Run-Time Scalable Hardware for Reconfigurable Systems

La optimización de parámetros tales como el consumo de potencia, la cantidad de recursos lógicos empleados o la ocupación de memoria ha sido siempre una de las preocupaciones principales a la hora de diseñar sistemas embebidos. Esto es debido a que se trata de sistemas dotados de una cantidad de recursos limitados, y que han sido tradicionalmente empleados para un propósito específico, que permanece invariable a lo largo de toda la vida útil del sistema. Sin embargo, el uso de sistemas embebidos se ha extendido a áreas de aplicación fuera de su ámbito tradicional, caracterizadas por una mayor demanda computacional. Así, por ejemplo, algunos de estos sistemas deben llevar a cabo un intenso procesado de señales multimedia o la transmisión de datos mediante sistemas de comunicaciones de alta capacidad. Por otra parte, las condiciones de operación del sistema pueden variar en tiempo real. Esto sucede, por ejemplo, si su funcionamiento depende de datos medidos por el propio sistema o recibidos a través de la red, de las demandas del usuario en cada momento, o de condiciones internas del propio dispositivo, tales como la duración de la batería. Como consecuencia de la existencia de requisitos de operación dinámicos es necesario ir hacia una gestión dinámica de los recursos del sistema. Si bien el software es inherentemente flexible, no ofrece una potencia computacional tan alta como el hardware. Por lo tanto, el hardware reconfigurable aparece como una solución adecuada para tratar con mayor flexibilidad los requisitos variables dinámicamente en sistemas con alta demanda computacional. La flexibilidad y adaptabilidad del hardware requieren de dispositivos reconfigurables que permitan la modificación de su funcionalidad bajo demanda. En esta tesis se han seleccionado las FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) como los dispositivos más apropiados, hoy en día, para implementar sistemas basados en hardware reconfigurable De entre todas las posibilidades existentes para explotar la capacidad de reconfiguración de las FPGAs comerciales, se ha seleccionado la reconfiguración dinámica y parcial. Esta técnica consiste en substituir una parte de la lógica del dispositivo, mientras el resto continúa en funcionamiento. La capacidad de reconfiguración dinámica y parcial de las FPGAs es empleada en esta tesis para tratar con los requisitos de flexibilidad y de capacidad computacional que demandan los dispositivos embebidos. La propuesta principal de esta tesis doctoral es el uso de arquitecturas de procesamiento escalables espacialmente, que son capaces de adaptar su funcionalidad y rendimiento en tiempo real, estableciendo un compromiso entre dichos parámetros y la cantidad de lógica que ocupan en el dispositivo. A esto nos referimos con arquitecturas con huellas escalables. En particular, se propone el uso de arquitecturas altamente paralelas, modulares, regulares y con una alta localidad en sus comunicaciones, para este propósito. El tamaño de dichas arquitecturas puede ser modificado mediante la adición o eliminación de algunos de los módulos que las componen, tanto en una dimensión como en dos. Esta estrategia permite implementar soluciones escalables, sin tener que contar con una versión de las mismas para cada uno de los tamaños posibles de la arquitectura. De esta manera se reduce significativamente el tiempo necesario para modificar su tamaño, así como la cantidad de memoria necesaria para almacenar todos los archivos de configuración. En lugar de proponer arquitecturas para aplicaciones específicas, se ha optado por patrones de procesamiento genéricos, que pueden ser ajustados para solucionar distintos problemas en el estado del arte. A este respecto, se proponen patrones basados en esquemas sistólicos, así como de tipo wavefront. Con el objeto de poder ofrecer una solución integral, se han tratado otros aspectos relacionados con el diseño y el funcionamiento de las arquitecturas, tales como el control del proceso de reconfiguración de la FPGA, la integración de las arquitecturas en el resto del sistema, así como las técnicas necesarias para su implementación. Por lo que respecta a la implementación, se han tratado distintos aspectos de bajo nivel dependientes del dispositivo. Algunas de las propuestas realizadas a este respecto en la presente tesis doctoral son un router que es capaz de garantizar el correcto rutado de los módulos reconfigurables dentro del área destinada para ellos, así como una estrategia para la comunicación entre módulos que no introduce ningún retardo ni necesita emplear recursos configurables del dispositivo. El flujo de diseño propuesto se ha automatizado mediante una herramienta denominada DREAMS. La herramienta se encarga de la modificación de las netlists correspondientes a cada uno de los módulos reconfigurables del sistema, y que han sido generadas previamente mediante herramientas comerciales. Por lo tanto, el flujo propuesto se entiende como una etapa de post-procesamiento, que adapta esas netlists a los requisitos de la reconfiguración dinámica y parcial. Dicha modificación la lleva a cabo la herramienta de una forma completamente automática, por lo que la productividad del proceso de diseño aumenta de forma evidente. Para facilitar dicho proceso, se ha dotado a la herramienta de una interfaz gráfica. El flujo de diseño propuesto, y la herramienta que lo soporta, tienen características específicas para abordar el diseño de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. Entre ellas está el soporte para el realojamiento de módulos reconfigurables en posiciones del dispositivo distintas a donde el módulo es originalmente implementado, así como la generación de estructuras de comunicación compatibles con la simetría de la arquitectura. El router has sido empleado también en esta tesis para obtener un rutado simétrico entre nets equivalentes. Dicha posibilidad ha sido explotada para aumentar la protección de circuitos con altos requisitos de seguridad, frente a ataques de canal lateral, mediante la implantación de lógica complementaria con rutado idéntico. Para controlar el proceso de reconfiguración de la FPGA, se propone en esta tesis un motor de reconfiguración especialmente adaptado a los requisitos de las arquitecturas dinámicamente escalables. Además de controlar el puerto de reconfiguración, el motor de reconfiguración ha sido dotado de la capacidad de realojar módulos reconfigurables en posiciones arbitrarias del dispositivo, en tiempo real. De esta forma, basta con generar un único bitstream por cada módulo reconfigurable del sistema, independientemente de la posición donde va a ser finalmente reconfigurado. La estrategia seguida para implementar el proceso de realojamiento de módulos es diferente de las propuestas existentes en el estado del arte, pues consiste en la composición de los archivos de configuración en tiempo real. De esta forma se consigue aumentar la velocidad del proceso, mientras que se reduce la longitud de los archivos de configuración parciales a almacenar en el sistema. El motor de reconfiguración soporta módulos reconfigurables con una altura menor que la altura de una región de reloj del dispositivo. Internamente, el motor se encarga de la combinación de los frames que describen el nuevo módulo, con la configuración existente en el dispositivo previamente. El escalado de las arquitecturas de procesamiento propuestas en esta tesis también se puede beneficiar de este mecanismo. Se ha incorporado también un acceso directo a una memoria externa donde se pueden almacenar bitstreams parciales. Para acelerar el proceso de reconfiguración se ha hecho funcionar el ICAP por encima de la máxima frecuencia de reloj aconsejada por el fabricante. Así, en el caso de Virtex-5, aunque la máxima frecuencia del reloj deberían ser 100 MHz, se ha conseguido hacer funcionar el puerto de reconfiguración a frecuencias de operación de hasta 250 MHz, incluyendo el proceso de realojamiento en tiempo real. Se ha previsto la posibilidad de portar el motor de reconfiguración a futuras familias de FPGAs. Por otro lado, el motor de reconfiguración se puede emplear para inyectar fallos en el propio dispositivo hardware, y así ser capaces de evaluar la tolerancia ante los mismos que ofrecen las arquitecturas reconfigurables. Los fallos son emulados mediante la generación de archivos de configuración a los que intencionadamente se les ha introducido un error, de forma que se modifica su funcionalidad. Con el objetivo de comprobar la validez y los beneficios de las arquitecturas propuestas en esta tesis, se han seguido dos líneas principales de aplicación. En primer lugar, se propone su uso como parte de una plataforma adaptativa basada en hardware evolutivo, con capacidad de escalabilidad, adaptabilidad y recuperación ante fallos. En segundo lugar, se ha desarrollado un deblocking filter escalable, adaptado a la codificación de vídeo escalable, como ejemplo de aplicación de las arquitecturas de tipo wavefront propuestas. El hardware evolutivo consiste en el uso de algoritmos evolutivos para diseñar hardware de forma autónoma, explotando la flexibilidad que ofrecen los dispositivos reconfigurables. En este caso, los elementos de procesamiento que componen la arquitectura son seleccionados de una biblioteca de elementos presintetizados, de acuerdo con las decisiones tomadas por el algoritmo evolutivo, en lugar de definir la configuración de las mismas en tiempo de diseño. De esta manera, la configuración del core puede cambiar cuando lo hacen las condiciones del entorno, en tiempo real, por lo que se consigue un control autónomo del proceso de reconfiguración dinámico. Así, el sistema es capaz de optimizar, de forma autónoma, su propia configuración. El hardware evolutivo tiene una capacidad inherente de auto-reparación. Se ha probado que las arquitecturas evolutivas propuestas en esta tesis son tolerantes ante fallos, tanto transitorios, como permanentes y acumulativos. La plataforma evolutiva se ha empleado para implementar filtros de eliminación de ruido. La escalabilidad también ha sido aprovechada en esta aplicación. Las arquitecturas evolutivas escalables permiten la adaptación autónoma de los cores de procesamiento ante fluctuaciones en la cantidad de recursos disponibles en el sistema. Por lo tanto, constituyen un ejemplo de escalabilidad dinámica para conseguir un determinado nivel de calidad, que puede variar en tiempo real. Se han propuesto dos variantes de sistemas escalables evolutivos. El primero consiste en un único core de procesamiento evolutivo, mientras que el segundo está formado por un número variable de arrays de procesamiento. La codificación de vídeo escalable, a diferencia de los codecs no escalables, permite la decodificación de secuencias de vídeo con diferentes niveles de calidad, de resolución temporal o de resolución espacial, descartando la información no deseada. Existen distintos algoritmos que soportan esta característica. En particular, se va a emplear el estándar Scalable Video Coding (SVC), que ha sido propuesto como una extensión de H.264/AVC, ya que este último es ampliamente utilizado tanto en la industria, como a nivel de investigación. Para poder explotar toda la flexibilidad que ofrece el estándar, hay que permitir la adaptación de las características del decodificador en tiempo real. El uso de las arquitecturas dinámicamente escalables es propuesto en esta tesis con este objetivo. El deblocking filter es un algoritmo que tiene como objetivo la mejora de la percepción visual de la imagen reconstruida, mediante el suavizado de los "artefactos" de bloque generados en el lazo del codificador. Se trata de una de las tareas más intensivas en procesamiento de datos de H.264/AVC y de SVC, y además, su carga computacional es altamente dependiente del nivel de escalabilidad seleccionado en el decodificador. Por lo tanto, el deblocking filter ha sido seleccionado como prueba de concepto de la aplicación de las arquitecturas dinámicamente escalables para la compresión de video. La arquitectura propuesta permite añadir o eliminar unidades de computación, siguiendo un esquema de tipo wavefront. La arquitectura ha sido propuesta conjuntamente con un esquema de procesamiento en paralelo del deblocking filter a nivel de macrobloque, de tal forma que cuando se varía del tamaño de la arquitectura, el orden de filtrado de los macrobloques varia de la misma manera. El patrón propuesto se basa en la división del procesamiento de cada macrobloque en dos etapas independientes, que se corresponden con el filtrado horizontal y vertical de los bloques dentro del macrobloque. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: - El uso de arquitecturas altamente regulares, modulares, paralelas y con una intensa localidad en sus comunicaciones, para implementar cores de procesamiento dinámicamente reconfigurables. - El uso de arquitecturas bidimensionales, en forma de malla, para construir arquitecturas dinámicamente escalables, con una huella escalable. De esta forma, las arquitecturas permiten establecer un compromiso entre el área que ocupan en el dispositivo, y las prestaciones que ofrecen en cada momento. Se proponen plantillas de procesamiento genéricas, de tipo sistólico o wavefront, que pueden ser adaptadas a distintos problemas de procesamiento. - Un flujo de diseño y una herramienta que lo soporta, para el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente, centradas en el diseño de las arquitecturas altamente paralelas, modulares y regulares propuestas en esta tesis. - Un esquema de comunicaciones entre módulos reconfigurables que no introduce ningún retardo ni requiere el uso de recursos lógicos propios. - Un router flexible, capaz de resolver los conflictos de rutado asociados con el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente. - Un algoritmo de optimización para sistemas formados por múltiples cores escalables que optimice, mediante un algoritmo genético, los parámetros de dicho sistema. Se basa en un modelo conocido como el problema de la mochila. - Un motor de reconfiguración adaptado a los requisitos de las arquitecturas altamente regulares y modulares. Combina una alta velocidad de reconfiguración, con la capacidad de realojar módulos en tiempo real, incluyendo el soporte para la reconfiguración de regiones que ocupan menos que una región de reloj, así como la réplica de un módulo reconfigurable en múltiples posiciones del dispositivo. - Un mecanismo de inyección de fallos que, empleando el motor de reconfiguración del sistema, permite evaluar los efectos de fallos permanentes y transitorios en arquitecturas reconfigurables. - La demostración de las posibilidades de las arquitecturas propuestas en esta tesis para la implementación de sistemas de hardware evolutivos, con una alta capacidad de procesamiento de datos. - La implementación de sistemas de hardware evolutivo escalables, que son capaces de tratar con la fluctuación de la cantidad de recursos disponibles en el sistema, de una forma autónoma. - Una estrategia de procesamiento en paralelo para el deblocking filter compatible con los estándares H.264/AVC y SVC que reduce el número de ciclos de macrobloque necesarios para procesar un frame de video. - Una arquitectura dinámicamente escalable que permite la implementación de un nuevo deblocking filter, totalmente compatible con los estándares H.264/AVC y SVC, que explota el paralelismo a nivel de macrobloque. El presente documento se organiza en siete capítulos. En el primero se ofrece una introducción al marco tecnológico de esta tesis, especialmente centrado en la reconfiguración dinámica y parcial de FPGAs. También se motiva la necesidad de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. En el capítulo 2 se describen las arquitecturas dinámicamente escalables. Dicha descripción incluye la mayor parte de las aportaciones a nivel arquitectural realizadas en esta tesis. Por su parte, el flujo de diseño adaptado a dichas arquitecturas se propone en el capítulo 3. El motor de reconfiguración se propone en el 4, mientras que el uso de dichas arquitecturas para implementar sistemas de hardware evolutivo se aborda en el 5. El deblocking filter escalable se describe en el 6, mientras que las conclusiones finales de esta tesis, así como la descripción del trabajo futuro, son abordadas en el capítulo 7. ABSTRACT The optimization of system parameters, such as power dissipation, the amount of hardware resources and the memory footprint, has been always a main concern when dealing with the design of resource-constrained embedded systems. This situation is even more demanding nowadays. Embedded systems cannot anymore be considered only as specific-purpose computers, designed for a particular functionality that remains unchanged during their lifetime. Differently, embedded systems are now required to deal with more demanding and complex functions, such as multimedia data processing and high-throughput connectivity. In addition, system operation may depend on external data, the user requirements or internal variables of the system, such as the battery life-time. All these conditions may vary at run-time, leading to adaptive scenarios. As a consequence of both the growing computational complexity and the existence of dynamic requirements, dynamic resource management techniques for embedded systems are needed. Software is inherently flexible, but it cannot meet the computing power offered by hardware solutions. Therefore, reconfigurable hardware emerges as a suitable technology to deal with the run-time variable requirements of complex embedded systems. Adaptive hardware requires the use of reconfigurable devices, where its functionality can be modified on demand. In this thesis, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been selected as the most appropriate commercial technology existing nowadays to implement adaptive hardware systems. There are different ways of exploiting reconfigurability in reconfigurable devices. Among them is dynamic and partial reconfiguration. This is a technique which consists in substituting part of the FPGA logic on demand, while the rest of the device continues working. The strategy followed in this thesis is to exploit the dynamic and partial reconfiguration of commercial FPGAs to deal with the flexibility and complexity demands of state-of-the-art embedded systems. The proposal of this thesis to deal with run-time variable system conditions is the use of spatially scalable processing hardware IP cores, which are able to adapt their functionality or performance at run-time, trading them off with the amount of logic resources they occupy in the device. This is referred to as a scalable footprint in the context of this thesis. The distinguishing characteristic of the proposed cores is that they rely on highly parallel, modular and regular architectures, arranged in one or two dimensions. These architectures can be scaled by means of the addition or removal of the composing blocks. This strategy avoids implementing a full version of the core for each possible size, with the corresponding benefits in terms of scaling and adaptation time, as well as bitstream storage memory requirements. Instead of providing specific-purpose architectures, generic architectural templates, which can be tuned to solve different problems, are proposed in this thesis. Architectures following both systolic and wavefront templates have been selected. Together with the proposed scalable architectural templates, other issues needed to ensure the proper design and operation of the scalable cores, such as the device reconfiguration control, the run-time management of the architecture and the implementation techniques have been also addressed in this thesis. With regard to the implementation of dynamically reconfigurable architectures, device dependent low-level details are addressed. Some of the aspects covered in this thesis are the area constrained routing for reconfigurable modules, or an inter-module communication strategy which does not introduce either extra delay or logic overhead. The system implementation, from the hardware description to the device configuration bitstream, has been fully automated by modifying the netlists corresponding to each of the system modules, which are previously generated using the vendor tools. This modification is therefore envisaged as a post-processing step. Based on these implementation proposals, a design tool called DREAMS (Dynamically Reconfigurable Embedded and Modular Systems) has been created, including a graphic user interface. The tool has specific features to cope with modular and regular architectures, including the support for module relocation and the inter-module communications scheme based on the symmetry of the architecture. The core of the tool is a custom router, which has been also exploited in this thesis to obtain symmetric routed nets, with the aim of enhancing the protection of critical reconfigurable circuits against side channel attacks. This is achieved by duplicating the logic with an exactly equal routing. In order to control the reconfiguration process of the FPGA, a Reconfiguration Engine suited to the specific requirements set by the proposed architectures was also proposed. Therefore, in addition to controlling the reconfiguration port, the Reconfiguration Engine has been enhanced with the online relocation ability, which allows employing a unique configuration bitstream for all the positions where the module may be placed in the device. Differently to the existing relocating solutions, which are based on bitstream parsers, the proposed approach is based on the online composition of bitstreams. This strategy allows increasing the speed of the process, while the length of partial bitstreams is also reduced. The height of the reconfigurable modules can be lower than the height of a clock region. The Reconfiguration Engine manages the merging process of the new and the existing configuration frames within each clock region. The process of scaling up and down the hardware cores also benefits from this technique. A direct link to an external memory where partial bitstreams can be stored has been also implemented. In order to accelerate the reconfiguration process, the ICAP has been overclocked over the speed reported by the manufacturer. In the case of Virtex-5, even though the maximum frequency of the ICAP is reported to be 100 MHz, valid operations at 250 MHz have been achieved, including the online relocation process. Portability of the reconfiguration solution to today's and probably, future FPGAs, has been also considered. The reconfiguration engine can be also used to inject faults in real hardware devices, and this way being able to evaluate the fault tolerance offered by the reconfigurable architectures. Faults are emulated by introducing partial bitstreams intentionally modified to provide erroneous functionality. To prove the validity and the benefits offered by the proposed architectures, two demonstration application lines have been envisaged. First, scalable architectures have been employed to develop an evolvable hardware platform with adaptability, fault tolerance and scalability properties. Second, they have been used to implement a scalable deblocking filter suited to scalable video coding. Evolvable Hardware is the use of evolutionary algorithms to design hardware in an autonomous way, exploiting the flexibility offered by reconfigurable devices. In this case, processing elements composing the architecture are selected from a presynthesized library of processing elements, according to the decisions taken by the algorithm, instead of being decided at design time. This way, the configuration of the array may change as run-time environmental conditions do, achieving autonomous control of the dynamic reconfiguration process. Thus, the self-optimization property is added to the native self-configurability of the dynamically scalable architectures. In addition, evolvable hardware adaptability inherently offers self-healing features. The proposal has proved to be self-tolerant, since it is able to self-recover from both transient and cumulative permanent faults. The proposed evolvable architecture has been used to implement noise removal image filters. Scalability has been also exploited in this application. Scalable evolvable hardware architectures allow the autonomous adaptation of the processing cores to a fluctuating amount of resources available in the system. Thus, it constitutes an example of the dynamic quality scalability tackled in this thesis. Two variants have been proposed. The first one consists in a single dynamically scalable evolvable core, and the second one contains a variable number of processing cores. Scalable video is a flexible approach for video compression, which offers scalability at different levels. Differently to non-scalable codecs, a scalable video bitstream can be decoded with different levels of quality, spatial or temporal resolutions, by discarding the undesired information. The interest in this technology has been fostered by the development of the Scalable Video Coding (SVC) standard, as an extension of H.264/AVC. In order to exploit all the flexibility offered by the standard, it is necessary to adapt the characteristics of the decoder to the requirements of each client during run-time. The use of dynamically scalable architectures is proposed in this thesis with this aim. The deblocking filter algorithm is the responsible of improving the visual perception of a reconstructed image, by smoothing blocking artifacts generated in the encoding loop. This is one of the most computationally intensive tasks of the standard, and furthermore, it is highly dependent on the selected scalability level in the decoder. Therefore, the deblocking filter has been selected as a proof of concept of the implementation of dynamically scalable architectures for video compression. The proposed architecture allows the run-time addition or removal of computational units working in parallel to change its level of parallelism, following a wavefront computational pattern. Scalable architecture is offered together with a scalable parallelization strategy at the macroblock level, such that when the size of the architecture changes, the macroblock filtering order is modified accordingly. The proposed pattern is based on the division of the macroblock processing into two independent stages, corresponding to the horizontal and vertical filtering of the blocks within the macroblock. The main contributions of this thesis are: - The use of highly parallel, modular, regular and local architectures to implement dynamically reconfigurable processing IP cores, for data intensive applications with flexibility requirements. - The use of two-dimensional mesh-type arrays as architectural templates to build dynamically reconfigurable IP cores, with a scalable footprint. The proposal consists in generic architectural templates, which can be tuned to solve different computational problems. •A design flow and a tool targeting the design of DPR systems, focused on highly parallel, modular and local architectures. - An inter-module communication strategy, which does not introduce delay or area overhead, named Virtual Borders. - A custom and flexible router to solve the routing conflicts as well as the inter-module communication problems, appearing during the design of DPR systems. - An algorithm addressing the optimization of systems composed of multiple scalable cores, which size can be decided individually, to optimize the system parameters. It is based on a model known as the multi-dimensional multi-choice Knapsack problem. - A reconfiguration engine tailored to the requirements of highly regular and modular architectures. It combines a high reconfiguration throughput with run-time module relocation capabilities, including the support for sub-clock reconfigurable regions and the replication in multiple positions. - A fault injection mechanism which takes advantage of the system reconfiguration engine, as well as the modularity of the proposed reconfigurable architectures, to evaluate the effects of transient and permanent faults in these architectures. - The demonstration of the possibilities of the architectures proposed in this thesis to implement evolvable hardware systems, while keeping a high processing throughput. - The implementation of scalable evolvable hardware systems, which are able to adapt to the fluctuation of the amount of resources available in the system, in an autonomous way. - A parallelization strategy for the H.264/AVC and SVC deblocking filter, which reduces the number of macroblock cycles needed to process the whole frame. - A dynamically scalable architecture that permits the implementation of a novel deblocking filter module, fully compliant with the H.264/AVC and SVC standards, which exploits the macroblock level parallelism of the algorithm. This document is organized in seven chapters. In the first one, an introduction to the technology framework of this thesis, specially focused on dynamic and partial reconfiguration, is provided. The need for the dynamically scalable processing architectures proposed in this work is also motivated in this chapter. In chapter 2, dynamically scalable architectures are described. Description includes most of the architectural contributions of this work. The design flow tailored to the scalable architectures, together with the DREAMs tool provided to implement them, are described in chapter 3. The reconfiguration engine is described in chapter 4. The use of the proposed scalable archtieectures to implement evolvable hardware systems is described in chapter 5, while the scalable deblocking filter is described in chapter 6. Final conclusions of this thesis, and the description of future work, are addressed in chapter 7.

Model-based Self-awareness Patterns for Autonomy

Los sistemas técnicos son cada vez más complejos, incorporan funciones más avanzadas, están más integrados con otros sistemas y trabajan en entornos menos controlados. Todo esto supone unas condiciones más exigentes y con mayor incertidumbre para los sistemas de control, a los que además se demanda un comportamiento más autónomo y fiable. La adaptabilidad de manera autónoma es un reto para tecnologías de control actualmente. El proyecto de investigación ASys propone abordarlo trasladando la responsabilidad de la capacidad de adaptación del sistema de los ingenieros en tiempo de diseño al propio sistema en operación. Esta tesis pretende avanzar en la formulación y materialización técnica de los principios de ASys de cognición y auto-consciencia basadas en modelos y autogestión de los sistemas en tiempo de operación para una autonomía robusta. Para ello el trabajo se ha centrado en la capacidad de auto-conciencia, inspirada en los sistemas biológicos, y se ha explorado la posibilidad de integrarla en la arquitectura de los sistemas de control. Además de la auto-consciencia, se han explorado otros temas relevantes: modelado funcional, modelado de software, tecnología de los patrones, tecnología de componentes, tolerancia a fallos. Se ha analizado el estado de la técnica en los ámbitos pertinentes para las cuestiones de la auto-consciencia y la adaptabilidad en sistemas técnicos: arquitecturas cognitivas, control tolerante a fallos, y arquitecturas software dinámicas y computación autonómica. El marco teórico de ASys existente de sistemas autónomos cognitivos ha sido adaptado para servir de base para este análisis de autoconsciencia y adaptación y para dar sustento conceptual al posterior desarrollo de la solución. La tesis propone una solución general de diseño para la construcción de sistemas autónomos auto-conscientes. La idea central es la integración de un meta-controlador en la arquitectura de control del sistema autónomo, capaz de percibir la estado funcional del sistema de control y, si es necesario, reconfigurarlo en tiempo de operación. Esta solución de metacontrol se ha formalizado en cuatro patrones de diseño: i) el Patrón Metacontrol, que define la integración de un subsistema de metacontrol, responsable de controlar al propio sistema de control a través de la interfaz proporcionada por su plataforma de componentes, ii) el patrón Bucle de Control Epistémico, que define un bucle de control cognitivo basado en el modelos y que se puede aplicar al diseño del metacontrol, iii) el patrón de Reflexión basada en Modelo Profundo propone una solución para construir el modelo ejecutable utilizado por el meta-controlador mediante una transformación de modelo a modelo a partir del modelo de ingeniería del sistema, y, finalmente, iv) el Patrón Metacontrol Funcional, que estructura el meta-controlador en dos bucles, uno para el control de la configuración de los componentes del sistema de control, y otro sobre éste, controlando las funciones que realiza dicha configuración de componentes; de esta manera las consideraciones funcionales y estructurales se desacoplan. La Arquitectura OM y el metamodelo TOMASys son las piezas centrales del marco arquitectónico desarrollado para materializar la solución compuesta de los patrones anteriores. El metamodelo TOMASys ha sido desarrollado para la representación de la estructura y su relación con los requisitos funcionales de cualquier sistema autónomo. La Arquitectura OM es un patrón de referencia para la construcción de una metacontrolador integrando los patrones de diseño propuestos. Este meta-controlador se puede integrar en la arquitectura de cualquier sistema control basado en componentes. El elemento clave de su funcionamiento es un modelo TOMASys del sistema decontrol, que el meta-controlador usa para monitorizarlo y calcular las acciones de reconfiguración necesarias para adaptarlo a las circunstancias en cada momento. Un proceso de ingeniería, complementado con otros recursos, ha sido elaborado para guiar la aplicación del marco arquitectónico OM. Dicho Proceso de Ingeniería OM define la metodología a seguir para construir el subsistema de metacontrol para un sistema autónomo a partir del modelo funcional del mismo. La librería OMJava proporciona una implementación del meta-controlador OM que se puede integrar en el control de cualquier sistema autónomo, independientemente del dominio de la aplicación o de su tecnología de implementación. Para concluir, la solución completa ha sido validada con el desarrollo de un robot móvil autónomo que incorpora un meta-controlador con la Arquitectura OM. Las propiedades de auto-consciencia y adaptación proporcionadas por el meta-controlador han sido validadas en diferentes escenarios de operación del robot, en los que el sistema era capaz de sobreponerse a fallos en el sistema de control mediante reconfiguraciones orquestadas por el metacontrolador. ABSTRACT Technical systems are becoming more complex, they incorporate more advanced functionalities, they are more integrated with other systems and they are deployed in less controlled environments. All this supposes a more demanding and uncertain scenario for control systems, which are also required to be more autonomous and dependable. Autonomous adaptivity is a current challenge for extant control technologies. The ASys research project proposes to address it by moving the responsibility for adaptivity from the engineers at design time to the system at run-time. This thesis has intended to advance in the formulation and technical reification of ASys principles of model-based self-cognition and having systems self-handle at runtime for robust autonomy. For that it has focused on the biologically inspired capability of self-awareness, and explored the possibilities to embed it into the very architecture of control systems. Besides self-awareness, other themes related to the envisioned solution have been explored: functional modeling, software modeling, patterns technology, components technology, fault tolerance. The state of the art in fields relevant for the issues of self-awareness and adaptivity has been analysed: cognitive architectures, fault-tolerant control, and software architectural reflection and autonomic computing. The extant and evolving ASys Theoretical Framework for cognitive autonomous systems has been adapted to provide a basement for this selfhood-centred analysis and to conceptually support the subsequent development of our solution. The thesis proposes a general design solution for building self-aware autonomous systems. Its central idea is the integration of a metacontroller in the control architecture of the autonomous system, capable of perceiving the functional state of the control system and reconfiguring it if necessary at run-time. This metacontrol solution has been formalised into four design patterns: i) the Metacontrol Pattern, which defines the integration of a metacontrol subsystem, controlling the domain control system through an interface provided by its implementation component platform, ii) the Epistemic Control Loop pattern, which defines a modelbased cognitive control loop that can be applied to the design of such a metacontroller, iii) the Deep Model Reflection pattern proposes a solution to produce the online executable model used by the metacontroller by model-to-model transformation from the engineering model, and, finally, iv) the Functional Metacontrol pattern, which proposes to structure the metacontroller in two loops, one for controlling the configuration of components of the controller, and another one on top of the former, controlling the functions being realised by that configuration; this way the functional and structural concerns become decoupled. The OM Architecture and the TOMASys metamodel are the core pieces of the architectural framework developed to reify this patterned solution. The TOMASys metamodel has been developed for representing the structure and its relation to the functional requirements of any autonomous system. The OM architecture is a blueprint for building a metacontroller according to the patterns. This metacontroller can be integrated on top of any component-based control architecture. At the core of its operation lies a TOMASys model of the control system. An engineering process and accompanying assets have been constructed to complete and exploit the architectural framework. The OM Engineering Process defines the process to follow to develop the metacontrol subsystem from the functional model of the controller of the autonomous system. The OMJava library provides a domain and application-independent implementation of an OM Metacontroller than can be used in the implementation phase of OMEP. Finally, the complete solution has been validated in the development of an autonomous mobile robot that incorporates an OM metacontroller. The functional selfawareness and adaptivity properties achieved thanks to the metacontrol system have been validated in different scenarios. In these scenarios the robot was able to overcome failures in the control system thanks to reconfigurations performed by the metacontroller.

Comunidades de aprendizaje en entornos colectivos

La presente comunicación tiene como objetivo analizar las diferentes condiciones que son necesarias para que se produzca el aprendizaje dentro de entornos de trabajo de estructura no convencional. Para ello, utilizamos como ejemplos los Colectivos de arquitectura tan prolíficos en estas últimas décadas. La palabra “Colectivo” está sometida a un fuerte debate ya que su definición acaba siempre siendo difusa... ¿es un colectivo una agrupación de 4 personas? ¿es una cuestión de número, de posicionamiento o de metodología de trabajo?. La Confianza Generalmente las comunidades de aprendizaje están formadas por personas que se comprometen en un proceso de aprendizaje colectivo a través de un entorno que permite la producción de fricciones para compartir el conocimiento. En la teoría para la creación del conocimiento de Nonaka & Konno (1998), se introduce el concepto japonés de “ba” que traducido significa “lugar”, como un espacio compartido donde se produce la gestión del conocimiento. Explica como el conocimiento se adquiere a través de la experiencia de uno mismo y del reflejo que deja la de otros. Para que esto ocurra el “ba” requiere que los individuos eliminen barreras entre unos y otros en una atmosfera que enfatice “cuidado, amor, confianza y compromiso”. A esto Kolb and Kolb (2005) añaden que para mantener este espacio es necesaria una estructura de soporte en la que los miembros puedan confiar, y en el que se comprendan sus diferencias a través de la conversación. La confianza, la comunicación y la afectividad son elementos imprescindibles en una estructura de trabajo en colectivo. Esto da lugar a una falta de protocolos de actuación a la hora de introducir nuevos miembros en el grupo. Las condiciones necesarias para incorporarse en estas estructuras difieren mucho de un colectivo a otro. En algunos casos esta anexión se produce exclusivamente por criterios de índole profesional, en otras ocasiones son vínculos afectivos ligados a la amistad o empatía personal lo que las inducen e incluso hay casos donde el puro azar por necesidades diversas conlleva a la exitosa incorporación de un nuevo miembro. Este punto es uno de los que mejor evidencia la diferencia entre estos espacios de aprendizaje y los espacios de Coworking y Networking, en los cuales aunque se establecen relaciones profesionales, los niveles de sinergias y de aprendizaje son muy inferiores. La identidad Las “Community of practices” (Cop) son consideradas como un tipo de comunidad de aprendizaje (Lave & Wenger, 1991, Wenger, 1998, Wenger et al. 2002) que explica e ilustra los desafíos que estas comunidades presentan. Generalmente, se describen como un grupo de gente conectada por un interés común y que definen sus identidades a través del rol que tienen y de la relación que comparten con la actividad del grupo. En el caso de los colectivos de arquitectura estos conceptos se presenta de formas diferentes. Existen colectivos en los que se desvincula completamente la identidad personal de la identidad grupal, prevaleciendo esta última y configurándose a través de los intereses y objetivos comunes. Sin embargo otros colectivos defienden fuertemente la identidad personal y profesional de cada individuo que lo forma y el interés común se reduce a la necesidad de compartir experiencias y establecer sinergias. Por otro lado, Li et al (2009) muestra como las “Community of practices” (Cop) tienen una falta de consistencia en la interpretación de su concepto que hace difícil el describir, desarrollar y medir su efectividad. En los entornos de colectivos es común describirse a través del "hacer", entendiendo esto no como un hándicap sino como una manera de permanecer abiertos a reinventarse con cada nuevo proyecto. Grupos Abiertos o Cerrados Una comunidad puede existir en el tiempo a pesar de que cambien sus participantes. (Lave & Wenger, 1991, Wenger, 1998, Wenger et al. 2002). La mayoría de los colectivos que conocemos empiezan a trabajar como estructuras abiertas, con un número difuso de integrantes y con grandes diferencias de compromiso entre los miembros. Sin embargo, con el paso de los años y la evolución de la estructura se producen dos situaciones opuestas: 1. Colectivos que se consolidan y se cierran, formados por individuos con una implicación total en la estructura de trabajo y unos objetivos comunes. En estos casos el número de integrantes suele ser reducido o haber disminuido desde su formación y al producirse una especialización de los roles de trabajo entre los diferentes miembros, los entornos de aprendizaje se amplían a la interactuación puntual con personas ajenas al colectivo. Estos aprendizajes están en cierto modo dirigidos y también son más eficaces porque se eligen a priori los agentes externos con los que relacionarse e intercambiar conocimientos, sean estos profesionales de otras disciplinas u otros colectivos. Otra forma de interactuación suele ser a través de talleres o actividades públicas con participación ciudadana. Lo cual produce el acercamiento a otros agentes sociales, abriendo y enriqueciendo la propia disciplina. 2. En el otro extremo están los colectivos que mantienen una estructura abierta en el tiempo, provocando un aumento constante del número de miembros y un amplio abanico de niveles de implicación. En estos casos no existe un objetivo común ni una metodología de trabajo predeterminada sino que se producen asociaciones puntuales y acotadas en el tiempo. De esta manera los niveles de aprendizaje se mantienen elevados dentro del propio colectivo por estar en constante cambio, lo que no implica que también se produzcan las interactuaciones mencionadas anteriormente con otros agentes. Conclusión Los colectivos de arquitectura pueden considerarse comunidades de aprendizaje con diferentes configuraciones y características comunes como la paridad, la confianza y la tendencia a establecer redes con otros grupos. Y muestran como aprendizaje y producción pueden funcionar dentro de una misma entidad. Por otro lado, su nivel de adaptabilidad a los retos reales del entorno externo que les rodea influye en la permanencia o extinción de estas estructuras de trabajo.

Evaluación del ruido ambiental en espacios naturales protegidos: implicaciones para su gestión

Esta Tesis Doctoral trata sobre la caracterización acústica de los ecosistemas naturales y la evaluación del impacto ambiental del ruido antropogénico sobre sus potenciales receptores en estos lugares, incluidos los receptores no humanos y sus efectos ecológicos, además, analiza las implicaciones para su gestión a distintas escalas y se lleva a cabo una valoración económica. Este trabajo ofrece soluciones para caracterizar los paisajes sonoros de forma compatible con distintas escalas de trabajo, nivel de esfuerzo técnico y en contextos de recursos limitados que haga viable su tratamiento como cualquier otra variable ambiental en el ámbito de la conservación y gestión del medio natural. Se han adaptado herramientas y metodologías propias de disciplinas como la acústica ambiental, bioacústica y ecología del paisaje, para servir a los objetivos específicos de la evaluación y gestión de los paisajes sonoros y el ruido ambiental en amplias extensiones geográficas. Se ha establecido un método general de muestreo sistemático para trabajo de campo y también se han adaptado métodos de modelización informática, que permiten analizar escenarios sonoros dinámicos en el tiempo y en el espacio, desde localizaciones puntuales hasta la escala del paisaje. Es posible elaborar cartografía ambiental con esta información y se ha representado gráficamente la zona de influencia de distintas fuentes de ruido sobre la calidad de distintos hábitats faunísticos. Se recomienda el uso del indicador del nivel de presión sonora equivalente (Leq) por su operatividad en medición y modelización, y su adaptabilidad a cualquier dimensión espacial y temporal que se requiera, por ejemplo en función del paisaje, actividades o especies que se establezcan como objeto de análisis. Se ha comprobado que las voces y conversaciones de parte de los excursionistas en zonas de reposo, observación y descanso (Laguna Grande de Peñalara) es la fuente de ruido que con mayor frecuencia identifican los propios visitantes (51%) y causa un incremento del nivel de presión sonora equivalente de unos 4,5 dBA sobre el nivel correspondiente al ambiente natural (Lnat). También se ha comprobado que carreteras con bajo nivel de tráfico (IMD<1000) pueden causar estrés fisiológico sobre la fauna y afectar a la calidad de sus hábitats. La isófona de 30 dBA del índice Leq (24h) permite dividir a los corzos de la zona de estudio en dos grupos con diferente nivel de estrés fisiológico, más elevado en los que se sitúan más cerca de la carretera con mayor volumen de tráfico y se expone a mayores niveles de ruido. Por otro lado, ha sido posible delimitar una zona de exclusión para la nidificación de buitre negro alrededor de las carreteras, coincidente con la isófona Leq (24h) de 40 dBA que afecta al 11% de su hábitat potencial. Además se ha llevado a cabo una novedosa valoración económica de la contaminación acústica en espacios naturales protegidos, mediante el análisis de la experiencia sonora de los visitantes del antiguo Parque Natural de Peñalara, y se ha constatado su disposición al pago de una entrada de acceso a estos lugares (aproximadamente 1 euro) si redundara en una mejora de su estado de conservación. En conclusión, los espacios naturales protegidos pueden sufrir un impacto ambiental significativo causado por fuentes de ruido localizadas en su interior pero también lejanas a ellos, que se sitúan fuera del ámbito de competencias de sus gestores. Sucesos sonoros como el sobrevuelo de aviones pueden incrementar en aproximadamente 8 dBA el nivel de referencia Lnat en las zonas tranquilas del parque. Se recomienda llevar a cabo una gestión activa del medio ambiente sonoro y se considera necesario extender la investigación sobre los efectos ecológicos del ruido ambiental a otros lugares y especies animales. ABSTRACT This PhD Thesis deals with acoustic characterization of natural ecosystems and anthropogenic noise impact assessment on potential receivers, including non-human receivers and their ecological effects. Besides, its management implications at different scales are analyzed and an economic valuation is performed. This study provides solutions for characterizing soundscapes in a compatible way with different working scales, level of technical effort and in a context of limited resources, so its treatment becomes feasible as for any other environmental variable in conservation and environmental management. Several tools and methodologies have been adapted from a variety of disciplines such as environmental acoustics, bioacoustics and landscape ecology, to better serve the specific goals of assessing and managing soundscapes and environmental noise in large areas. A procedure has been established for systematic field measurement surveys and noise common computer modelling methods have also been adapted in order to analyze dynamic soundscapes across time and space, from local to landscape scales. It is possible to create specific thematic cartography as for instance delimiting potential influence zone from different noise sources on animal habitats quality. Use of equivalent continuous sound pressure level index (Leq) is recommended because it provides great flexibility in operation for noise measurement and modelling, and because of its adaptability to any required temporal and spatial dimension, for instance landscape, activities or the target species established as study subjects. It has been found that human voices and conversations in a resting and contemplation area (Laguna Grande de Peñalara) is the most frequently referred noise source by national park visitors (51 %) when asked. Human voices alter this recreational area by increasing the sound pressure level approximately 4.5 dBA over the natural ambient level (Lnat). It has also been found that low traffic roads (AADT<1000 ) may cause physiological stress on wildlife and affect the quality of their habitats. It has also been possible to define a road-effect zone by noise mapping, which suggests an effective habitat loss within the Leq (24h) 30 dBA isophone in case of Roe deer and also divide the study area in two groups with different physiological stress level, higher for those exposed to higher noise levels and traffic volume. On the other hand, it has been possible to determine an exclusion area for Cinereous vulture nesting surrounding roads which is coincident with the Leq (24h) 40 dBA isophone and affects 11 % of the vulture potential habitat. It has also been performed an economic estimation of noise pollution impact on visitors’ perception and results showed that visitors would be willing to pay an entrance fee of approximately 1 euro if such payment is really bringing an improvement of the conservation status. In conclusion, protected areas may be significantly affected by anthropogenic noise sources located within the park borders but perturbations may also be caused by large-distance noise sources outside the park managers’ jurisdiction. Aircraft overflight events disrupted quietness and caused Leq increases of almost 8 dBA during a monitoring period with respect to Lnat reference levels in the park quiet areas. It is recommended to actively manage the acoustic environment. Finally, further research on ecological impacts of environmental noise needs to be extended to other species and places.

Integración arquitectónica y constructiva de sistemas fotovoltaicos de tecnología de lámina delgada en relación con la disipación térmica y almacenamiento de calor

Esta tesis doctoral contribuye al análisis y desarrollo de nuevos elementos constructivos que integran sistemas de generación eléctrica a través de células fotovoltaicas (FV); particularmente, basados en tecnología FV de lámina delgada. Para ello se estudia el proceso de la integración arquitectónica de éstos elementos (conocido internacionalmente como “Building Integrated Photovoltaic – BIPV”) mediante diferentes metodologías. Se inicia con el estudio de los elementos fotovoltaicos existentes y continúa con los materiales que conforman actualmente las pieles de los edificios y su posible adaptación a las diferentes tecnologías. Posteriormente, se propone una estrategia de integración de los elementos FV en los materiales constructivos. En ésta se considera la doble función de los elementos BIPV, eléctrica y arquitectónica, y en especial se plantea el estudio de la integración de elementos de disipación térmica y almacenamiento de calor mediante los materiales de cambio de fase (“Phase Change Materials – PCM”), todo esto con el objeto de favorecer el acondicionamiento térmico pasivo a través del elemento BIPV. Para validar dicha estrategia, se desarrolla una metodología experimental que consiste en el diseño y desarrollo de un prototipo denominado elemento BIPV/TF – PCM, así como un método de medida y caracterización en condiciones de laboratorio. Entre los logros alcanzados, destaca la multifuncionalidad de los elementos BIPV, el aprovechamiento de la energía residual del elemento, la reducción de los excedentes térmicos que puedan modificar el balance térmico de la envolvente del edificio, y las mejoras conseguidas en la producción eléctrica de los módulos fotovoltaicos por reducción de temperatura, lo que hará más sostenible la solución BIPV. Finalmente, como resultado del análisis teórico y experimental, esta tesis contribuye significativamente al estudio práctico de la adaptabilidad de los elementos BIPV en el entorno urbano por medio de una metodología que se basa en el desarrollo y puesta en marcha de una herramienta informática, que sirve tanto a ingenieros como arquitectos para verificar la calidad de la integración arquitectónica y calidad eléctrica de los elementos FV, antes, durante y después de la ejecución de un proyecto constructivo. ABSTRACT This Doctoral Thesis contributes to the analysis and development of new building elements that integrate power generation systems using photovoltaic solar cells (PV), particularly based on thin-film PV technology. For this propose, the architectural integration process is studied (concept known as "Building Integrated Photovoltaic - BIPV") by means of different methodologies. It begins with the study of existing PV elements and materials that are currently part of the building skins and the possible adaptation to different technologies. Subsequently, an integration strategy of PV elements in building materials is proposed. Double function of BIPV elements is considered, electrical and architectural, especially the heat dissipation and heat storage elements are studied, particularly the use Phase Change Materials– PCM in order to favor the thermal conditioning of buildings by means of the BIPV elements. For this propose, an experimental methodology is implemented, which consist of the design and develop of a prototype "BIPV/TF- PCM element" and measurement method (indoor laboratory conditions) in order to validate this strategy. Among the most important achievements obtained of this develop and results analysis includes, in particular, the multifunctionality of BIPV elements, the efficient use of the residual energy of the element, reduction of the excess heat that it can change the heat balance of the building envelope and improvements in electricity production of PV modules by reducing the temperature, are some benefits achieved that make the BIPV element will be more sustainable. Finally, as a result of theoretical and experimental analysis, this thesis contributes significantly to the practical study of the adaptability of BIPV elements in the urban environment by means of a novel methodology based on the development and implementation by computer software of a useful tool which serves as both engineers and architects to verify the quality of architectural integration and electrical performance of PV elements before, during, and after execution of a building projects.

Una casa para Einstein: Konrad Wachsmann y la evolución de un modelo prefabricado desde las casas "Christoph & Unmack A. G." al "General Panel System"

Este artículo estudia la evolución del modelo de vivienda prefabricada en madera que construye Konrad Wachsmann para Einstein en 1929 en Caputh, cerca de Potsdam. El físico deseaba construirse un "lugar de descanso", eligiendo la construcción en madera por su facilidad y rapidez de montaje, adaptabilidad, calidez y para que armonizara mejor con el medio ambiente. Wachsmann, que trabajaba para la firma "Christoph & Unmack A.G." le presentará un modelo prefabricado moderno. Esta tipología, evolucionada desde los diseños "nórdico-escandinavo" y "jugendstil", hasta introducir un nuevo lenguaje de líneas puras, cubierta plana, y grandes ventanales, será ligeramente modificada por Einstein, que finalmente adjudica el encargo. Wachsmann continuará la labor de investigación sobre vivienda prefabricada junto con Gropius en EEUU, que dará como resultado el "General Panel System" y sus conocidas "Packaged Houses".

Off, un nuevo enfoque en la construcción de Sistemas Operativos Distribuidos

La extensión alcanzada por las redes de ordenadores ha provocado la aparición y extensión de Sistemas Operativos Distribuidos (SSOODD) [158], como alternativa de futuro a los Sistemas Operativos centralizados. El enfoque más común para la construcción de Sistemas Operativos Distribuidos [158] consiste en la realización de servicios distribuidos sobre un μkernel centralizado encargado de operar en cada uno de los nodos de la red (μkernel servicios distribuidos). Esta estrategia entorpece la distribución del sistema y conduce a sistemas no adaptables debido a que los μkernels empleados suministran abstracciones alejadas del hardware. Por otro lado, los Sistemas Operativos Distribuidos todavía no han alcanzando niveles de transparencia, flexibilidad, adaptabilidad y aprovechamiento de recursos comparables a los existentes en Sistemas Centralizados [160]. Conviene pues explorar otras alternativas, en la construcción de dichos sistemas, que permitan paliar esta situación. Esta tesis propone un enfoque radicalmente diferente en la construcción de Sistemas Operativos Distribuidos: distribuir el sistema justo desde el nivel inferior haciendo uso de un μkernel distribuido soportando abstracciones próximas al hardware. Nuestro enfoque podría resumirse con la frase Construyamos Sistemas Operativos basados en un μkernel distribuido en lugar de construir Sistemas Operativos Distribuidos basados en un μkernel. Afirmamos que con el enfoque propuesto (μkernel distribuido adaptable servicios) se podrían conseguir importantes ventajas [148] con respecto al enfoque habitual (μkernel servicios distribuidos): más transparencia, mejor aprovechamiento de los recursos, sistemas m´as flexibles y mayores cotas de adaptabilidad; sistemas más eficientes, fiables y escalables.

Cognitive risk perception system for obstacle avoidance in outdoor mUAV missions

La robótica ha evolucionado exponencialmente en las últimas décadas, permitiendo a los sistemas actuales realizar tareas sumamente complejas con gran precisión, fiabilidad y velocidad. Sin embargo, este desarrollo ha estado asociado a un mayor grado de especialización y particularización de las tecnologías implicadas, siendo estas muy eficientes en situaciones concretas y controladas, pero incapaces en entornos cambiantes, dinámicos y desestructurados. Por eso, el desarrollo de la robótica debe pasar por dotar a los sistemas de capacidad de adaptación a las circunstancias, de entendedimiento sobre los cambios observados y de flexibilidad a la hora de interactuar con el entorno. Estas son las caracteristicas propias de la interacción del ser humano con su entorno, las que le permiten sobrevivir y las que pueden proporcionar a un sistema inteligencia y capacidad suficientes para desenvolverse en un entorno real de forma autónoma e independiente. Esta adaptabilidad es especialmente importante en el manejo de riesgos e incetidumbres, puesto que es el mecanismo que permite contextualizar y evaluar las amenazas para proporcionar una respuesta adecuada. Así, por ejemplo, cuando una persona se mueve e interactua con su entorno, no evalúa los obstáculos en función de su posición, velocidad o dinámica (como hacen los sistemas robóticos tradicionales), sino mediante la estimación del riesgo potencial que estos elementos suponen para la persona. Esta evaluación se consigue combinando dos procesos psicofísicos del ser humano: por un lado, la percepción humana analiza los elementos relevantes del entorno, tratando de entender su naturaleza a partir de patrones de comportamiento, propiedades asociadas u otros rasgos distintivos. Por otro lado, como segundo nivel de evaluación, el entendimiento de esta naturaleza permite al ser humano conocer/estimar la relación de los elementos con él mismo, así como sus implicaciones en cuanto a nivel de riesgo se refiere. El establecimiento de estas relaciones semánticas -llamado cognición- es la única forma de definir el nivel de riesgo de manera absoluta y de generar una respuesta adecuada al mismo. No necesariamente proporcional, sino coherente con el riesgo al que se enfrenta. La investigación que presenta esta tesis describe el trabajo realizado para trasladar esta metodología de análisis y funcionamiento a la robótica. Este se ha centrado especialmente en la nevegación de los robots aéreos, diseñando e implementado procedimientos de inspiración humana para garantizar la seguridad de la misma. Para ello se han estudiado y evaluado los mecanismos de percepción, cognición y reacción humanas en relación al manejo de riesgos. También se ha analizado como los estímulos son capturados, procesados y transformados por condicionantes psicológicos, sociológicos y antropológicos de los seres humanos. Finalmente, también se ha analizado como estos factores motivan y descandenan las reacciones humanas frente a los peligros. Como resultado de este estudio, todos estos procesos, comportamientos y condicionantes de la conducta humana se han reproducido en un framework que se ha estructurado basadandose en factores análogos. Este emplea el conocimiento obtenido experimentalmente en forma de algoritmos, técnicas y estrategias, emulando el comportamiento humano en las mismas circunstancias. Diseñado, implementeado y validado tanto en simulación como con datos reales, este framework propone una manera innovadora -tanto en metodología como en procedimiento- de entender y reaccionar frente a las amenazas potenciales de una misión robótica. ABSTRACT Robotics has undergone a great revolution in the last decades. Nowadays this technology is able to perform really complex tasks with a high degree of accuracy and speed, however this is only true in precisely defined situations with fully controlled variables. Since the real world is dynamic, changing and unstructured, flexible and non context-dependent systems are required. The ability to understand situations, acknowledge changes and balance reactions is required by robots to successfully interact with their surroundings in a fully autonomous fashion. In fact, it is those very processes that define human interactions with the environment. Social relationships, driving or risk/incertitude management... in all these activities and systems, context understanding and adaptability are what allow human beings to survive: contrarily to the traditional robotics, people do not evaluate obstacles according to their position but according to the potential risk their presence imply. In this sense, human perception looks for information which goes beyond location, speed and dynamics (the usual data used in traditional obstacle avoidance systems). Specific features in the behaviour of a particular element allows the understanding of that element’s nature and therefore the comprehension of the risk posed by it. This process defines the second main difference between traditional obstacle avoidance systems and human behaviour: the ability to understand a situation/scenario allows to get to know the implications of the elements and their relationship with the observer. Establishing these semantic relationships -named cognition- is the only way to estimate the actual danger level of an element. Furthermore, only the application of this knowledge allows the generation of coherent, suitable and adjusted responses to deal with any risk faced. The research presented in this thesis summarizes the work done towards translating these human cognitive/reasoning procedures to the field of robotics. More specifically, the work done has been focused on employing human-based methodologies to enable aerial robots to navigate safely. To this effect, human perception, cognition and reaction processes concerning risk management have been experimentally studied; as well as the acquisition and processing of stimuli. How psychological, sociological and anthropological factors modify, balance and give shape to those stimuli has been researched. And finally, the way in which these factors motivate the human behaviour according to different mindsets and priorities has been established. This associative workflow has been reproduced by establishing an equivalent structure and defining similar factors and sources. Besides, all the knowledge obtained experimentally has been applied in the form of algorithms, techniques and strategies which emulate the analogous human behaviours. As a result, a framework capable of understanding and reacting in response to stimuli has been implemented and validated.

Contribuciones para el tratamiento de aguas residuales con sistemas alternativos de bajo coste. Aplicaciones para el desarrollo en poblaciones reducidas y cooperación

Este trabajo se ha centrado en la búsqueda y análisis de técnicas de saneamiento y depuración que proporcionen soluciones a poblaciones pequeñas, que por su situación económica o de desarrollo, carecen de estos servicios básicos. Es bien conocido los problemas que genera la falta de acceso al saneamiento básico en contextos de subdesarrollo, agravado en numerosos casos, por los incrementos en la dotación de agua sin introducir las infraestructuras para el tratamiento de las aguas residuales. Esta situación incide directamente sobre la salud de las personas y del medioambiente. Afortunadamente existen Organismos Internacionales y Agencias de Desarrollo y de Medioambiente, que intervienen directamente en estos temas. Los problemas no sólo se presentan en los llamados países en vías de desarrollo, sino que se ha comprobado que también afecta a poblaciones pequeñas con escasos recursos, del mundo más desarrollado. Muchas han sido las técnicas utilizadas con gran éxito en programas de cooperación, pero algunas han fracasado por pérdida de funcionalidad, por errores de diseño, por rápido deterioro de los materiales, o simplemente por falta de adaptabilidad al terreno o no previsión de controles y mantenimiento. La solución a estos eventos pasa por la innovación tanto tecnológica como de gestión, sin olvidar la componente socioeconómica y cultural. Tomar conciencia de un buen diseño adaptado a las características del terreno y de la población, evitaría fracasos por colapso, por falta de mantenimiento, de financiación etc. Por otra parte, se considera necesaria la implementación de programas educativos que incluyan mejoras en los hábitos higiénicos y el conocimiento de las infraestructuras que permitan a la población de destino, adquirir una formación sobre las propias instalaciones, su uso, su mantenimiento y conservación. El desarrollo y mejora de las técnicas de saneamiento y depuración requiere una continuidad en las investigaciones que facilite la adaptación de las instalaciones ya existentes a las diferentes coyunturas que puedan presentarse, garantizando su funcionamiento a largo plazo. Las técnicas denominadas “no convencionales” se caracterizan por ser soluciones económicas y sostenibles, que en algunos casos, requieren poco mantenimiento e incluso éste puede realizarse por personal no especializado, esto es, por los propios usuarios del servicio. Concretamente en el presente trabajo se ha llevado a cabo una revisión general de las tipologías conocidas, tanto convencionales como no convencionales y de su posible aplicación en función de la población de destino, con especial incidencia en las poblaciones más desfavorecidas. Una vez realizada, se han seleccionado las técnicas de saneamiento y depuración no convencionales por el interés personal en las poblaciones con mayores dificultades socioeconómicas. Se han estudiado distintas situaciones en diferentes países y contextos Nicaragua, Ecuador, India y España. Es en esta última, donde se han tenido más facilidades para la obtención de datos y análisis de los mismos, concretamente de la instalación del municipio de Fabara en la provincia de Zaragoza, situado en el Bajo Aragón. ABSTRACT The focus of this project lies on the research and analysis of sanitation and waste water treatment techniques able to provide solutions to small settlements which lack such basic services out of economic or underdevelopment reasons. The problems generated by the absence of access to basic sanitation services in underdevelopment contexts are well known, and many cases can be found where increase of water provision doesn’t involve installation of waste water treatment infrastructures. This situation has a direct impact on people’s health and also on the environment. Fortunately, there are International Organizations and Development Agencies which act directly on these matters. These problems don’t only occur in so called developing countries, as it has been confirmed that small settlements with scarce resources in the more developed world can also be affected. Many techniques have been successfully used in cooperation programs, but also some of them have failed due to loss of functionality, design mistakes, rapid material deterioration, or simply site inadequacy or lack of control and maintenance precautions. The solution to these incidents requires technological as well as management innovation, regarding for all cases the socioeconomic and cultural factors. The awareness of a good design, adapted to the site and population characteristics, would prevent from failures due to collapse, lack of maintenance, funding, etc. Furthermore, the implementation of education programs for improving hygienic habits and for transmitting the understanding of the infrastructures is considered necessary for allowing the aimed population to gain proper knowledge on their own infrastructure, its use, maintenance and preservation. The improvement of sanitation and waste water treatment techniques requires a continuous process of investigation, in order to adapt the existing infrastructure to the different situations that may come up, being able to ensure its long-term functioning. The so called non conventional techniques are characterized by being economic and sustainable solutions, requiring in some cases low maintenance, conducted even by non specialized personnel, that is, by the users themselves. In the present project a general overview of the already developed typologies has been carried out, taking into account the conventional as well as the non conven tional techniques and their possible application according to the aimed population, regarding especially the most underprivileged settlements. Thereupon, out of interest for the settlements with most socioeconomic difficulties, the non conventional sanitation and waste water techniques have been selected. A variety of situations in different countries and contexts has been examined, specifically in Nicaragua, Ecuador, India and Spain. The latest has proven easier for data collection and analysis, focusing finally on the existing infrastructure in the village of Fabara, province of Zaragoza, in the Bajo Aragón.

Evaluación de la calidad funcional y sensorial en cultivares de Triticum aestivum ssp. vulgare y ssp. spelta en cultivo ecológico

En esta Tesis Doctoral se ha estudiado la influencia del cultivar sobre el comportamiento reológico y panadero de cinco cultivares de trigo sembrados en el mismo año y en el mismo ambiente, en condiciones de cultivo ecológico. Tres de ellos eran de trigo panadero (Triticum aestivum ssp. vulgare), ‘Bonpain’, ‘Craklin’ y ‘Sensas’ y los otros dos de trigo espelta (Triticum aestivum ssp. spelta), ‘Espelta Álava’ y ‘Espelta Navarra’. Actualmente, el alohexaploide trigo panadero (2n=6x=42 genomio AABBDD) supone en torno al 90% del trigo cultivado en el mundo. En cambio, el cultivo del trigo alohexaploide espelta (2n=6x=42 genomio AABBDD) se limita a pequeñas regiones de Europa y de América del Norte. En España, el cultivo de trigo espelta se ha mantenido durante años ligado a la región de Asturias, aunque en la actualidad su cultivo está empezando a diversificarse hacia otras regiones. Esto se debe, fundamentalmente, a su potencial nutricional y a su adaptabilidad a condiciones de agricultura sostenible. El reciente resurgimiento de la espelta en productos de panificación, se debe, en gran parte, a la percepción del consumidor de que se trata de un producto ”más saludable” y “más natural” y con menor requerimiento de insumos que los trigos modernos. A medida que el consumo de alimentos a base de harina de espelta aumenta, se plantea la necesidad de evaluar su calidad harino-panadera, nutricional y sensorial en comparación con los productos elaborados con variedades de trigo común. Se caracterizaron las gluteninas de alto peso molecular (HMW) y las puroindolinas de los cinco cultivares. Se evaluó la calidad del grano, la reología de sus masas y se analizó la calidad instrumental y sensorial de sus panes. Para tal fin se ha puesto a punto un protocolo de panificación adecuado a las características particulares de los trigos espelta y se ha propuesto para el análisis sensorial de los panes un protocolo de selección, entrenamiento y validación de jueces. Teniendo en cuenta la composición en gluteninas HMW de los cultivares, se comprobó su influencia en el volumen de sedimentación y en la fuerza panadera. La composición en puroindolinas se vió reflejada en el parámetro dureza del endospermo. Los resultados indicaron que hay diferencias entre trigo panadero y trigo espelta en parámetros como, la tenacidad y el equilibrio de sus masas, la capacidad de absorción de agua de la harina y el comportamiento de la masa durante el amasado. Los trigos espeltas mostraron menor valor en el tiempo en alcanzar la presión máxima y la tolerancia al amasado, mientras que presentaron valores superiores en el decaimiento a los 250 y 450 segundos respectivamente. Respecto a la calidad de los panes elaborados, los trigos espeltas tenían mayor elasticidad en la miga y mayores valores en el área y en el diámetro de sus alveolos. Estas diferencias en la estructura y textura de la miga fueron también detectadas a nivel sensorial por el panel de jueces. Mediante el perfil sensorial descriptivo, se determinó que uno de los dos panes elaborado con trigo espelta (‘Espelta Navarra’) fue el pan más complejo considerando conjuntamente los atributos de aroma y flavor. En este trabajo no se apreciaron diferencias entre ambos tipos de trigo ni en el contenido en proteína, ni en minerales, ni en la viscosidad de su almidón. ABSTRACT In this Doctoral Thesis, the influence of various cultivars on rheological and baking behavior was studied. Five wheat cultivars were used, all planted in the same year and same organic farming environment. Three were bread wheat (Triticum aestivum ssp. vulgare), 'Bonpain', 'Craklin' and 'Sensas' and the other two were spelt wheat (Triticum aestivum ssp. spelta) , 'Espelta Álava' and 'Espelta Navarra' . Currently, the allohexaploid bread wheat (2n=6x=42 genome AABBDD) represents about 90% of global wheat production. On the other hand, allohexaploid spelt wheat (2n=6x=42 genome AABBDD) is merely produced in small areas of Europe and North America. For many years, the cultivation of spelt wheat in Spain was limited to the region of Asturias, although nowadays its production has begun to spread into other regions. This is owing to its nutritional potential and adaptability to conditions of sustainable agriculture. The recent resurgence of spelt in baking products is mainly due to consumers perception of it, as "healthier" and "more natural", and to the fewer agricultural input requirements compared to modern wheat products. As the consumption of foods made from spelt flour increases, there is a need to assess its baking, nutritional and sensory quality, compared to products made with common varieties of wheat. High molecular weight glutenins and puroindolines from the five cultivars were characterized. The quality of the grain and the rheology of the dough were evaluated and the instrumental and sensory quality of its breads were analyzed. To this end it a baking protocol was appropriately developed to the particular characteristics of spelt wheat and a selection protocol was proposed for the sensory analysis of breads, after proper training and validation of judges. Considering the HMW glutenin composition of the cultivars, the influence on the sedimentation volume and the baking strength was proven. The composition of puroindolines was reflected in the endosperm hardness parameter. The results show that there are differences between bread wheat and spelt wheat on parameters such as the tenacity and tenacity/elasticity ratio of their masses, the water absorption capacity of the flour and the behavior of the dough during kneading. The values for total time to reach maximum pressure and tolerance to mixing were lower for spelt wheat, and higher values were found for the drop at 250 s and 450 s. Regarding the quality of manufactured bread, spelt wheat had the greatest elasticity of the crumb and higher values in the area and diameter of the cells. These differences in the structure and texture of the crumb were also noticed at a sensory level by the panel of judges. It was determined by a descriptive sensory profile that one of the two loaves of bread made with spelt ('Espelta Navarra') was the most complex in the sense of its attributes of scents and flavors altogether. In this study, no differences were appreciated between the two types of wheat or the protein composition, or minerals or viscosity of the starch.

Wireless Power Transfer: Control para máxima transferencia de potencia con enlace resonante inductivo

Este trabajo forma parte del proyecto “Health aware enhanced range wireless power transfer systems”, conocido por el acrónimo de ETHER. Los grupos investigadores que forman parte de ETHER involucran a dos instituciones, Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) y Universidad Politécnica de Madrid (UPM). En este caso, el trabajo ha sido llevado a cabo en el marco del Centro de Electrónica Industrial(CEI) de la UPM. Además, este trabajo es el tercero en una sucesión de estudios realizados por el CEI con el objetivo de lograr implementar un sistema de carga inalámbrica en un marcapasos. Los trabajos previos al desarrollado son los realizados por Miguel Gifford y María Gonzalez. Otros trabajos del CEI han servido de guía. El principal objetivo de la aplicación, es evitar las operaciones que se llevan a cabo actualmente para la sustitución de la batería de los marcapasos implantados en pacientes. Este periodo de sustitución es del orden de cuatro años, lo que depende del tipo de marcapasos y las circunstancias en las que se vea envuelto el paciente. Se pretende lograr la carga del dispositivo causando la menor molestia posible al paciente sin afectar a su salud. El sistema de carga inalámrica o WPT1, está basado en inducción magnética resonante, conocida como RIC2. Esta tecnología se fundamenta en el uso de bobinas acopladas como elemento transmisor de energía. A su vez, la impedancia de estas bobinas, es compensada mediante el uso de condensadores, obteniendo circuitos resonantes. Mediante el uso de RIC se logran mejores características técnicas para la transmisión de energía en el rango medio. Esto permite salvar la distancia entre el elemento generador y la batería del marcapasos, incluso ante la existencia de tejido orgánico entre las dos bobinas. Se han considerado dos posibilidades de configuraci´on del sistema. Dos etapas: se dispone de dos bobinas, emisora y receptora. Esta configuración supone trabajar a altas frecuencias para conseguir transferencia de energías efectivas teniendo en cuenta las especificaciones del marcapasos. Tres etapas: se dispone de tres bobinas, emisora, intermedia y receptora. Se mejora el alcance, permitiendo trabajar a menores frecuencias, pero complicando el control y la implementación del sistema. Sin embargo, el foco de los esfuerzos invertidos en este trabajo, es el estudio del sistema de optimización que se introduce en las configuraciones anteriormente descritas. La optimización se centra en conseguir máxima transferencia de potencia, quedando relegado a un segundo plano el rendimiento. Esto se justifica por las características de la aplicación donde la principal limitación es la viabilidad del sistema. Asímismo, la viabilidad viene impuesta por la potencia que consume el marcapasos y la que es capaz de suministrar el sistema. Este sistema de optimización se basa en la regulación en frecuencia y en la adaptación de la impedancia de carga. Este último método es estudiado, y se basa en lograr una impedancia de carga igual al complejo conjugado de la impedancia de salida, logrando máxima transferencia de potencia. El sistema de optimización hace uso de varias estructuras de control de electrónica de potencia. Inversor: Se sitúa en la etapa emisora y permite controlar la frecuencia de trabajo del sistema. Rectificador activo: Se sitúa en la etapa receptora y controla el desfase entre intensidad y tensión. Convertidor CC-CC: Se sitúa en la etapa receptora, tras el rectificador. Controla la amplitud de la tensión.Mediante el uso conjunto del rectificador y el convertidor es posible controlar la impedancia de la carga. Se ha realizado un análisis teórico para determinar el punto de funcionamiento óptimo del sistema, y posteriormente, se han validado estos resultados mediante simulaciones. Se demuestra que la potencia transferida por el sistema WTP se multiplica por cinco respecto de la solución original, es decir, en ausencia del sistema de optimización. Además se logra mayor robustez, ya que el control activo del sistema proporciona mayor adaptabilidad ante condiciones alejadas de las de diseño. El trabajo realizado se ha prolongado durante un periodo de doscientos días efectivos con una dedicación de 360 horas de trabajo. El coste total asignado al desempeño del trabajo es de 16.678,94 euros.

Funicularity and equilibrium for high-performance conceptual structural design

Las estructuras que trabajan por forma se caracterizan por la íntima e indisociable relación entre geometría y comportamiento estructural. Por consiguiente, la elección de una apropiada geometría es el paso previo indispensable en el diseño conceptual de dichas estructuras. En esa tarea, la selección de las posibles geometrías antifuniculares para las distribuciones de cargas permanentes más habituales son más bien limitadas y, muchas veces, son criterios no estructurales (adaptabilidad funcional, estética, proceso constructivo, etc.) los que no permiten la utilización de dichas geometrías que garantizarían el máximo aprovechamiento del material. En este contexto, esta tesis estudia la posibilidad de obtener una estructura sin momentos flectores incluso si la geometría no es antifunicular para sus cargas permanentes. En efecto, esta tesis presenta un procedimiento, basado en la estática gráfica, que demuestra cómo un conjunto de cargas adicionales, introducidas a través de un sistema de pretensado exterior con elementos post-tesos, puede eliminar los momentos flectores debidos a cargas permanentes en cualquier geometría plana. Esto se traduce en una estructura antifunicular que proporciona respuestas innovadoras a demandas conjuntas de versatilidad arquitectónica y optimización del material. Dicha metodología gráfica ha sido implementada en un software distribuido libremente (EXOEQUILIBRIUM), donde el análisis estructural y la variación geométrica están incluidos en el mismo entorno interactivo y paramétrico. La utilización de estas herramientas permite más versatilidad en la búsqueda de nuevas formas eficientes, lo cual tiene gran importancia en el diseño conceptual de estructuras, liberando al ingeniero de la limitación del propio cálculo y de la incomprensión del comportamiento estructural, facilitando extraordinariamente el hecho creativo a la luz de una metodología de este estilo. Esta tesis incluye la aplicación de estos procedimientos a estructuras de cualquier geometría y distribución inicial de cargas, así como el estudio de diferentes posibles criterios de diseño para optimizar la posición del sistema de post-tesado. Además, la metodología ha sido empleada en el proyecto de maquetas a escala reducida y en la construcción de un pabellón hecho enteramente de cartón, lo que ha permitido obtener una validación física del procedimiento desarrollado. En definitiva, esta tesis expande de manera relevante el rango de posibles geometrías antifuniculares y abre enormes posibilidades para el diseño de estructuras que combinan eficiencia estructural y flexibilidad arquitectónica.Curved structures are characterized by the critical relationship between their geometry and structural behaviour, and selecting an appropriate shape in the conceptual design of such structures is important for achieving materialefficiency. However, the set of bending-free geometries are limited and, often, non-structural design criteria (e.g., usability, architectural needs, aesthetics) prohibit the selection of purely funicular or antifunicular shapes. In response to this issue, this thesis studies the possibility of achieving an axial-only behaviour even if the geometry departs from the ideally bending-free shape. This dissertation presents a new design approach, based on graphic statics that shows how bending moments in a two-dimensional geometry can be eliminated by adding forces through an external post-tensioning system. This results in bending-free structures that provide innovative answers to combined demands on versatility and material optimization. The graphical procedure has been implemented in a free-downloadable design-driven software (EXOEQUILIBRIUM) where structural performance evaluations and geometric variation are embedded within an interactive and parametric working environment. This provides greater versatility in finding new efficient structural configurations during the first design stages, bridging the gap between architectural shaping and structural analysis. The thesis includes the application of the developed graphical procedure to shapes with random curvature and distribution of loads. Furthermore, the effect of different design criteria on the internal force distribution has been analyzed. Finally, the construction of reduced- and large-scale models provides further physical validation of the method and insights about the structural behaviour of these structures. In summary, this work strongly expands the range of possible forms that exhibit a bending-free behaviour and, de facto, opens up new possibilities for designs that combine high-performing solutions with architectural freedom.

Entorno sin cinta para producción de televisión en alta definición

En este proyecto se propone un entorno de producción para televisión en alta definición donde las cintas magnéticas para la captura, modificación, gestión y transferencia de los contenidos audiovisuales, quedan sustituidas por servidores informáticos y sistemas de almacenamiento basados en las tecnologías de la información. Dicho entorno sin cintas tiene como misión la realización de la fase de la producción de los contenidos televisivos. Se trata de un centra independiente, en una ubicación remota respecto a las instalaciones centrales de la empresa emisora de televisión. La conexión del entorno sin cinta con los servicios centrales de la cadena se realiza por medio de redes de datos de alta velocidad y por enlace de radiofrecuencia. Por estos medios los sistemas de redacción comunican datos y escaletas, se reciben las señales de contribución que intervienen en los programas, se envía la serial realizada para emisión y se transfieren los materiales grabados al área de Postproducción para su elaboración final. Se plantean dos estudios de televisión dotados de servidores de video y de un almacenamiento compartido para una gestión ágil, unificada y flexible de las demandas de los programas. Además de la eliminación del lento y pesado trabajo de manipulación de las cintas, la producción resulta mucho mas ágil porque se eliminan tiempos de espera por la posibilidad de acceso simultaneo de varios usuarios a un mismo contenido. También se suprimen los tiempos de digitalización y descarga del material grabado, porque los sistemas implementados permiten la ingesta directa de las señales recibidas. Los contenidos de varias jornadas de grabación, en calidad HD, se conservan en el sistema de almacenamiento para la elaboración de materiales en el propio centra y para su transferencia al departamento central correspondiente. Mediante aplicaciones software se busca la integración del trabajo de la redacción de los programas con los procesos de producción de los estudios. El diseño que se propone para los diferentes subsistemas técnicos de los estudios esta orientado a lograr una alta fiabilidad, operatividad y adaptabilidad a las demandas técnicas de la producción audiovisual de los diferentes tipos de programas. Al tratarse de una propuesta conceptual, de manera general no se basa en equipos de marcas o fabricantes concretos sino mas bien en las metodologías concretas de trabajo. Cuando se ejemplifica algún dispositivo en particular es debido a que el concepto tecnológico del mismo es novedoso destaca de manera especial sobre la generalidad de los equipos existentes para esa funcionalidad. ABSTRACT. This project hopes to propose a television production platform that uses computers, servers and storage systems based on information technologies, rather than video tape recorders for ingesting, editing and making TV programs. This tapeless system has as its mission the production of all kind of television contents, employing IT systems, without the use of magnetic tapes. We envision an independent TV production center located in a remote location, in relation to the main broadcaster facilities, where all communications between this broadcasting center and the remote independent tapeless center would occur via high speed internet and a radiofrequency link as a back up. In this way, the Newsroom systems communicate data and rundowns; contribution feeds are received; PGM signal are codified and transmitted; and stored media are transferred to the post production area for final editing, playout and archive. Two TV studios are proposed, equipped with video servers and sharing media storage for agile, unified and flexible management of the production requirements. Apart from completely eliminating the slow and hard work resulting from handling a lot of traditional magnetic tapes, the production ends up being much quicker due to the fact that there is no waiting time between recording and viewing. This also enables several users to access and view the same material at the same time. The digitalization and downloading time is also greatly reduced due to the direct ingestion of contribution feeds to the system. The HD content of various days of recording, are stored for future use for whichever department needs the footage in the future. Through software applications, there will be complete integration between the Newsroom work and the production process of the studios. The proposed design for the various technical subsystems in the recording studio is directed towards achieving optimum reliability and operational capability: they are easily adaptable to the technical demands of the audiovisual production of the different programs. Because we are dealing with a conceptual proposal, in general terms, we are not defining the brands or manufacturers of the technical equipment, but rather we are specifying the methods which we plan to implement. When some equipment is highlighted, it's only because that specific brand exemplifies a higher performance than any other equipment in the range.

La casa crecedera. El crecimiento programado de la vivienda con innovación europea y economía de medios latinoamericana

El concepto de casa crecedera, tal y como lo conocemos en la actualidad, se acuñó por primera vez en 1932 en el concurso Das Wachsende Haus organizado por Martin Wagner y Hans Poelzig dentro del marco de la Exposición Internacional Sonne, Luft und Haus für alle, promovida por la Oficina de Turismo de la ciudad de Berlín. En dicho concurso, se definía este tipo de vivienda como aquella célula básica o vivienda semilla que, dependiendo de las necesidades y posibilidades de los habitantes, podía crecer mediante otras estancias, conformando una vivienda completa en sí misma en cada fase de crecimiento. Numerosos arquitectos de primer orden, tales como Walter Gropius, Bruno Taut, Erich Mendelsohn o Hans Scharoun, participaron en este concurso, abriendo una nueva vía de exploración dentro de la vivienda flexible, la del crecimiento programado. A partir de ese momento, en Europa, y subsecuentemente en EEUU y otras regiones desarrolladas, se iniciaron numerosas investigaciones teóricas y prácticas en torno al fenómeno del crecimiento en la vivienda desde un enfoque vinculado a la innovación, tanto espacial como técnica. Por otro lado, aunque dentro del marco de la arquitectura popular de otros países, ya se ensayaban viviendas crecederas desde el siglo XVIII debido a que, por su tamaño, eran más asequibles dentro del mercado. Desde los años treinta, numerosos países en vías de desarrollo tuvieron que lidiar con migraciones masivas del campo a la ciudad, por lo que se construyeron grandes conjuntos habitacionales que, en numerosos casos, estaban conformados por viviendas crecederas. En todos ellos, la aproximación al crecimiento de la vivienda se daba desde una perspectiva diferente a la de los países desarrollados. Se primaba la economía de medios, el uso de sistemas constructivos de bajo costo y, en muchos casos, se fomentaba incluso la autoconstrucción guiada, frente a las construcciones prefabricadas ensambladas por técnicos especializados que se proponían, por ejemplo, en los casos europeos. Para realizar esta investigación, se recopiló información de estas y otras viviendas. A continuación, se identificaron distintas maneras de producir el crecimiento, atendiendo a su posición relativa respecto de la vivienda semilla, a las que se denominó mecanismos de ampliación, utilizados indistintamente sin tener en cuenta la ubicación geográfica de cada casa. La cuestión de porqué se prefiere un mecanismo en lugar de otro en un caso determinado, desencadenó el principal objetivo de esta Tesis: la elaboración de un sistema de análisis y diagnóstico de la vivienda crecedera que, de acuerdo a determinados parámetros, permitiera indicar cuál es la ampliación o sucesión de ampliaciones óptimas para una familia concreta, en una ubicación establecida. Se partió de la idea de que el crecimiento de la vivienda está estrechamente ligado a la evolución de la unidad de convivencia que reside en ella, de manera que la casa se transformó en un hábitat dinámico. Además se atendió a la complejidad y variabilidad del fenómeno, sujeto a numerosos factores socio-económicos difícilmente previsibles en el tiempo, pero fácilmente monitorizables según unos patrones determinados vinculados a la normatividad, el número de habitantes, el ahorro medio, etc. Como consecuencia, para el diseño del sistema de optimización de la vivienda crecedera, se utilizaron patrones evolutivos. Dichos patrones, alejados ya del concepto espacial y morfológico usualmente utilizado en arquitectura por figuras como C. Alexander o J. Habraken, pasaron a entenderse como una secuencia de eventos en el tiempo (espaciales, sociales, económicos, legales, etc.), que describen el proceso de transformación y que son peculiares de cada vivienda. De esta manera, el tiempo adquirió una especial importancia al convertirse en otro material más del proyecto arquitectónico. Fue en la construcción de los patrones donde se identificaron los mencionados mecanismos de ampliación, entendidos también como sistemas de compactación de la ciudad a través de la ocupación tridimensional del espacio. Al estudiar la densidad, mediante los conceptos de holgura y hacinamiento, se aceptó la congestión de las ciudades como un valor positivo. De esta forma, las posibles transformaciones realizadas por los habitantes (previstas desde un inicio) sobre el escenario del habitar (vivienda semilla), se convirtieron también en herramientas de proyecto urbano que responden a condicionantes del lugar y de los habitantes con distintas intensidades de crecimiento, ocupación y densidad. Igualmente, en el proceso de diseño del sistema de optimización, se detectaron las estrategias para la adaptabilidad y transformación de la casa crecedera, es decir, aquella serie de acciones encaminadas a la alteración de la vivienda para facilitar su ampliación, y que engloban desde sistemas constructivos en espera, que facilitan las costuras entre crecimiento y vivienda semilla, hasta sistemas espaciales que permiten que la casa altere su uso transformándose en un hábitat productivo o en un artefacto de renta. Así como los mecanismos de ampliación están asociados a la morfología, se descubrió que su uso es independiente de la localización, y que las estrategias de adaptabilidad de la vivienda se encuentran ligadas a sistemas constructivos o procesos de gestión vinculados a una región concreta. De esta manera, la combinación de los mecanismos con las estrategias caracterizan el proceso de evolución de la vivienda, vinculándola a unos determinados condicionantes sociales, geográficos y por tanto, constructivos. Finalmente, a través de la adecuada combinación de mecanismos de ampliación y estrategias de adaptabilidad en el proyecto de la vivienda con crecimiento programado es posible optimizar su desarrollo en términos económicos, constructivos, sociales y espaciales. Como resultado, esto ayudaría no sólo a mejorar la vida de los habitantes de la vivienda semilla en términos cualitativos y cuantitativos, sino también a compactar las ciudades mediante sistemas incluyentes, ya que las casas crecederas proporcionan una mayor complejidad de usos y diversidad de relaciones sociales. ABSTRACT The growing house concept -as we currently know it- was used for the first time back in 1932 in the competition Das Wachsende Haus organized by Martin Wagner and Hans Poelzig during the International Exhibition Sonne, Luft und Haus für alle, promoted by Berlin's Tourist Office. In that competition this type of housing was defined as a basic cell or a seed house unit, and depending on the needs and capabilities of the residents it could grow by adding rooms and defining itself as a complete house unit during each growing stage. Many world-top class architects such as Walter Gropius, Bruno Taut, Erich Mendelsohn or Hans Scharoun, were part of this competition exploring a new path in the flexible housing field, the scheduled grownth. From that moment and on, in Europe -and subsequently in the USA and other developed areas- many theorical and pragmatical researchs were directed towards the growing house phenomena, coming from an initial approach related to innovation, spacial and technical innovation. Furthermore -inside the traditional architecture frame in other countries, growing houses were already tested in the XVIII century- mainly due to the size were more affordable in the Real State Market. Since the 30's decade many developing countries had to deal with massive migration movements from the countryside to cities, building large housing developments were -in many cases- formed by growing housing units. In all of these developing countries the growing house approach was drawn from a different perspective than in the developed countries. An economy of means was prioritized, the utilization of low cost construction systems and -in many cases- a guided self-construction was prioritized versus the prefabricated constructions set by specialized technics that were proposed -for instance- in the European cases. To proceed with this research, information from these -and other- housing units was gathered. From then and on different ways to perform the growing actions were identified, according to its relative position from the seed house unit, these ways were named as addition or enlargement mechanisms indifferently utilized without adknowledging the geographic location for each house. The question of why one addition mechanism is preferred over another in any given case became the main target of this Thesis; the ellaboration of an analysis and diagnosis system for the growing house -according to certain parameters- would allow to point out which is the addition or addition process more efficient for a certain family in a particular location. As a starting point the grownth of the housing unit is directly linked to the evolution of the family unit that lives on it, so the house becomes a dynamic habitat. The complexity and the variability of the phenomena was taken into consideration related to a great number of socio-economic factors hardly able to be foreseen ahead on time but easy to be monitored according to certain patterns linked to regulation, population, average savings, etc As a consequence, to design the optimization system for the growing house, evolutionary patterns were utilized. Those patterns far away from the spatial and morphologic concept normally utilized in Architecture by characters like C. Alexander or J. Habraken, started to be understood like a sequence of events on time (spatial events, social events, economic events, legal events, etc) that describes the transformation process and that are particular for each housing unit. Therefore time became something important as another ingredient in the Architectural Project. The before mentioned addition or enlargement mechanisms were identified while building the patterns; these mechanisms were also understood as city's system of compactation through the tridimendional ocupation of space. Studying density, thorough the concepts of comfort and overcrowding, traffic congestion in the city was accepted as a positive value. This way, the possible transformations made by the residents (planned from the begining) about the residencial scenary (seed house), also became tools of the urban project that are a response to site's distinctive features and to the residents with different grownth intensities, activities and density Likewise, during the process of designing the optimization system, strategies for adaptations and transformation of the growing house were detected, in other words, the serial chain of actions directed to modify the house easing its enlargement or addition, and that comprehends from constructive systems on hold -that smooths the costures between grownth and housing seed- to spatial systems that allows that the house modify its utilization, becoming a productive habitat or a rental asset. Because the enlargement mechanisms are linked to the morphology, it was discovered that the use it's not related to the location, and that the adaptation strategies of the houses are linked to constructive systems or management processes linked to a particular area. This way the combination of mechanisms and strategies characterizes the process of housing evolution, linking it to certain social and geographic peculiarities and therefore constructives. At last, through the certain combination of enlargement mechanisms and adaptability strategies in the housing with scheduled grownth project is possible to optimize its development in economic, constructive, social and spatial terms. As a result, this would help not only to improve the life of the seed house residents in qualitative and quantitative terms but also to compact the cities through inclusive systems, given that the growing houses provide a larger complexity of uses and social relations.