Bayesian scene analysis for multi-camera 3D tracking and camera positioning

Los sistemas de seguimiento mono-cámara han demostrado su notable capacidad para el análisis de trajectorias de objectos móviles y para monitorización de escenas de interés; sin embargo, tanto su robustez como sus posibilidades en cuanto a comprensión semántica de la escena están fuertemente limitadas por su naturaleza local y monocular, lo que los hace insuficientes para aplicaciones realistas de videovigilancia. El objetivo de esta tesis es la extensión de las posibilidades de los sistemas de seguimiento de objetos móviles para lograr un mayor grado de robustez y comprensión de la escena. La extensión propuesta se divide en dos direcciones separadas. La primera puede considerarse local, ya que está orientada a la mejora y enriquecimiento de las posiciones estimadas para los objetos móviles observados directamente por las cámaras del sistema; dicha extensión se logra mediante el desarrollo de un sistema multi-cámara de seguimiento 3D, capaz de proporcionar consistentemente las posiciones 3D de múltiples objetos a partir de las observaciones capturadas por un conjunto de sensores calibrados y con campos de visión solapados. La segunda extensión puede considerarse global, dado que su objetivo consiste en proporcionar un contexto global para relacionar las observaciones locales realizadas por una cámara con una escena de mucho mayor tamaño; para ello se propone un sistema automático de localización de cámaras basado en las trayectorias observadas de varios objetos móviles y en un mapa esquemático de la escena global monitorizada. Ambas líneas de investigación se tratan utilizando, como marco común, técnicas de estimación bayesiana: esta elección está justificada por la versatilidad y flexibilidad proporcionada por dicho marco estadístico, que permite la combinación natural de múltiples fuentes de información sobre los parámetros a estimar, así como un tratamiento riguroso de la incertidumbre asociada a las mismas mediante la inclusión de modelos de observación específicamente diseñados. Además, el marco seleccionado abre grandes posibilidades operacionales, puesto que permite la creación de diferentes métodos numéricos adaptados a las necesidades y características específicas de distintos problemas tratados. El sistema de seguimiento 3D con múltiples cámaras propuesto está específicamente diseñado para permitir descripciones esquemáticas de las medidas realizadas individualmente por cada una de las cámaras del sistema: esta elección de diseño, por tanto, no asume ningún algoritmo específico de detección o seguimiento 2D en ninguno de los sensores de la red, y hace que el sistema propuesto sea aplicable a redes reales de vigilancia con capacidades limitadas tanto en términos de procesamiento como de transmision. La combinación robusta de las observaciones capturadas individualmente por las cámaras, ruidosas, incompletas y probablemente contaminadas por falsas detecciones, se basa en un metodo de asociación bayesiana basado en geometría y color: los resultados de dicha asociación permiten el seguimiento 3D de los objetos de la escena mediante el uso de un filtro de partículas. El sistema de fusión de observaciones propuesto tiene, como principales características, una gran precisión en términos de localización 3D de objetos, y una destacable capacidad de recuperación tras eventuales errores debidos a un número insuficiente de datos de entrada. El sistema automático de localización de cámaras se basa en la observación de múltiples objetos móviles y un mapa esquemático de las áreas transitables del entorno monitorizado para inferir la posición absoluta de dicho sensor. Para este propósito, se propone un novedoso marco bayesiano que combina modelos dinámicos inducidos por el mapa en los objetos móviles presentes en la escena con las trayectorias observadas por la cámara, lo que representa un enfoque nunca utilizado en la literatura existente. El sistema de localización se divide en dos sub-tareas diferenciadas, debido a que cada una de estas tareas requiere del diseño de algoritmos específicos de muestreo para explotar en profundidad las características del marco desarrollado: por un lado, análisis de la ambigüedad del caso específicamente tratado y estimación aproximada de la localización de la cámara, y por otro, refinado de la localización de la cámara. El sistema completo, diseñado y probado para el caso específico de localización de cámaras en entornos de tráfico urbano, podría tener aplicación también en otros entornos y sensores de diferentes modalidades tras ciertas adaptaciones. ABSTRACT Mono-camera tracking systems have proved their capabilities for moving object trajectory analysis and scene monitoring, but their robustness and semantic possibilities are strongly limited by their local and monocular nature and are often insufficient for realistic surveillance applications. This thesis is aimed at extending the possibilities of moving object tracking systems to a higher level of scene understanding. The proposed extension comprises two separate directions. The first one is local, since is aimed at enriching the inferred positions of the moving objects within the area of the monitored scene directly covered by the cameras of the system; this task is achieved through the development of a multi-camera system for robust 3D tracking, able to provide 3D tracking information of multiple simultaneous moving objects from the observations reported by a set of calibrated cameras with semi-overlapping fields of view. The second extension is global, as is aimed at providing local observations performed within the field of view of one camera with a global context relating them to a much larger scene; to this end, an automatic camera positioning system relying only on observed object trajectories and a scene map is designed. The two lines of research in this thesis are addressed using Bayesian estimation as a general unifying framework. Its suitability for these two applications is justified by the flexibility and versatility of that stochastic framework, which allows the combination of multiple sources of information about the parameters to estimate in a natural and elegant way, addressing at the same time the uncertainty associated to those sources through the inclusion of models designed to this end. In addition, it opens multiple possibilities for the creation of different numerical methods for achieving satisfactory and efficient practical solutions to each addressed application. The proposed multi-camera 3D tracking method is specifically designed to work on schematic descriptions of the observations performed by each camera of the system: this choice allows the use of unspecific off-the-shelf 2D detection and/or tracking subsystems running independently at each sensor, and makes the proposal suitable for real surveillance networks with moderate computational and transmission capabilities. The robust combination of such noisy, incomplete and possibly unreliable schematic descriptors relies on a Bayesian association method, based on geometry and color, whose results allow the tracking of the targets in the scene with a particle filter. The main features exhibited by the proposal are, first, a remarkable accuracy in terms of target 3D positioning, and second, a great recovery ability after tracking losses due to insufficient input data. The proposed system for visual-based camera self-positioning uses the observations of moving objects and a schematic map of the passable areas of the environment to infer the absolute sensor position. To this end, a new Bayesian framework combining trajectory observations and map-induced dynamic models for moving objects is designed, which represents an approach to camera positioning never addressed before in the literature. This task is divided into two different sub-tasks, setting ambiguity analysis and approximate position estimation, on the one hand, and position refining, on the other, since they require the design of specific sampling algorithms to correctly exploit the discriminative features of the developed framework. This system, designed for camera positioning and demonstrated in urban traffic environments, can also be applied to different environments and sensors of other modalities after certain required adaptations.

Los árboles singulares en el paisaje. Propuesta de un modelo para su evaluación: el caso del territorio histórico de Álava

La Tesis Doctoral que se presenta trata de profundizar en el conocimiento del patrimonio arbóreo, en la cuestión de la evaluación y la singularidad a nivel de ejemplares y agrupaciones. La metodología incorpora nuevas herramientas, modelos y criterios utilizados en la valoración del paisaje y de los recursos naturales. Siendo el árbol un generador de espacio y habitats, solo o en masa, es vínculo entre la naturaleza y el ser humano, las comunidades y sus costumbres. Desde estos parámetros se indagan los procesos que permiten estimar el significado, la importancia y el valor del árbol para llevarlo a una consideración de Singular y/o Monumental. El estudio se basa en los sistemas de catalogación, tras el reconocimiento, localization y selección de ejemplares. Así mismo, se explora la relación sistémica entre árbol y entorno para poner de relieve la importancia del árbol en la configuración de determinados paisajes culturales y ecológicos -como son los robledales de antiguos trasmochos en Euskadi-. Sobre un primer inventario se realiza un estudio pormenorizado de cada árbol registrado y, en un procedimiento paramétrico, se definen criterios -ecológicos y paisajísticos, etnográficos y culturales- de selección de elementos y de evaluación. La obtención de distintos índices de singularidad para los árboles, utilizando modelos tanto cualitativos como cuantitativos, sirve como vía hacia una categorization de los árboles muestreados. A partir de la figura de "Árbol Singular", recogida en la Ley 16/ 1994, de Conservación de la Naturaleza del País Vasco se realiza una revisión del marco legislativo y el régimen de protección, haciendo un análisis a nivel local, autonómico y estatal. Dicho examen pone de manifiesto la diversidad de contextos y significados bajo los que se presentan los árboles. Se muestra también una (in)definición: cierta ambigüedad en torno a la definición que induce a diferentes interpretaciones y nomenclaturas en un intento de delimitar la categoría para regularlo jurídicamente. Estas figuras concebidas desde las políticas de protección ambiental, no siempre resultan del todo efectivas. El Catálogo de Árboles Singulares del País Vasco, creado por Decreto como instrumento para poner en valor estos recursos naturales, no ha sido actualizado desde hace casi veinte años. Sin embargo, se han llevado a cabo iniciativas de ampliación como el trabajo impulsado por el Departamento de Medio Ambiente y Biodiversidad de la Diputación Foral de Álava para el inventario de los árboles singulares del Territorio Histórico de Álava y la propuesta de catálogo a partir del cual se desarrolla esta Tesis Doctoral. Desde estas reflexiones y el desarrollo de modelos para la evaluación y catalogación de los ejemplares registrados, la investigación trata de descifrar cómo observamos a los árboles con los que nos vinculamos, cómo son identificados, a través de qué otros parámetros intangibles les damos valor, y por qué necesitamos clasificarlos. El trabajo concluye con propuestas y acciones alternativas para la conservación y mejora de los árboles que se proponen como singulares, entre ellas, la divulgación y la sensibilización para garantizar el compromiso y la ampliación en el futuro de un catálogo abierto para los árboles de interés. ABSTRACT The PhD thesis here presented tries to deepen the knowledge of tree heritage, the issue of evaluation and singularity where it comes to either specimen or groups. The methodology includes new tools, models and criteria to be used in the assessment of landscape and natural resources. With the tree being a creator of space and habitats, alone or in groups, it is a link between nature and humans, societies and their habits. Using these parameters processes are being sought after: processes that allow us to assess the meaning, the importance and the value of trees in order to lead us to considering a tree as being a 'Singular tree' and/or 'Heritage tree'. The research is based on cataloging systems, after recognizing, localizing and selecting of specimen. This way, the systemic relation between the tree and its surrounding is being explored to get a view on the importance of trees in certain cultural and ecological landscapes -such as the oak fields consisting of ancient pollards in the Basque Country-. After a first inventory a detailed study is performed of each registered tree and, using a parametric method, criteria for selection of elements and evaluation are defined -ecological and those concerning the landscape, as well as ethnographical and cultural-. The creation of different indexes of singularity for trees, using qualitative as well as quantitative models, serves as a way to categorize the selected trees. A revision is done on legislation and the protection regimen, analyzing on a local, autonomic state and national level, parting from the concept of the Singular Tree, as included in the Law 16/1994, of Nature Conservation of Basque Coutry. This review proves the diversity of contexts and meanings in which the trees are being presented. Also an (un)definition appears; certain ambiguity of the definition which induces different interpretations and nomenclatures in an attempt to limit categorization in order to legally regulate. These concepts created out of environment protection politics do not always turn out to be completely effective. The Catalogue of Singular Trees in the Basque Country, created by decree as an instrument to value these natural resources, has not been updated since almost twenty years. However, there have been initiatives of amplification such as the work promoted by the Environment and Biodiversity Service of Provincial Council of Alava to create the inventory of singular trees of the Historical Territory of Álava and the catalogue proposal which forms the starting point of this PhD thesis. Parting from these considerations and the development of models for evaluation and cataloging of the registered specimen, the investigation attempts to unravel the way we observe the trees with which we link, how they are identified, by which intangible parameters we assess them and why we need to classify them. This study ends with proposals and alternative actions for the conservation and improvement of the trees that are being proposed as being singular. Among them are the publication and creating of awareness to guarantee the commitment and the development of an open catalogue for significant trees.

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

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

Applications of Formal Languages to Management of Manned and Unmanned Aircraft

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

En un intervalo del límite : una nueva lectura del movimiento moderno desde la realidad virtual de lo ambiguo

Esta tesis doctoral busca estudiar el espacio desde la premisa de que el espacio es, fundamentalmente, lo intermedio. El entre, lo que hay entre las cosas mismas y que les da, precisamente, su definición como cosas en un constante proceso de delimitación. Este entre, lo que hay entre las cosas, no es sin embargo un resto que queda, sino bien al contrario el principio activo que hace que las cosas, desde lo que hay alrededor, se configuren en su ser sensible y puedan percibirse. El entre, lo intermedio, no es así una línea, un corte puro, sino un intervalo, un espacio en sí mismo, un ámbito en que se desarrolla un proceso. Es por tanto un espacio de formación, en el que las cosas aún no son y ya están siendo, un intervalo ambiguo pleno de virtualidades, unas desplegadas otras que permanecen en espera, siempre en movimiento. Es la hipótesis principal de esta tesis que en el llamado Movimiento Moderno en la arquitectura del siglo veinte esta condición ambigua del límite se pone de manifiesto como la raíz articuladora de los cambios espaciales y formales que definen su ser y su estética. Para desarrollar esta hipótesis, se parte de una doble premisa: por una parte, como un entre que es en sí misma, la arquitectura se encuentra delimitada por las disciplinas artísticas contemporáneas, especialmente pintura y escultura y a la vez las delimita. Por tanto, se explorarán una serie de momentos claves en las vanguardias de comienzos del siglo veinte en paralelo a una serie de arquitecturas contemporáneas para estudiar esta doble dialéctica entre límites. Por otra parte, y entendiendo que lo propio de la arquitectura es el espacio, se estudiarán en profundidad las concepciones espaciales que en la física y la estética del finales del siglo diecinueve y principios del veinte se desarrollan, para comprender cómo estas nuevas concepciones, centradas en las ideas de relatividad y de espacio-tiempo como magnitudes interlimitadas, determinan a su vez las concepciones espaciales que se desarrollan simultáneamente en las artes plásticas y en la arquitectura. La tríada espacio/tiempo/luz regirá este recorrido, en un doble camino: a través de la física y la teoría del arte, y a través de la arquitectura y las artes plásticas. Se trata por tanto de incardinar la arquitectura en su contexto artístico y científico, y comprobar cómo la comprensión del espacio como un entre, como un intervalo del límite y no como un absoluto trascendente, se generaliza en dichos ámbitos en una exploración paralela que condiciona los resultados en todos ellos y que define, por tanto, la arquitectura de la modernidad como una arquitectura del entre. El encuadre enmarca como motivo principal el Movimiento Moderno a través de la figura de Le Corbusier. Se muestra el modo en que los recursos y mecanismos empleados provocan el encuentro del espacio indecible a través de la polifonía de las artes. Desde el espaciamiento del límite, su borradura, su ambigüedad, producidos mediante el entrelazamiento de los recursos artísticos, la continuidad de lo lineal, el encabalgamiento, el maridaje, la ambivalencia, la relatividad del color y la luz, el intersticio. Ello se analiza a través de la obra de le Corbusier, destacando la dialéctica entre Le Cheminée y Nature morte aux nombreux objets; Ma maison y el pabellón del Zurichhorn; Unité y L’espace indicible. Aclaradas las premisas fundamentales y las consecuencias inmediatas para la arquitectura del Movimiento Moderno, la cuarta parte y final de la tesis, mucho más breve que las anteriores, expone una primera aproximación a las consecuencias que todo esto ha tenido en un momento liminal también: el comienzo de la postmodernidad. En realidad se trata de una apertura a lo que ha de venir, pues establecida la operatividad de la hipóteisi inicial, se trata aquí solamente de abrir el camino a una interpretación que en realidad escapa del alcance de esta tesis. Así se deja apuntado cómo, a través de la obra de tres arquitectos, teóricos y artistas trabajando en los años setenta y comienzos de los ochenta del pasado siglo, una comprensión más clara de la revolución moderna precipitada por esta nueva comprensión del espacio como límite-entre queda patente. Chamberworks de Daniel Libeskind, Wexner Center for the Visual Arts de Peter Eisenman y Manhattan Transcripts de Bernard Tschumi servirían de privilegiados ejemplo. Como queda patente que las consecuencias de todo ello aún las estamos sintiendo en nuestra contemporaneidad. ABSTRACT This thesis aims to study the space from the premise that space is mainly the in-between. The in-between, what is in-between the things themselves and gives them precisely its definition as things in a constant process of delimitation. This in-between, what is in between things, is not a remnant that remains, but on the contrary it is the active ingredient that produces things from what is around, that configures them in a sensitive to be perceived. The in-between, the intermediate, is not a line, a pure cut, but an interval, a space in itself, an area in which a process is developed. It is therefore a space in development, where things are still not and already been, delimiting an ambiguous range full of potentialities, some present and others that remain only as virtualities. It is the main hypothesis of this thesis that in the so-called Modern Movement in the architecture of the twentieth century this ambiguous boundary condition is revealed as the result of the articulatation of spatial and formal changes. To develop this hypothesis, I posit this double premise: On the one hand, as an in-between which is in itself, architecture is defined by contemporary artistic disciplines, especially painting and sculpture and simultaneously defines them. Therefore, a number of key moments in the avantgarde of the early twentieth century in parallel with a number of contemporary architecture to study this double dialectic between boundaries will be explored. On the other hand, and considering that the “essence” of the architecture is space, I will study in depth the spatial concepts in physics and aesthetics of late-nineteenth century and early twentieth century to understand how these new concepts centered on the ideas of relativity and space-time as interlimited magnitudes in turn determine the spatial conceptions that take place simultaneously in the visual arts and architecture. The space / time / light triad governs this journey in a double way: through physics and theory of art, and through architecture and the arts. The aim is to anchor architecture in its artistic and scientific context, and to see how the understanding of space as an in-between interval and not as an absolute transcendent determines the results in all of them, defining, therefore, the architecture of modernity as an architecture of the in-between. The frame of the study is centered in the modern movement through the figure of Le Corbusier and how rthe different resources and mechanisms employed provoke an unspeakable space of encounter through the polyphony of the arts. From the spacing of the limit, its erasure, its ambiguity, produced by the intertwining of artistic resources to continuity of the linear, the marriage, the ambivalence, the relativity of color and light, the gap. All this is analyzed through the work of Le Corbusier, highlighting the dialectic between Le Cheminée and Nature morte aux nombreux objets, Ma maison and Zürichhorn pavilion, Unité and L’espace indicible. Once the basic premises and immediate consequences for the architecture of the Modern Movement are set, the fourth and final part of the thesis aims to explore the impact that all this has had in another liminal time: the beginning of postmodernism. Of course, this part is shorter, in fact it is more a prospective survey and an opening of possibilities than a truly articulated body of theory, since the conceptual core of this thesis has been developed in the central part. Hence, through the work of three architects, theorists and artists working in the seventies and early eighties of last century, a clearer understanding of the modern revolution precipitated by this new understanding of space as a boundary- between is proposed. Chamberworks by Daniel Libeskind, Wexner Center for the Visual Arts by Peter Eisenman and Manhattan Transcripts by Bernard Tschumi will exemplify this approach. The consequences of all this are still haunting our contemporaneity.