementation level but also at system design level. In this direction, a reference scheme is proposed consisting of three abstraction levels to systematically support management and reuse of domain knowledge (SS-PE), development of a generic system as well as its application in a particular case. The concept of loose coupling is used as a basis in the development of the proposed solution to the problem of integration SS-EP. The first step of the development process consists of an analysis of the loose coupled concept, identifying conditions for its existence, compensators for system operation under loose coupling conditions as well as effects in the software system caused by modification in the set of production equipment. In addition coupling components: technological, task and role are introduced as main components to support the analysis of requirements regarding loose coupling of SS-PE. The three tier structure of the proposed reference scheme emerges from the analysis of reference concepts commonly reported in the literature, such as reference architecture, reference model and framework, among others. An analysis of these concepts is used as a basis for definition of the structure levels of the proposed scheme, trying to avoid the ambiguity due to the indiscriminate use of such concepts in the reviewed literature. In addition, the relation between adjacent levels of the structure is defined based on the four tiers structure commonly used in the data modelling area. The reference architecture is located as the first level in the structure of the proposed reference scheme and it is utilized as a basis for the development of the reference model or loose coupling framework for SS-PE integration. The proposed solution is validated by integrating a software system (process and piece flow coordination system) with a variable set of production equipment including different types, nature and manufacturers of equipment. Furthermore, in this validation exercise, different standards and techniques commonly used have been taken into account to support the issue of technology coupling component, such as tools for zero configuration (i.e. Plug and Play), message queues, OPC-UA standard, and web services. Through this part of the validation exercise, these integration tools are located as a part of the technological component and they are related to the role and task components of coupling.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Generalización de variables medioambientales mediante interpolación GIS

La investigación de esta tesis se centra en el estudio de técnicas geoestadísticas y su contribución a una mayor caracterización del binomio factores climáticos-rendimiento de un cultivo agrícola. El inexorable vínculo entre la variabilidad climática y la producción agrícola cobra especial relevancia en estudios sobre el cambio climático o en la modelización de cultivos para dar respuesta a escenarios futuros de producción mundial. Es información especialmente valiosa en sistemas operacionales de monitoreo y predicción de rendimientos de cultivos Los cuales son actualmente uno de los pilares operacionales en los que se sustenta la agricultura y seguridad alimentaria mundial; ya que su objetivo final es el de proporcionar información imparcial y fiable para la regularización de mercados. Es en este contexto, donde se quiso dar un enfoque alternativo a estudios, que con distintos planteamientos, analizan la relación inter-anual clima vs producción. Así, se sustituyó la dimensión tiempo por la espacio, re-orientando el análisis estadístico de correlación interanual entre rendimiento y factores climáticos, por el estudio de la correlación inter-regional entre ambas variables. Se utilizó para ello una técnica estadística relativamente nueva y no muy aplicada en investigaciones similares, llamada regresión ponderada geográficamente (GWR, siglas en inglés de “Geographically weighted regression”). Se obtuvieron superficies continuas de las variables climáticas acumuladas en determinados periodos fenológicos, que fueron seleccionados por ser factores clave en el desarrollo vegetativo de un cultivo. Por ello, la primera parte de la tesis, consistió en un análisis exploratorio sobre comparación de Métodos de Interpolación Espacial (MIE). Partiendo de la hipótesis de que existe la variabilidad espacial de la relación entre factores climáticos y rendimiento, el objetivo principal de esta tesis, fue el de establecer en qué medida los MIE y otros métodos geoestadísticos de regresión local, pueden ayudar por un lado, a alcanzar un mayor entendimiento del binomio clima-rendimiento del trigo blando (Triticum aestivum L.) al incorporar en dicha relación el componente espacial; y por otro, a caracterizar la variación de los principales factores climáticos limitantes en el crecimiento del trigo blando, acumulados éstos en cuatro periodos fenológicos. Para lleva a cabo esto, una gran carga operacional en la investigación de la tesis consistió en homogeneizar y hacer los datos fenológicos, climáticos y estadísticas agrícolas comparables tanto a escala espacial como a escala temporal. Para España y los Bálticos se recolectaron y calcularon datos diarios de precipitación, temperatura máxima y mínima, evapotranspiración y radiación solar en las estaciones meteorológicas disponibles. Se dispuso de una serie temporal que coincidía con los mismos años recolectados en las estadísticas agrícolas, es decir, 14 años contados desde 2000 a 2013 (hasta 2011 en los Bálticos). Se superpuso la malla de información fenológica de cuadrícula 25 km con la ubicación de las estaciones meteorológicas con el fin de conocer los valores fenológicos en cada una de las estaciones disponibles. Hecho esto, para cada año de la serie temporal disponible se calcularon los valores climáticos diarios acumulados en cada uno de los cuatro periodos fenológicos seleccionados P1 (ciclo completo), P2 (emergencia-madurez), P3 (floración) y P4 (floraciónmadurez). Se calculó la superficie interpolada por el conjunto de métodos seleccionados en la comparación: técnicas deterministas convencionales, kriging ordinario y cokriging ordinario ponderado por la altitud. Seleccionados los métodos más eficaces, se calculó a nivel de provincias las variables climatológicas interpoladas. Y se realizaron las regresiones locales GWR para cuantificar, explorar y modelar las relaciones espaciales entre el rendimiento del trigo y las variables climáticas acumuladas en los cuatro periodos fenológicos. Al comparar la eficiencia de los MIE no destaca una técnica por encima del resto como la que proporcione el menor error en su predicción. Ahora bien, considerando los tres indicadores de calidad de los MIE estudiados se han identificado los métodos más efectivos. En el caso de la precipitación, es la técnica geoestadística cokriging la más idónea en la mayoría de los casos. De manera unánime, la interpolación determinista en función radial (spline regularizado) fue la técnica que mejor describía la superficie de precipitación acumulada en los cuatro periodos fenológicos. Los resultados son más heterogéneos para la evapotranspiración y radiación. Los métodos idóneos para estas se reparten entre el Inverse Distance Weighting (IDW), IDW ponderado por la altitud y el Ordinary Kriging (OK). También, se identificó que para la mayoría de los casos en que el error del Ordinary CoKriging (COK) era mayor que el del OK su eficacia es comparable a la del OK en términos de error y el requerimiento computacional de este último es mucho menor. Se pudo confirmar que existe la variabilidad espacial inter-regional entre factores climáticos y el rendimiento del trigo blando tanto en España como en los Bálticos. La herramienta estadística GWR fue capaz de reproducir esta variabilidad con un rendimiento lo suficientemente significativo como para considerarla una herramienta válida en futuros estudios. No obstante, se identificaron ciertas limitaciones en la misma respecto a la información que devuelve el programa a nivel local y que no permite desgranar todo el detalle sobre la ejecución del mismo. Los indicadores y periodos fenológicos que mejor pudieron reproducir la variabilidad espacial del rendimiento en España y Bálticos, arrojaron aún, una mayor credibilidad a los resultados obtenidos y a la eficacia del GWR, ya que estaban en línea con el conocimiento agronómico sobre el cultivo del trigo blando en sistemas agrícolas mediterráneos y norteuropeos. Así, en España, el indicador más robusto fue el balance climático hídrico Climatic Water Balance) acumulado éste, durante el periodo de crecimiento (entre la emergencia y madurez). Aunque se identificó la etapa clave de la floración como el periodo en el que las variables climáticas acumuladas proporcionaban un mayor poder explicativo del modelo GWR. Sin embargo, en los Bálticos, países donde el principal factor limitante en su agricultura es el bajo número de días de crecimiento efectivo, el indicador más efectivo fue la radiación acumulada a lo largo de todo el ciclo de crecimiento (entre la emergencia y madurez). Para el trigo en regadío no existe ninguna combinación que pueda explicar más allá del 30% de la variación del rendimiento en España. Poder demostrar que existe un comportamiento heterogéneo en la relación inter-regional entre el rendimiento y principales variables climáticas, podría contribuir a uno de los mayores desafíos a los que se enfrentan, a día de hoy, los sistemas operacionales de monitoreo y predicción de rendimientos de cultivos, y éste es el de poder reducir la escala espacial de predicción, de un nivel nacional a otro regional. ABSTRACT This thesis explores geostatistical techniques and their contribution to a better characterization of the relationship between climate factors and agricultural crop yields. The crucial link between climate variability and crop production plays a key role in climate change research as well as in crops modelling towards the future global production scenarios. This information is particularly important for monitoring and forecasting operational crop systems. These geostatistical techniques are currently one of the most fundamental operational systems on which global agriculture and food security rely on; with the final aim of providing neutral and reliable information for food market controls, thus avoiding financial speculation of nourishments of primary necessity. Within this context the present thesis aims to provide an alternative approach to the existing body of research examining the relationship between inter-annual climate and production. Therefore, the temporal dimension was replaced for the spatial dimension, re-orienting the statistical analysis of the inter-annual relationship between crops yields and climate factors to an inter-regional correlation between these two variables. Geographically weighted regression, which is a relatively new statistical technique and which has rarely been used in previous research on this topic was used in the current study. Continuous surface values of the climate accumulated variables in specific phenological periods were obtained. These specific periods were selected because they are key factors in the development of vegetative crop. Therefore, the first part of this thesis presents an exploratory analysis regarding the comparability of spatial interpolation methods (SIM) among diverse SIMs and alternative geostatistical methodologies. Given the premise that spatial variability of the relationship between climate factors and crop production exists, the primary aim of this thesis was to examine the extent to which the SIM and other geostatistical methods of local regression (which are integrated tools of the GIS software) are useful in relating crop production and climate variables. The usefulness of these methods was examined in two ways; on one hand the way this information could help to achieve higher production of the white wheat binomial (Triticum aestivum L.) by incorporating the spatial component in the examination of the above-mentioned relationship. On the other hand, the way it helps with the characterization of the key limiting climate factors of soft wheat growth which were analysed in four phenological periods. To achieve this aim, an important operational workload of this thesis consisted in the homogenization and obtention of comparable phenological and climate data, as well as agricultural statistics, which made heavy operational demands. For Spain and the Baltic countries, data on precipitation, maximum and minimum temperature, evapotranspiration and solar radiation from the available meteorological stations were gathered and calculated. A temporal serial approach was taken. These temporal series aligned with the years that agriculture statistics had previously gathered, these being 14 years from 2000 to 2013 (until 2011 for the Baltic countries). This temporal series was mapped with a phenological 25 km grid that had the location of the meteorological stations with the objective of obtaining the phenological values in each of the available stations. Following this procedure, the daily accumulated climate values for each of the four selected phenological periods were calculated; namely P1 (complete cycle), P2 (emergency-maturity), P3 (flowering) and P4 (flowering- maturity). The interpolated surface was then calculated using the set of selected methodologies for the comparison: deterministic conventional techniques, ordinary kriging and ordinary cokriging weighted by height. Once the most effective methods had been selected, the level of the interpolated climate variables was calculated. Local GWR regressions were calculated to quantify, examine and model the spatial relationships between soft wheat production and the accumulated variables in each of the four selected phenological periods. Results from the comparison among the SIMs revealed that no particular technique seems more favourable in terms of accuracy of prediction. However, when the three quality indicators of the compared SIMs are considered, some methodologies appeared to be more efficient than others. Regarding precipitation results, cokriging was the most accurate geostatistical technique for the majority of the cases. Deterministic interpolation in its radial function (controlled spline) was the most accurate technique for describing the accumulated precipitation surface in all phenological periods. However, results are more heterogeneous for the evapotranspiration and radiation methodologies. The most appropriate technique for these forecasts are the Inverse Distance Weighting (IDW), weighted IDW by height and the Ordinary Kriging (OK). Furthermore, it was found that for the majority of the cases where the Ordinary CoKriging (COK) error was larger than that of the OK, its efficacy was comparable to that of the OK in terms of error while the computational demands of the latter was much lower. The existing spatial inter-regional variability between climate factors and soft wheat production was confirmed for both Spain and the Baltic countries. The GWR statistic tool reproduced this variability with an outcome significative enough as to be considered a valid tool for future studies. Nevertheless, this tool also had some limitations with regards to the information delivered by the programme because it did not allow for a detailed break-down of its procedure. The indicators and phenological periods that best reproduced the spatial variability of yields in Spain and the Baltic countries made the results and the efficiency of the GWR statistical tool even more reliable, despite the fact that these were already aligned with the agricultural knowledge about soft wheat crop under mediterranean and northeuropean agricultural systems. Thus, for Spain, the most robust indicator was the Climatic Water Balance outcome accumulated throughout the growing period (between emergency and maturity). Although the flowering period was the phase that best explained the accumulated climate variables in the GWR model. For the Baltic countries where the main limiting agricultural factor is the number of days of effective growth, the most effective indicator was the accumulated radiation throughout the entire growing cycle (between emergency and maturity). For the irrigated soft wheat there was no combination capable of explaining above the 30% of variation of the production in Spain. The fact that the pattern of the inter-regional relationship between the crop production and key climate variables is heterogeneous within a country could contribute to one is one of the greatest challenges that the monitoring and forecasting operational systems for crop production face nowadays. The present findings suggest that the solution may lay in downscaling the spatial target scale from a national to a regional level.

Contribution to the analysis and design of reflectarray antennas for reconfigurable beam applications at frequencies above 100 GHz using liquid crystal technology

El trabajo contenido en esta tesis doctoral está encuadrado en el desarrollo de antenas reconfigurables electrónicamente capaces de proporcionar prestaciones competitivas a las aplicaciones cada vez más comunes que operan a frecuencias superiores a 60 GHz. En concreto, esta tesis se centra en el estudio, diseño, e implementación de las antenas reflectarray, a las que se introduce la tecnología de cristal líquido como elemento característico con el que se consigue reconfigurabilidad de haz de forma electrónica. Desde un punto de vista muy general, se puede describir un cristal líquido como un material cuya permitividad eléctrica es variable y controlada por una excitación externa, que generalmente suele corresponderse con un campo eléctrico quasi-estático (AC). Las antenas reflectarray de cristal líquido se han escogido como objeto de estudio por varias razones. La primera de ellas tiene que ver con las ventajas que los reflectarrays, y en especial aquellos realizados en configuración planar, proporcionan con respecto a otras antenas de alta ganancia como los reflectores o los “phased-arrays”. En los reflectarrays, la alimentación a través de una fuente primaria común (característica de reflectores) y el elevado número de grados de libertad de las celdas que los componen (característica de arrays) hacen que estas antenas puedan proporcionar prestaciones eléctricas iguales o mejores que las anteriores, a un coste más reducido y con estructuras de antena más compactas. La segunda razón radica en la flexibilidad que ofrece el cristal líquido a ser confinado y polarizado en recintos de geometría variada, como consecuencia de su fluidez (propiedad de los líquidos). Por ello, la tecnología de cristal líquido permite que el propio elemento reconfigurable en las celdas de reflectarray se adapte a la configuración planar de manera que en sí mismo, el cristal líquido sea una o varias de las capas características de esta configuración. Esto simplifica de forma drástica la estructura y la fabricación de este tipo de antenas, incluso si se comparan con reflectarrays reconfigurables basados en otras tecnologías como diodos, MEMS, etc. Por tanto, su coste y desarrollo es muy reducido, lo que hace que se puedan fabricar reflectarrays reconfigurables eléctricamente grandes, a bajo coste, y en producción elevada. Un ejemplo claro de una estructura similar, y que ha tenido éxito comercial, son las pantallas de cristal líquido. La tercera razón reside en el hecho de que el cristal líquido es, hasta la fecha, de las pocas tecnologías capaces de ofrecer reconfigurabilidad del haz a frecuencias superiores a 60 GHz. De hecho, el cristal líquido permite reconfigurabilidad en un amplio margen de frecuencias, que va desde DC a frecuencias del espectro visible, incluyendo las microondas y los THz. Otras tecnologías, como los materiales ferroeléctricos, el grafeno o la tecnología CMOS “on chip” permiten también conmutar el haz en estas frecuencias. Sin embargo, la tecnología CMOS tiene un elevado coste y actualmente está limitada a frecuencias inferiores a 150 GHz, y aunque los materiales ferroeléctricos o el grafeno puedan conmutar a frecuencias más altas y en un rango más amplio, tienen serias dificultades que los hacen aún inmaduros. En el caso de los materiales ferroeléctricos, los elevados voltajes para conmutar el material los hacen poco atractivos, mientras que en el caso del grafeno, su modelado aún está en discusión, y todavía no se han arrojado resultados experimentales que validen su idoneidad. Estas tres razones hacen que los reflectarrays basados en cristal líquido sean atractivos para multitud de aplicaciones de haz reconfigurable a frecuencias superiores a 60 GHz. Aplicaciones como radar de escaneo de imágenes de alta resolución, espectroscopia molecular, radiómetros para observación atmosférica, o comunicaciones inalámbricas de alta frecuencia (WiGig) son algunas de ellas. La tesis está estructurada en tres partes. En la primera de ellas se describen las características más comunes de los cristales líquidos, centrándonos en detalle en aquellas propiedades ofrecidas por este material en fase nemática. En concreto, se estudiará la anisotropía dieléctrica (Ae) de los cristales líquidos uniaxiales, que son los que se emplean en esta tesis, definida como la diferencia entre la permitividad paralela (£//) y la perpendicular (e±): Ae = e,, - e±. También se estudiará la variación de este parámetro (Ae) con la frecuencia, y el modelado electromagnético macroscópico más general que, extraído a partir de aquella, permite describir el cristal líquido para cada tensión de polarización en celdas de geometría planar. Este modelo es de suma importancia para garantizar precisión en el desfasaje proporcionado por las diferentes celdas reconfigurables para reflectarrays que se describirán en la siguiente parte de la tesis. La segunda parte de la tesis se centra en el diseño de celdas reflectarray resonantes basadas en cristal líquido. La razón por la que se escogen estos tipos de celdas reside en el hecho de que son las únicas capaces de proporcionar rangos de fase elevados ante la reducida anisotropía dieléctrica que ofrecen los cristales líquidos. El objetivo de esta parte trata, por tanto, de obtener estructuras de celdas reflectarray que sean capaces de proporcionar buenas prestaciones eléctricas a nivel de antena, mejorando sustancialmente las prestaciones de las celdas reportadas en el estado del arte, así como de desarrollar una herramienta de diseño general para aquellas. Para ello, se estudian las prestaciones eléctricas de diferentes tipos de elementos resonantes de cristal líquido que van, desde el más sencillo, que ha limitado el estado de la técnica hasta el desarrollo de esta tesis y que está formado por un sólo resonador, a elementos que constan de varios resonadores (multi-resonantes) y que pueden ser monocapa o multicapa. En un primer paso, el procedimiento de diseño de estas estructuras hace uso de un modelo convencional de cristal líquido que ha venido siendo usado en el estado del arte para este tipo de celdas, y que considera el cristal líquido como un material homogéneo e isótropo cuya permitividad varía entre (e/7) y (e±). Sin embargo, en esta parte de la tesis se demuestra que dicho modelado no es suficiente para describir de forma genérica el comportamiento del cristal líquido en las celdas tipo reflectarray. En la tesis se proponen procedimientos más exactos para el análisis y diseño basados en un modelo más general que define el cristal líquido como un material anisótropo e inhomogeneo en tres dimensiones, y se ha implementado una técnica que permite optimizar celdas multi-resonantes de forma eficiente para conseguir elevadas prestaciones en cuanto a ancho de banda, rango de fase, pérdidas, o sensibilidad al ángulo de incidencia. Los errores cometidos en el uso del modelado convencional a nivel de celda (amplitud y fase) se han analizado para varias geometrías, usando medidas de varios prototipos de antena que usan un cristal líquido real a frecuencias superiores a 100 GHz. Las medidas se han realizado en entorno periódico mediante un banco cuasi-óptico, que ha sido diseñado especialmente para este fin. Uno de estos prototipos se ha optimizado a 100 GHz para conseguir un ancho de banda relativamente elevado (10%), pérdidas reducidas, un rango de fase mayor de 360º, baja sensibilidad al ángulo de incidencia, y baja influencia de la inhomogeneidad transversal del cristal líquido en la celda. Estas prestaciones a nivel de celda superan de forma clara aquellas conseguidas por otros elementos que se han reportado en la literatura, de manera que dicho prototipo se ha usado en la última parte de la tesis para realizar diversas antenas de barrido. Finalmente, en esta parte se presenta una estrategia de caracterización de la anisotropía macroscópica a partir de medidas de los elementos de reflectarray diseñados en banco cuasi-óptico, obteniendo resultados tanto en las frecuencias de interés en RF como en AC, y comparándolas con aquellas obtenidas mediante otros métodos. La tercera parte de la tesis consiste en el estudio, diseño, fabricación y medida de antenas reconfigurables basadas en cristal líquido en configuraciones complejas. En reflectarrays pasivos, el procedimiento de diseño de la antena se limita únicamente al ajuste en cada celda de la antena de las dimensiones de las metalizaciones que se emplean para el control de fase, mediante procesos de optimización bien conocidos. Sin embargo, en el caso de reflectarrays reconfigurables basados en cristal líquido, resulta necesario un paso adicional, que consiste en calcular de forma adecuada las tensiones de control en cada celda del reflectarray para configurar la fase requerida en cada una de ellas, así como diseñar la estructura y los circuitos de control que permitan direccionar a cada elemento su tensión correspondiente. La síntesis de tensiones es por tanto igual o más importante que el diseño de la geometría de las celdas, puesto que éstas son las que están directamente relacionadas con la fase. En el estado del arte, existen varias estrategias de síntesis de tensiones que se basan en la caracterización experimental de la curva de fase respecto al voltaje. Sin embargo, esta caracterización sólo puede hacerse a un solo ángulo de incidencia y para unas determinadas dimensiones de celda, lo que produce que las tensiones sintetizadas sean diferentes de las adecuadas, y en definitiva que se alcancen errores de fase mayores de 70º. De esta forma, hasta la fecha, las prestaciones a nivel de antena que se han conseguido son reducidas en cuanto a ancho de banda, rango de escaneo o nivel de lóbulos secundarios. En esta última parte de la tesis, se introduce una nueva estrategia de síntesis de tensiones que es capaz de predecir mediante simulaciones, y con alta precisión, las tensiones que deben introducirse en cada celda teniendo en cuenta su ángulo de incidencia, sus dimensiones, la frecuencia, así como la señal de polarización definida por su frecuencia y forma de onda AC. Esta estrategia se basa en modelar cada uno de los estados de permitividad del cristal líquido como un sustrato anisótropo con inhomogeneidad longitudinal (1D), o en ciertos casos, como un tensor equivalente homogéneo. La precisión de ambos modelos electromagnéticos también se discute. Con el objetivo de obtener una herramienta eficiente de cálculo de tensiones, también se ha escrito e implementado una herramienta de análisis basada en el Método de los Momentos en el Dominio Espectral (SD-MoM) para sustratos estratificados anisótropos, que se usa en cada iteración del procedimiento de síntesis para analizar cada una de las celdas de la antena. La síntesis de tensiones se ha diseñado además para reducir al máximo el efecto del rizado de amplitud en el diagrama de radiación, que es característico en los reflectarrays que están formados por celdas con pérdidas elevadas, lo que en sí, supone un avance adicional para la obtención de mejores prestaciones de antena. Para el cálculo de los diagramas de radiación empleados en el procedimiento de síntesis, se asume un análisis elemento a elemento considerando periodicidad local, y se propone el uso de un método capaz de modelar el campo incidente de forma que se elimine la limitación de la periodicidad local en la excitación. Una vez definida la estrategia adecuada de cálculo de las tensiones a aplicar al cristal líquido en cada celda, la estructura de direccionamiento de las mismas en la antena, y diseñados los circuitos de control, se diseñan, fabrican y miden dos prototipos diferentes de antena de barrido electrónico a 100 GHz usando las celdas anteriormente presentadas. El primero de estos prototipos es un reflectarray en configuración “single offset” con capacidad de escaneo en un plano (elevación o azimut). Aunque previamente se realizan diseños de antenas de barrido en 2D a varias frecuencias en el rango de milimétricas y sub-milimétricas, y se proponen ciertas estrategias de direccionamiento que permiten conseguir este objetivo, se desarrolla el prototipo con direccionamiento en una dimensión con el fin de reducir el número de controles y posibles errores de fabricación, y así también validar la herramienta de diseño. Para un tamaño medio de apertura (con un numero de filas y columnas entre 30 y 50 elementos, lo que significa un reflectarray con un número de elementos superior a 900), la configuración “single offset” proporciona rangos de escaneo elevados, y ganancias que pueden oscilar entre los 20 y 30 dBi. En concreto, el prototipo medido proporciona un haz de barrido en un rango angular de 55º, en el que el nivel de lóbulos secundarios (SLL) permanece mejor de -13 dB en un ancho de banda de un 8%. La ganancia máxima es de 19.4 dBi. Estas prestaciones superan de forma clara aquellas conseguidas por otros autores. El segundo prototipo se corresponde con una antena de doble reflector que usa el reflectarray de cristal líquido como sub-reflector para escanear el haz en un plano (elevación o azimut). El objetivo básico de esta geometría es obtener mayores ganancias que en el reflectarray “single offset” con una estructura más compacta, aunque a expensas de reducir el rango de barrido. En concreto, se obtiene una ganancia máxima de 35 dBi, y un rango de barrido de 12º. Los procedimientos de síntesis de tensiones y de diseño de las estructuras de las celdas forman, en su conjunto, una herramienta completa de diseño precisa y eficiente de antenas reflectarray reconfigurables basados en cristales líquidos. Dicha herramienta se ha validado mediante el diseño, la fabricación y la medida de los prototipos anteriormente citados a 100 GHz, que consiguen algo nunca alcanzado anteriormente en la investigación de este tipo de antenas: unas prestaciones competitivas y una predicción excelente de los resultados. El procedimiento es general, y por tanto se puede usar a cualquier frecuencia en la que el cristal líquido ofrezca anisotropía dieléctrica, incluidos los THz. Los prototipos desarrollados en esta tesis doctoral suponen también unas de las primeras antenas de barrido real a frecuencias superiores a 100 GHz. En concreto, la antena de doble reflector para escaneo de haz es la primera antena reconfigurable electrónicamente a frecuencias superiores a 60 GHz que superan los 25 dBi de ganancia, siendo a su vez la primera antena de doble reflector que contiene un reflectarray reconfigurable como sub-reflector. Finalmente, se proponen ciertas mejoras que aún deben se deben realizar para hacer que estas antenas puedan ser un producto completamente desarrollado y competitivo en el mercado. ABSTRACT The work presented in this thesis is focused on the development of electronically reconfigurable antennas that are able to provide competitive electrical performance to the increasingly common applications operating at frequencies above 60 GHz. Specifically, this thesis presents the study, design, and implementation of reflectarray antennas, which incorporate liquid crystal (LC) materials to scan or reconfigure the beam electronically. From a general point of view, a liquid crystal can be defined as a material whose dielectric permittivity is variable and can be controlled with an external excitation, which usually corresponds with a quasi-static electric field (AC). By changing the dielectric permittivity at each cell that makes up the reflectarray, the phase shift on the aperture is controlled, so that a prescribed radiation pattern can be configured. Liquid Crystal-based reflectarrays have been chosen for several reasons. The first has to do with the advantages provided by the reflectarray antenna with respect to other high gain antennas, such as reflectors or phased arrays. The RF feeding in reflectarrays is achieved by using a common primary source (as in reflectors). This arrangement and the large number of degrees of freedom provided by the cells that make up the reflectarray (as in arrays), allow these antennas to provide a similar or even better electrical performance than other low profile antennas (reflectors and arrays), but assuming a more reduced cost and compactness. The second reason is the flexibility of the liquid crystal to be confined in an arbitrary geometry due to its fluidity (property of liquids). Therefore, the liquid crystal is able to adapt to a planar geometry so that it is one or more of the typical layers of this configuration. This simplifies drastically both the structure and manufacture of this type of antenna, even when compared with reconfigurable reflectarrays based on other technologies, such as diodes MEMS, etc. Therefore, the cost of developing this type of antenna is very small, which means that electrically large reconfigurable reflectarrays could be manufactured assuming low cost and greater productions. A paradigmatic example of a similar structure is the liquid crystal panel, which has already been commercialized successfully. The third reason lies in the fact that, at present, the liquid crystal is one of the few technologies capable of providing switching capabilities at frequencies above 60 GHz. In fact, the liquid crystal allows its permittivity to be switched in a wide range of frequencies, which are from DC to the visible spectrum, including microwaves and THz. Other technologies, such as ferroelectric materials, graphene or CMOS "on chip" technology also allow the beam to be switched at these frequencies. However, CMOS technology is expensive and is currently limited to frequencies below 150 GHz, and although ferroelectric materials or graphene can switch at higher frequencies and in a wider range, they have serious difficulties that make them immature. Ferroelectric materials involve the use of very high voltages to switch the material, making them unattractive, whereas the electromagnetic modelling of the graphene is still under discussion, so that the experimental results of devices based on this latter technology have not been reported yet. These three reasons make LC-based reflectarrays attractive for many applications that involve the use of electronically reconfigurable beams at frequencies beyond 60 GHz. Applications such as high resolution imaging radars, molecular spectroscopy, radiometers for atmospheric observation, or high frequency wireless communications (WiGig) are just some of them. This thesis is divided into three parts. In the first part, the most common properties of the liquid crystal materials are described, especially those exhibited in the nematic phase. The study is focused on the dielectric anisotropy (Ac) of uniaxial liquid crystals, which is defined as the difference between the parallel (e/7) and perpendicular (e±) permittivities: Ae = e,, - e±. This parameter allows the permittivity of a LC confined in an arbitrary volume at a certain biasing voltage to be described by solving a variational problem that involves both the electrostatic and elastic energies. Thus, the frequency dependence of (Ae) is also described and characterised. Note that an appropriate LC modelling is quite important to ensure enough accuracy in the phase shift provided by each cell that makes up the reflectarray, and therefore to achieve a good electrical performance at the antenna level. The second part of the thesis is focused on the design of resonant reflectarray cells based on liquid crystal. The reason why resonant cells have been chosen lies in the fact that they are able to provide enough phase range using the values of the dielectric anisotropy of the liquid crystals, which are typically small. Thus, the aim of this part is to investigate several reflectarray cell architectures capable of providing good electrical performance at the antenna level, which significantly improve the electrical performance of the cells reported in the literature. Similarly, another of the objectives is to develop a general tool to design these cells. To fulfill these objectives, the electrical yields of different types of resonant reflectarray elements are investigated, beginning from the simplest, which is made up of a single resonator and limits the state of the art. To overcome the electrical limitations of the single resonant cell, several elements consisting of multiple resonators are considered, which can be single-layer or multilayer. In a first step, the design procedure of these structures makes use of a conventional electromagnetic model which has been used in the literature, which considers that the liquid crystal behaves as homogeneous and isotropic materials whose permittivity varies between (e/7) y (e±). However, in this part of the thesis it is shown that the conventional modelling is not enough to describe the physical behaviour of the liquid crystal in reflectarray cells accurately. Therefore, a more accurate analysis and design procedure based on a more general model is proposed and developed, which defines the liquid crystal as an anisotropic three-dimensional inhomogeneous material. The design procedure is able to optimize multi-resonant cells efficiently to achieve good electrical performance in terms of bandwidth, phase range, losses, or sensitivity to the angle of incidence. The errors made when the conventional modelling (amplitude and phase) is considered have been also analysed for various cell geometries, by using measured results from several antenna prototypes made up of real liquid crystals at frequencies above 100 GHz. The measurements have been performed in a periodic environment using a quasi-optical bench, which has been designed especially for this purpose. One of these prototypes has been optimized to achieve a relatively large bandwidth (10%) at 100 GHz, low losses, a phase range of more than 360º, a low sensitivity to angle of incidence, and a low influence of the transversal inhomogeneity of the liquid crystal in the cell. The electrical yields of this prototype at the cell level improve those achieved by other elements reported in the literature, so that this prototype has been used in the last part of the thesis to perform several complete antennas for beam scanning applications. Finally, in this second part of the thesis, a novel strategy to characterise the macroscopic anisotropy using reflectarray cells is presented. The results in both RF and AC frequencies are compared with those obtained by other methods. The third part of the thesis consists on the study, design, manufacture and testing of LCbased reflectarray antennas in complex configurations. Note that the design procedure of a passive reflectarray antenna just consists on finding out the dimensions of the metallisations of each cell (which are used for phase control), using well-known optimization processes. However, in the case of reconfigurable reflectarrays based on liquid crystals, an additional step must be taken into account, which consists of accurately calculating the control voltages to be applied to each cell to configure the required phase-shift distribution on the surface of the antenna. Similarly, the structure to address the voltages at each cell and the control circuitry must be also considered. Therefore, the voltage synthesis is even more important than the design of the cell geometries (dimensions), since the voltages are directly related to the phase-shift. Several voltage synthesis procedures have been proposed in the state of the art, which are based on the experimental characterization of the phase/voltage curve. However, this characterization can be only carried out at a single angle of incidence and at certain cell dimensions, so that the synthesized voltages are different from those needed, thus giving rise to phase errors of more than 70°. Thus, the electrical yields of the LCreflectarrays reported in the literature are limited in terms of bandwidth, scanning range or side lobes level. In this last part of the thesis, a new voltage synthesis procedure has been defined and developed, which allows the required voltage to be calculated at each cell using simulations that take into account the particular dimensions of the cells, their angles of incidence, the frequency, and the AC biasing signal (frequency and waveform). The strategy is based on the modelling of each one of the permittivity states of the liquid crystal as an anisotropic substrate with longitudinal inhomogeneity (1D), or in certain cases, as an equivalent homogeneous tensor. The accuracy of both electromagnetic models is also discussed. The phase errors made by using the proposed voltage synthesis are better than 7º. In order to obtain an efficient tool to analyse and design the reflectarray, an electromagnetic analysis tool based on the Method of Moments in the spectral domain (SD-MoM) has also written and developed for anisotropic stratified media, which is used at each iteration of the voltage synthesis procedure. The voltage synthesis is also designed to minimize the effect of amplitude ripple on the radiation pattern, which is typical of reflectarrays made up of cells exhibiting high losses and represents a further advance in achieving a better antenna performance. To calculate the radiation patterns used in the synthesis procedure, an element-by-element analysis is assumed, which considers the local periodicity approach. Under this consideration, the use of a novel method is proposed, which avoids the limitation that the local periodicity imposes on the excitation. Once the appropriate strategy to calculate the voltages to be applied at each cell is developed, and once it is designed and manufactured both the structure to address the voltages to the antenna and the control circuits, two complete LC-based reflectarray antennas that operate at 100 GHz have been designed, manufactured and tested using the previously presented cells. The first prototype consists of a single offset reflectarray with beam scanning capabilities on one plane (elevation and azimuth). Although several LC-reflectarray antennas that provide 2-D scanning capabilities are also designed, and certain strategies to achieve the 2-D addressing of the voltage are proposed, the manufactured prototype addresses the voltages in one dimension in order to reduce the number of controls and manufacturing errors, and thereby validating the design tool. For an average aperture size (with a number of rows and columns of between 30 and 50 elements, which means a reflectarray with more than 900 cells), the single offset configuration provides an antenna gain of between 20 and 30 dBi and a large scanning range. The prototype tested at 100 GHz exhibits an electronically scanned beam in an angular range of 55º and 8% of bandwidth, in which the side lobe level (SLL) remains better than -13 dB. The maximum gain is 19.4 dBi. The electrical performance of the antenna is clearly an improvement on those achieved by other authors in the state of the art. The second prototype corresponds to a dual reflector antenna with a liquid crystal-based reflectarray used as a sub-reflector for beam scanning in one plane (azimuth or elevation). The main objective is to obtain a higher gain than that provided by the single offset configuration, but using a more compact architecture. In this case, a maximum gain of 35 dBi is achieved, although at the expense of reducing the scanning range to 12°, which is inherent in this type of structure. As a general statement, the voltage synthesis and the design procedure of the cells, jointly make up a complete, accurate and efficient design tool of reconfigurable reflectarray antennas based on liquid crystals. The tool has been validated by testing the previously mentioned prototypes at 100 GHz, which achieve something never reached before for this type of antenna: a competitive electrical performance, and an excellent prediction of the results. The design procedure is general and therefore can be used at any frequency for which the liquid crystal exhibits dielectric anisotropy. The two prototypes designed, manufactured and tested in this thesis are also some of the first antennas that currently operate at frequencies above 100 GHz. In fact, the dual reflector antenna is the first electronically scanned dual reflector antenna at frequencies above 60 GHz (the operation frequency is 100 GHz) with a gain greater than 25 dBi, being in turn the first dual-reflector antenna with a real reconfigurable sub-reflectarray. Finally, some improvements that should be still investigated to make these antennas commercially competitive are proposed.

Ontology Evaluation: a pitfall-based approach to ontology diagnosis

La evaluación de ontologías, incluyendo diagnóstico y reparación de las mismas, es una compleja actividad que debe llevarse a cabo en cualquier proyecto de desarrollo ontológico para comprobar la calidad técnica de las ontologías. Sin embargo, existe una gran brecha entre los enfoques metodológicos sobre la evaluación de ontologías y las herramientas que le dan soporte. En particular, no existen enfoques que proporcionen guías concretas sobre cómo diagnosticar y, en consecuencia, reparar ontologías. Esta tesis pretende avanzar en el área de la evaluación de ontologías, concretamente en la actividad de diagnóstico. Los principales objetivos de esta tesis son (a) ayudar a los desarrolladores en el diagnóstico de ontologías para encontrar errores comunes y (b) facilitar dicho diagnóstico reduciendo el esfuerzo empleado proporcionando el soporte tecnológico adecuado. Esta tesis presenta las siguientes contribuciones: • Catálogo de 41 errores comunes que los ingenieros ontológicos pueden cometer durante el desarrollo de ontologías. • Modelo de calidad para el diagnóstico de ontologías alineando el catálogo de errores comunes con modelos de calidad existentes. • Diseño e implementación de 48 métodos para detectar 33 de los 41 errores comunes en el catálogo. • Soporte tecnológico OOPS!, que permite el diagnstico de ontologías de forma (semi)automática. De acuerdo con los comentarios recibidos y los resultados de los test de satisfacción realizados, se puede afirmar que el enfoque desarrollado y presentado en esta tesis ayuda de forma efectiva a los usuarios a mejorar la calidad de sus ontologías. OOPS! ha sido ampliamente aceptado por un gran número de usuarios de formal global y ha sido utilizado alrededor de 3000 veces desde 60 países diferentes. OOPS! se ha integrado en software desarrollado por terceros y ha sido instalado en empresas para ser utilizado tanto durante el desarrollo de ontologías como en actividades de formación. Abstract Ontology evaluation, which includes ontology diagnosis and repair, is a complex activity that should be carried out in every ontology development project, because it checks for the technical quality of the ontology. However, there is an important gap between the methodological work about ontology evaluation and the tools that support such an activity. More precisely, not many approaches provide clear guidance about how to diagnose ontologies and how to repair them accordingly. This thesis aims to advance the current state of the art of ontology evaluation, specifically in the ontology diagnosis activity. The main goals of this thesis are (a) to help ontology engineers to diagnose their ontologies in order to find common pitfalls and (b) to lessen the effort required from them by providing the suitable technological support. This thesis presents the following main contributions: • A catalogue that describes 41 pitfalls that ontology developers might include in their ontologies. • A quality model for ontology diagnose that aligns the pitfall catalogue to existing quality models for semantic technologies. • The design and implementation of 48 methods for detecting 33 out of the 41 pitfalls defined in the catalogue. • A system called OOPS! (OntOlogy Pitfall Scanner!) that allows ontology engineers to (semi)automatically diagnose their ontologies. According to the feedback gathered and satisfaction tests carried out, the approach developed and presented in this thesis effectively helps users to increase the quality of their ontologies. At the time of writing this thesis, OOPS! has been broadly accepted by a high number of users worldwide and has been used around 3000 times from 60 different countries. OOPS! is integrated with third-party software and is locally installed in private enterprises being used both for ontology development activities and training courses.