Optical systems design using the SMS method and optimizations

Resumen El diseño de sistemas ópticos, entendido como un arte por algunos, como una ciencia por otros, se ha realizado durante siglos. Desde los egipcios hasta nuestros días los sistemas de formación de imagen han ido evolucionando así como las técnicas de diseño asociadas. Sin embargo ha sido en los últimos 50 años cuando las técnicas de diseño han experimentado su mayor desarrollo y evolución, debido, en parte, a la aparición de nuevas técnicas de fabricación y al desarrollo de ordenadores cada vez más potentes que han permitido el cálculo y análisis del trazado de rayos a través de los sistemas ópticos de forma rápida y eficiente. Esto ha propiciado que el diseño de sistemas ópticos evolucione desde los diseños desarrollados únicamente a partir de la óptica paraxial hasta lo modernos diseños realizados mediante la utilización de diferentes técnicas de optimización multiparamétrica. El principal problema con el que se encuentra el diseñador es que las diferentes técnicas de optimización necesitan partir de un diseño inicial el cual puede fijar las posibles soluciones. Dicho de otra forma, si el punto de inicio está lejos del mínimo global, o diseño óptimo para las condiciones establecidas, el diseño final puede ser un mínimo local cerca del punto de inicio y lejos del mínimo global. Este tipo de problemática ha llevado al desarrollo de sistemas globales de optimización que cada vez sean menos sensibles al punto de inicio de la optimización. Aunque si bien es cierto que es posible obtener buenos diseños a partir de este tipo de técnicas, se requiere de muchos intentos hasta llegar a la solución deseada, habiendo un entorno de incertidumbre durante todo el proceso, puesto que no está asegurado el que se llegue a la solución óptima. El método de las Superficies Múltiples Simultaneas (SMS), que nació como una herramienta de cálculo de concentradores anidólicos, se ha demostrado como una herramienta también capaz utilizarse para el diseño de sistemas ópticos formadores de imagen, aunque hasta la fecha se ha utilizado para el diseño puntual de sistemas de formación de imagen. Esta tesis tiene por objeto presentar el SMS como un método que puede ser utilizado de forma general para el diseño de cualquier sistema óptico de focal fija o v afocal con un aumento definido así como una herramienta que puede industrializarse para ayudar al diseñador a afrontar de forma sencilla el diseño de sistemas ópticos complejos. Esta tesis está estructurada en cinco capítulos: El capítulo 1, es un capítulo de fundamentos donde se presentan los conceptos fundamentales necesarios para que el lector, aunque no posea una gran base en óptica formadora de imagen, pueda entender los planteamientos y resultados que se presentan en el resto de capítulos El capitulo 2 aborda el problema de la optimización de sistemas ópticos, donde se presenta el método SMS como una herramienta idónea para obtener un punto de partida para el proceso de optimización. Mediante un ejemplo aplicado se demuestra la importancia del punto de partida utilizado en la solución final encontrada. Además en este capítulo se presentan diferentes técnicas que permiten la interpolación y optimización de las superficies obtenidas a partir de la aplicación del SMS. Aunque en esta tesis se trabajará únicamente utilizando el SMS2D, se presenta además un método para la interpolación y optimización de las nubes de puntos obtenidas a partir del SMS3D basado en funciones de base radial (RBF). En el capítulo 3 se presenta el diseño, fabricación y medidas de un objetivo catadióptrico panorámico diseñado para trabajar en la banda del infrarrojo lejano (8-12 μm) para aplicaciones de vigilancia perimetral. El objetivo presentado se diseña utilizando el método SMS para tres frentes de onda de entrada utilizando cuatro superficies. La potencia del método de diseño utilizado se hace evidente en la sencillez con la que este complejo sistema se diseña. Las imágenes presentadas demuestran cómo el prototipo desarrollado cumple a la perfección su propósito. El capítulo 4 aborda el problema del diseño de sistemas ópticos ultra compactos, se introduce el concepto de sistemas multicanal, como aquellos sistemas ópticos compuestos por una serie de canales que trabajan en paralelo. Este tipo de sistemas resultan particularmente idóneos para él diseño de sistemas afocales. Se presentan estrategias de diseño para sistemas multicanal tanto monocromáticos como policromáticos. Utilizando la novedosa técnica de diseño que en este capítulo se presenta el diseño de un telescopio de seis aumentos y medio. En el capítulo 5 se presenta una generalización del método SMS para rayos meridianos. En este capítulo se presenta el algoritmo que debe utilizarse para el diseño de cualquier sistema óptico de focal fija. La denominada optimización fase 1 se vi introduce en el algoritmo presentado de forma que mediante el cambio de las condiciones iníciales del diseño SMS que, aunque el diseño se realice para rayos meridianos, los rayos skew tengan un comportamiento similar. Para probar la potencia del algoritmo desarrollado se presenta un conjunto de diseños con diferente número de superficies. La estabilidad y potencia del algoritmo se hace evidente al conseguirse por primera vez el diseño de un sistema de seis superficies diseñado por SMS. vii Abstract The design of optical systems, considered an art by some and a science by others, has been developed for centuries. Imaging optical systems have been evolving since Ancient Egyptian times, as have design techniques. Nevertheless, the most important developments in design techniques have taken place over the past 50 years, in part due to the advances in manufacturing techniques and the development of increasingly powerful computers, which have enabled the fast and efficient calculation and analysis of ray tracing through optical systems. This has led to the design of optical systems evolving from designs developed solely from paraxial optics to modern designs created by using different multiparametric optimization techniques. The main problem the designer faces is that the different optimization techniques require an initial design which can set possible solutions as a starting point. In other words, if the starting point is far from the global minimum or optimal design for the set conditions, the final design may be a local minimum close to the starting point and far from the global minimum. This type of problem has led to the development of global optimization systems which are increasingly less sensitive to the starting point of the optimization process. Even though it is possible to obtain good designs from these types of techniques, many attempts are necessary to reach the desired solution. This is because of the uncertain environment due to the fact that there is no guarantee that the optimal solution will be obtained. The Simultaneous Multiple Surfaces (SMS) method, designed as a tool to calculate anidolic concentrators, has also proved useful for the design of image-forming optical systems, although until now it has occasionally been used for the design of imaging systems. This thesis aims to present the SMS method as a technique that can be used in general for the design of any optical system, whether with a fixed focal or an afocal with a defined magnification, and also as a tool that can be commercialized to help designers in the design of complex optical systems. The thesis is divided into five chapters. Chapter 1 establishes the basics by presenting the fundamental concepts which the reader needs to acquire, even if he/she doesn‟t have extensive knowledge in the field viii of image-forming optics, in order to understand the steps taken and the results obtained in the following chapters. Chapter 2 addresses the problem of optimizing optical systems. Here the SMS method is presented as an ideal tool to obtain a starting point for the optimization process. The importance of the starting point for the final solution is demonstrated through an example. Additionally, this chapter introduces various techniques for the interpolation and optimization of the surfaces obtained through the application of the SMS method. Even though in this thesis only the SMS2D method is used, we present a method for the interpolation and optimization of clouds of points obtained though the SMS3D method, based on radial basis functions (RBF). Chapter 3 presents the design, manufacturing and measurement processes of a catadioptric panoramic lens designed to work in the Long Wavelength Infrared (LWIR) (8-12 microns) for perimeter surveillance applications. The lens presented is designed by using the SMS method for three input wavefronts using four surfaces. The powerfulness of the design method used is revealed through the ease with which this complex system is designed. The images presented show how the prototype perfectly fulfills its purpose. Chapter 4 addresses the problem of designing ultra-compact optical systems. The concept of multi-channel systems, such as optical systems composed of a series of channels that work in parallel, is introduced. Such systems are especially suitable for the design of afocal systems. We present design strategies for multichannel systems, both monochromatic and polychromatic. A telescope designed with a magnification of six-and-a-half through the innovative technique exposed in this chapter is presented. Chapter 5 presents a generalization of the SMS method for meridian rays. The algorithm to be used for the design of any fixed focal optics is revealed. The optimization known as phase 1 optimization is inserted into the algorithm so that, by changing the initial conditions of the SMS design, the skew rays have a similar behavior, despite the design being carried out for meridian rays. To test the power of the developed algorithm, a set of designs with a different number of surfaces is presented. The stability and strength of the algorithm become apparent when the first design of a system with six surfaces if obtained through the SMS method.

Design and control of multi-finger haptic devices for dexterous manipulation

En la interacción con el entorno que nos rodea durante nuestra vida diaria (utilizar un cepillo de dientes, abrir puertas, utilizar el teléfono móvil, etc.) y en situaciones profesionales (intervenciones médicas, procesos de producción, etc.), típicamente realizamos manipulaciones avanzadas que incluyen la utilización de los dedos de ambas manos. De esta forma el desarrollo de métodos de interacción háptica multi-dedo dan lugar a interfaces hombre-máquina más naturales y realistas. No obstante, la mayoría de interfaces hápticas disponibles en el mercado están basadas en interacciones con un solo punto de contacto; esto puede ser suficiente para la exploración o palpación del entorno pero no permite la realización de tareas más avanzadas como agarres. En esta tesis, se investiga el diseño mecánico, control y aplicaciones de dispositivos hápticos modulares con capacidad de reflexión de fuerzas en los dedos índice, corazón y pulgar del usuario. El diseño mecánico de la interfaz diseñada, ha sido optimizado con funciones multi-objetivo para conseguir una baja inercia, un amplio espacio de trabajo, alta manipulabilidad y reflexión de fuerzas superiores a 3 N en el espacio de trabajo. El ancho de banda y la rigidez del dispositivo se han evaluado mediante simulación y experimentación real. Una de las áreas más importantes en el diseño de estos dispositivos es el efector final, ya que es la parte que está en contacto con el usuario. Durante este trabajo se ha diseñado un dedal de bajo peso, adaptable a diferentes usuarios que, mediante la incorporación de sensores de contacto, permite estimar fuerzas normales y tangenciales durante la interacción con entornos reales y virtuales. Para el diseño de la arquitectura de control, se estudiaron los principales requisitos para estos dispositivos. Entre estos, cabe destacar la adquisición, procesado e intercambio a través de internet de numerosas señales de control e instrumentación; la computación de equaciones matemáticas incluyendo la cinemática directa e inversa, jacobiana, algoritmos de detección de agarres, etc. Todos estos componentes deben calcularse en tiempo real garantizando una frecuencia mínima de 1 KHz. Además, se describen sistemas para manipulación de precisión virtual y remota; así como el diseño de un método denominado "desacoplo cinemático iterativo" para computar la cinemática inversa de robots y la comparación con otros métodos actuales. Para entender la importancia de la interacción multimodal, se ha llevado a cabo un estudio para comprobar qué estímulos sensoriales se correlacionan con tiempos de respuesta más rápidos y de mayor precisión. Estos experimentos se desarrollaron en colaboración con neurocientíficos del instituto Technion Israel Institute of Technology. Comparando los tiempos de respuesta en la interacción unimodal (auditiva, visual y háptica) con combinaciones bimodales y trimodales de los mismos, se demuestra que el movimiento sincronizado de los dedos para generar respuestas de agarre se basa principalmente en la percepción háptica. La ventaja en el tiempo de procesamiento de los estímulos hápticos, sugiere que los entornos virtuales que incluyen esta componente sensorial generan mejores contingencias motoras y mejoran la credibilidad de los eventos. Se concluye que, los sistemas que incluyen percepción háptica dotan a los usuarios de más tiempo en las etapas cognitivas para rellenar información de forma creativa y formar una experiencia más rica. Una aplicación interesante de los dispositivos hápticos es el diseño de nuevos simuladores que permitan entrenar habilidades manuales en el sector médico. En colaboración con fisioterapeutas de Griffith University en Australia, se desarrolló un simulador que permite realizar ejercicios de rehabilitación de la mano. Las propiedades de rigidez no lineales de la articulación metacarpofalange del dedo índice se estimaron mediante la utilización del efector final diseñado. Estos parámetros, se han implementado en un escenario que simula el comportamiento de la mano humana y que permite la interacción háptica a través de esta interfaz. Las aplicaciones potenciales de este simulador están relacionadas con entrenamiento y educación de estudiantes de fisioterapia. En esta tesis, se han desarrollado nuevos métodos que permiten el control simultáneo de robots y manos robóticas en la interacción con entornos reales. El espacio de trabajo alcanzable por el dispositivo háptico, se extiende mediante el cambio de modo de control automático entre posición y velocidad. Además, estos métodos permiten reconocer el gesto del usuario durante las primeras etapas de aproximación al objeto para su agarre. Mediante experimentos de manipulación avanzada de objetos con un manipulador y diferentes manos robóticas, se muestra que el tiempo en realizar una tarea se reduce y que el sistema permite la realización de la tarea con precisión. Este trabajo, es el resultado de una colaboración con investigadores de Harvard BioRobotics Laboratory. ABSTRACT When we interact with the environment in our daily life (using a toothbrush, opening doors, using cell-phones, etc.), or in professional situations (medical interventions, manufacturing processes, etc.) we typically perform dexterous manipulations that involve multiple fingers and palm for both hands. Therefore, multi-Finger haptic methods can provide a realistic and natural human-machine interface to enhance immersion when interacting with simulated or remote environments. Most commercial devices allow haptic interaction with only one contact point, which may be sufficient for some exploration or palpation tasks but are not enough to perform advanced object manipulations such as grasping. In this thesis, I investigate the mechanical design, control and applications of a modular haptic device that can provide force feedback to the index, thumb and middle fingers of the user. The designed mechanical device is optimized with a multi-objective design function to achieve a low inertia, a large workspace, manipulability, and force-feedback of up to 3 N within the workspace; the bandwidth and rigidity for the device is assessed through simulation and real experimentation. One of the most important areas when designing haptic devices is the end-effector, since it is in contact with the user. In this thesis the design and evaluation of a thimble-like, lightweight, user-adaptable, and cost-effective device that incorporates four contact force sensors is described. This design allows estimation of the forces applied by a user during manipulation of virtual and real objects. The design of a real-time, modular control architecture for multi-finger haptic interaction is described. Requirements for control of multi-finger haptic devices are explored. Moreover, a large number of signals have to be acquired, processed, sent over the network and mathematical computations such as device direct and inverse kinematics, jacobian, grasp detection algorithms, etc. have to be calculated in Real Time to assure the required high fidelity for the haptic interaction. The Hardware control architecture has different modules and consists of an FPGA for the low-level controller and a RT controller for managing all the complex calculations (jacobian, kinematics, etc.); this provides a compact and scalable solution for the required high computation capabilities assuring a correct frequency rate for the control loop of 1 kHz. A set-up for dexterous virtual and real manipulation is described. Moreover, a new algorithm named the iterative kinematic decoupling method was implemented to solve the inverse kinematics of a robotic manipulator. In order to understand the importance of multi-modal interaction including haptics, a subject study was carried out to look for sensory stimuli that correlate with fast response time and enhanced accuracy. This experiment was carried out in collaboration with neuro-scientists from Technion Israel Institute of Technology. By comparing the grasping response times in unimodal (auditory, visual, and haptic) events with the response times in events with bimodal and trimodal combinations. It is concluded that in grasping tasks the synchronized motion of the fingers to generate the grasping response relies on haptic cues. This processing-speed advantage of haptic cues suggests that multimodalhaptic virtual environments are superior in generating motor contingencies, enhancing the plausibility of events. Applications that include haptics provide users with more time at the cognitive stages to fill in missing information creatively and form a richer experience. A major application of haptic devices is the design of new simulators to train manual skills for the medical sector. In collaboration with physical therapists from Griffith University in Australia, we developed a simulator to allow hand rehabilitation manipulations. First, the non-linear stiffness properties of the metacarpophalangeal joint of the index finger were estimated by using the designed end-effector; these parameters are implemented in a scenario that simulates the behavior of the human hand and that allows haptic interaction through the designed haptic device. The potential application of this work is related to educational and medical training purposes. In this thesis, new methods to simultaneously control the position and orientation of a robotic manipulator and the grasp of a robotic hand when interacting with large real environments are studied. The reachable workspace is extended by automatically switching between rate and position control modes. Moreover, the human hand gesture is recognized by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of the approximation-to-the-object phase and then mapped to the robotic hand actuators. These methods are validated to perform dexterous manipulation of objects with a robotic manipulator, and different robotic hands. This work is the result of a research collaboration with researchers from the Harvard BioRobotics Laboratory. The developed experiments show that the overall task time is reduced and that the developed methods allow for full dexterity and correct completion of dexterous manipulations.

Design and Validation of an Optimized MB-OFDM Ultra Wideband Transceiver System

Esta tesis está incluida dentro del campo del campo de Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB), el cual ha adquirido una gran importancia en las comunicaciones inalámbricas de alta tasa de datos en la última década. UWB surgió con el objetivo de satisfacer la creciente demanda de conexiones inalámbricas en interiores y de uso doméstico, con bajo coste y alta velocidad. La disponibilidad de un ancho de banda grande, el potencial para alta velocidad de transmisión, baja complejidad y bajo consumo de energía, unido al bajo coste de implementación, representa una oportunidad única para que UWB se convierta en una solución ampliamente utilizada en aplicaciones de Wireless Personal Area Network (WPAN). UWB está definido como cualquier transmisión que ocupa un ancho de banda de más de 20% de su frecuencia central, o más de 500 MHz. En 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) definió que el rango de frecuencias de transmisión de UWB legal es de 3.1 a 10.6 GHz, con una energía de transmisión de -41.3 dBm/Hz. Bajo las directrices de FCC, el uso de la tecnología UWB puede aportar una enorme capacidad en las comunicaciones de corto alcance. Considerando las ecuaciones de capacidad de Shannon, incrementar la capacidad del canal requiere un incremento lineal en el ancho de banda, mientras que un aumento similar de la capacidad de canal requiere un aumento exponencial en la energía de transmisión. En los últimos años, s diferentes desarrollos del UWB han sido extensamente estudiados en diferentes áreas, entre los cuales, el protocolo de comunicaciones inalámbricas MB-OFDM UWB está considerado como la mejor elección y ha sido adoptado como estándar ISO/IEC para los WPANs. Combinando la modulación OFDM y la transmisión de datos utilizando las técnicas de salto de frecuencia, el sistema MB-OFDM UWB es capaz de soportar tasas de datos con que pueden variar de los 55 a los 480 Mbps, alcanzando una distancia máxima de hasta 10 metros. Se esperara que la tecnología MB-OFDM tenga un consumo energético muy bajo copando un are muy reducida en silicio, proporcionando soluciones de bajo coste que satisfagan las demandas del mercado. Para cumplir con todas estas expectativas, el desarrollo y la investigación del MBOFDM UWB deben enfrentarse a varios retos, como son la sincronización de alta sensibilidad, las restricciones de baja complejidad, las estrictas limitaciones energéticas, la escalabilidad y la flexibilidad. Tales retos requieren un procesamiento digital de la señal de última generación, capaz de desarrollar sistemas que puedan aprovechar por completo las ventajas del espectro UWB y proporcionar futuras aplicaciones inalámbricas en interiores. Esta tesis se centra en la completa optimización de un sistema de transceptor de banda base MB-OFDM UWB digital, cuyo objetivo es investigar y diseñar un subsistema de comunicación inalámbrica para la aplicación de las Redes de Sensores Inalámbricas Visuales. La complejidad inherente de los procesadores FFT/IFFT y el sistema de sincronización así como la alta frecuencia de operación para todos los elementos de procesamiento, se convierten en el cuello de la botella para el diseño y la implementación del sistema de UWB digital en base de banda basado en MB-OFDM de baja energía. El objetivo del transceptor propuesto es conseguir baja energía y baja complejidad bajo la premisa de un alto rendimiento. Las optimizaciones están realizadas tanto a nivel algorítmico como a nivel arquitectural para todos los elementos del sistema. Una arquitectura hardware eficiente en consumo se propone en primer lugar para aquellos módulos correspondientes a núcleos de computación. Para el procesado de la Transformada Rápida de Fourier (FFT/IFFT), se propone un algoritmo mixed-radix, basado en una arquitectura con pipeline y se ha desarrollado un módulo de Decodificador de Viterbi (VD) equilibrado en coste-velocidad con el objetivo de reducir el consumo energético e incrementar la velocidad de procesamiento. También se ha implementado un correlador signo-bit simple basado en la sincronización del tiempo de símbolo es presentado. Este correlador es usado para detectar y sincronizar los paquetes de OFDM de forma robusta y precisa. Para el desarrollo de los subsitemas de procesamiento y realizar la integración del sistema completo se han empleado tecnologías de última generación. El dispositivo utilizado para el sistema propuesto es una FPGA Virtex 5 XC5VLX110T del fabricante Xilinx. La validación el propuesta para el sistema transceptor se ha implementado en dicha placa de FPGA. En este trabajo se presenta un algoritmo, y una arquitectura, diseñado con filosofía de co-diseño hardware/software para el desarrollo de sistemas de FPGA complejos. El objetivo principal de la estrategia propuesta es de encontrar una metodología eficiente para el diseño de un sistema de FPGA configurable optimizado con el empleo del mínimo esfuerzo posible en el sistema de procedimiento de verificación, por tanto acelerar el periodo de desarrollo del sistema. La metodología de co-diseño presentada tiene la ventaja de ser fácil de usar, contiene todos los pasos desde la propuesta del algoritmo hasta la verificación del hardware, y puede ser ampliamente extendida para casi todos los tipos de desarrollos de FPGAs. En este trabajo se ha desarrollado sólo el sistema de transceptor digital de banda base por lo que la comprobación de señales transmitidas a través del canal inalámbrico en los entornos reales de comunicación sigue requiriendo componentes RF y un front-end analógico. No obstante, utilizando la metodología de co-simulación hardware/software citada anteriormente, es posible comunicar el sistema de transmisor y el receptor digital utilizando los modelos de canales propuestos por IEEE 802.15.3a, implementados en MATLAB. Por tanto, simplemente ajustando las características de cada modelo de canal, por ejemplo, un incremento del retraso y de la frecuencia central, podemos estimar el comportamiento del sistema propuesto en diferentes escenarios y entornos. Las mayores contribuciones de esta tesis son: • Se ha propuesto un nuevo algoritmo 128-puntos base mixto FFT usando la arquitectura pipeline multi-ruta. Los complejos multiplicadores para cada etapa de procesamiento son diseñados usando la arquitectura modificada shiftadd. Los sistemas word length y twiddle word length son comparados y seleccionados basándose en la señal para cuantización del SQNR y el análisis de energías. • El desempeño del procesador IFFT es analizado bajo diferentes situaciones aritméticas de bloques de punto flotante (BFP) para el control de desbordamiento, por tanto, para encontrar la arquitectura perfecta del algoritmo IFFT basado en el procesador FFT propuesto. • Para el sistema de receptor MB-OFDM UWB se ha empleado una sincronización del tiempo innovadora, de baja complejidad y esquema de compensación, que consiste en funciones de Detector de Paquetes (PD) y Estimación del Offset del tiempo. Simplificando el cross-correlation y maximizar las funciones probables solo a sign-bit, la complejidad computacional se ve reducida significativamente. • Se ha propuesto un sistema de decodificadores Viterbi de 64 estados de decisión-débil usando velocidad base-4 de arquitectura suma-comparaselecciona. El algoritmo Two-pointer Even también es introducido en la unidad de rastreador de origen con el objetivo de conseguir la eficiencia en el hardware. • Se han integrado varias tecnologías de última generación en el completo sistema transceptor basebanda , con el objetivo de implementar un sistema de comunicación UWB altamente optimizado. • Un diseño de flujo mejorado es propuesto para el complejo sistema de implementación, el cual puede ser usado para diseños de Cadena de puertas de campo programable general (FPGA). El diseño mencionado no sólo reduce dramáticamente el tiempo para la verificación funcional, sino también provee un análisis automático como los errores del retraso del output para el sistema de hardware implementado. • Un ambiente de comunicación virtual es establecido para la validación del propuesto sistema de transceptores MB-OFDM. Este método es provisto para facilitar el uso y la conveniencia de analizar el sistema digital de basebanda sin parte frontera analógica bajo diferentes ambientes de comunicación. Esta tesis doctoral está organizada en seis capítulos. En el primer capítulo se encuentra una breve introducción al campo del UWB, tanto relacionado con el proyecto como la motivación del desarrollo del sistema de MB-OFDM. En el capítulo 2, se presenta la información general y los requisitos del protocolo de comunicación inalámbrica MBOFDM UWB. En el capítulo 3 se habla de la arquitectura del sistema de transceptor digital MB-OFDM de banda base . El diseño del algoritmo propuesto y la arquitectura para cada elemento del procesamiento está detallado en este capítulo. Los retos de diseño del sistema que involucra un compromiso de discusión entre la complejidad de diseño, el consumo de energía, el coste de hardware, el desempeño del sistema, y otros aspectos. En el capítulo 4, se ha descrito la co-diseñada metodología de hardware/software. Cada parte del flujo del diseño será detallado con algunos ejemplos que se ha hecho durante el desarrollo del sistema. Aprovechando esta estrategia de diseño, el procedimiento de comunicación virtual es llevado a cabo para probar y analizar la arquitectura del transceptor propuesto. Los resultados experimentales de la co-simulación y el informe sintético de la implementación del sistema FPGA son reflejados en el capítulo 5. Finalmente, en el capítulo 6 se incluye las conclusiones y los futuros proyectos, y también los resultados derivados de este proyecto de doctorado. ABSTRACT In recent years, the Wireless Visual Sensor Network (WVSN) has drawn great interest in wireless communication research area. They enable a wealth of new applications such as building security control, image sensing, and target localization. However, nowadays wireless communication protocols (ZigBee, Wi-Fi, and Bluetooth for example) cannot fully satisfy the demands of high data rate, low power consumption, short range, and high robustness requirements. New communication protocol is highly desired for such kind of applications. The Ultra Wideband (UWB) wireless communication protocol, which has increased in importance for high data rate wireless communication field, are emerging as an important topic for WVSN research. UWB has emerged as a technology that offers great promise to satisfy the growing demand for low-cost, high-speed digital wireless indoor and home networks. The large bandwidth available, the potential for high data rate transmission, and the potential for low complexity and low power consumption, along with low implementation cost, all present a unique opportunity for UWB to become a widely adopted radio solution for future Wireless Personal Area Network (WPAN) applications. UWB is defined as any transmission that occupies a bandwidth of more than 20% of its center frequency, or more than 500 MHz. In 2002, the Federal Communications Commission (FCC) has mandated that UWB radio transmission can legally operate in the range from 3.1 to 10.6 GHz at a transmitter power of －41.3 dBm/Hz. Under the FCC guidelines, the use of UWB technology can provide enormous capacity over short communication ranges. Considering Shannon’s capacity equations, increasing the channel capacity requires linear increasing in bandwidth, whereas similar channel capacity increases would require exponential increases in transmission power. In recent years, several different UWB developments has been widely studied in different area, among which, the MB-OFDM UWB wireless communication protocol is considered to be the leading choice and has recently been adopted in the ISO/IEC standard for WPANs. By combing the OFDM modulation and data transmission using frequency hopping techniques, the MB-OFDM UWB system is able to support various data rates, ranging from 55 to 480 Mbps, over distances up to 10 meters. The MB-OFDM technology is expected to consume very little power and silicon area, as well as provide low-cost solutions that can satisfy consumer market demands. To fulfill these expectations, MB-OFDM UWB research and development have to cope with several challenges, which consist of high-sensitivity synchronization, low- complexity constraints, strict power limitations, scalability, and flexibility. Such challenges require state-of-the-art digital signal processing expertise to develop systems that could fully take advantages of the UWB spectrum and support future indoor wireless applications. This thesis focuses on fully optimization for the MB-OFDM UWB digital baseband transceiver system, aiming at researching and designing a wireless communication subsystem for the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) application. The inherent high complexity of the FFT/IFFT processor and synchronization system, and high operation frequency for all processing elements, becomes the bottleneck for low power MB-OFDM based UWB digital baseband system hardware design and implementation. The proposed transceiver system targets low power and low complexity under the premise of high performance. Optimizations are made at both algorithm and architecture level for each element of the transceiver system. The low-power hardwareefficient structures are firstly proposed for those core computation modules, i.e., the mixed-radix algorithm based pipelined architecture is proposed for the Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) processor, and the cost-speed balanced Viterbi Decoder (VD) module is developed, in the aim of lowering the power consumption and increasing the processing speed. In addition, a low complexity sign-bit correlation based symbol timing synchronization scheme is presented so as to detect and synchronize the OFDM packets robustly and accurately. Moreover, several state-of-the-art technologies are used for developing other processing subsystems and an entire MB-OFDM digital baseband transceiver system is integrated. The target device for the proposed transceiver system is Xilinx Virtex 5 XC5VLX110T FPGA board. In order to validate the proposed transceiver system in the FPGA board, a unified algorithm-architecture-circuit hardware/software co-design environment for complex FPGA system development is presented in this work. The main objective of the proposed strategy is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized FPGA system by using as few efforts as possible in system verification procedure, so as to speed up the system development period. The presented co-design methodology has the advantages of easy to use, covering all steps from algorithm proposal to hardware verification, and widely spread for almost all kinds of FPGA developments. Because only the digital baseband transceiver system is developed in this thesis, the validation of transmitting signals through wireless channel in real communication environments still requires the analog front-end and RF components. However, by using the aforementioned hardware/software co-simulation methodology, the transmitter and receiver digital baseband systems get the opportunity to communicate with each other through the channel models, which are proposed from the IEEE 802.15.3a research group, established in MATLAB. Thus, by simply adjust the characteristics of each channel model, e.g. mean excess delay and center frequency, we can estimate the transmission performance of the proposed transceiver system through different communication situations. The main contributions of this thesis are: • A novel mixed radix 128-point FFT algorithm by using multipath pipelined architecture is proposed. The complex multipliers for each processing stage are designed by using modified shift-add architectures. The system wordlength and twiddle word-length are compared and selected based on Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR) and power analysis. • IFFT processor performance is analyzed under different Block Floating Point (BFP) arithmetic situations for overflow control, so as to find out the perfect architecture of IFFT algorithm based on the proposed FFT processor. • An innovative low complex timing synchronization and compensation scheme, which consists of Packet Detector (PD) and Timing Offset Estimation (TOE) functions, for MB-OFDM UWB receiver system is employed. By simplifying the cross-correlation and maximum likelihood functions to signbit only, the computational complexity is significantly reduced. • A 64 state soft-decision Viterbi Decoder system by using high speed radix-4 Add-Compare-Select architecture is proposed. Two-pointer Even algorithm is also introduced into the Trace Back unit in the aim of hardware-efficiency. • Several state-of-the-art technologies are integrated into the complete baseband transceiver system, in the aim of implementing a highly-optimized UWB communication system. • An improved design flow is proposed for complex system implementation which can be used for general Field-Programmable Gate Array (FPGA) designs. The design method not only dramatically reduces the time for functional verification, but also provides automatic analysis such as errors and output delays for the implemented hardware systems. • A virtual communication environment is established for validating the proposed MB-OFDM transceiver system. This methodology is proved to be easy for usage and convenient for analyzing the digital baseband system without analog frontend under different communication environments. This PhD thesis is organized in six chapters. In the chapter 1 a brief introduction to the UWB field, as well as the related work, is done, along with the motivation of MBOFDM system development. In the chapter 2, the general information and requirement of MB-OFDM UWB wireless communication protocol is presented. In the chapter 3, the architecture of the MB-OFDM digital baseband transceiver system is presented. The design of the proposed algorithm and architecture for each processing element is detailed in this chapter. Design challenges of such system involve trade-off discussions among design complexity, power consumption, hardware cost, system performance, and some other aspects. All these factors are analyzed and discussed. In the chapter 4, the hardware/software co-design methodology is proposed. Each step of this design flow will be detailed by taking some examples that we met during system development. Then, taking advantages of this design strategy, the Virtual Communication procedure is carried out so as to test and analyze the proposed transceiver architecture. Experimental results from the co-simulation and synthesis report of the implemented FPGA system are given in the chapter 5. The chapter 6 includes conclusions and future work, as well as the results derived from this PhD work.

Core physics and safety analysis of Generation-IV Sodium Fast Reactors using existing and newly developed computational tools

El futuro de la energía nuclear de fisión dependerá, entre otros factores, de la capacidad que las nuevas tecnologías demuestren para solventar los principales retos a largo plazo que se plantean. Los principales retos se pueden resumir en los siguientes aspectos: la capacidad de proporcionar una solución final, segura y fiable a los residuos radiactivos; así como dar solución a la limitación de recursos naturales necesarios para alimentar los reactores nucleares; y por último, una mejora robusta en la seguridad de las centrales que en definitiva evite cualquier daño potencial tanto en la población como en el medio ambiente como consecuencia de cualquier escenario imaginable o más allá de lo imaginable. Siguiendo estas motivaciones, la Generación IV de reactores nucleares surge con el compromiso de proporcionar electricidad de forma sostenible, segura, económica y evitando la proliferación de material fisible. Entre los sistemas conceptuales que se consideran para la Gen IV, los reactores rápidos destacan por su capacidad potencial de transmutar actínidos a la vez que permiten una utilización óptima de los recursos naturales. Entre los refrigerantes que se plantean, el sodio parece una de las soluciones más prometedoras. Como consecuencia, esta tesis surgió dentro del marco del proyecto europeo CP-ESFR con el principal objetivo de evaluar la física de núcleo y seguridad de los reactores rápidos refrigerados por sodio, al tiempo que se desarrollaron herramientas apropiadas para dichos análisis. Efectivamente, en una primera parte de la tesis, se abarca el estudio de la física del núcleo de un reactor rápido representativo, incluyendo el análisis detallado de la capacidad de transmutar actínidos minoritarios. Como resultado de dichos análisis, se publicó un artículo en la revista Annals of Nuclear Energy [96]. Por otra parte, a través de un análisis de un hipotético escenario nuclear español, se evalúo la disponibilidad de recursos naturales necesarios en el caso particular de España para alimentar una flota específica de reactores rápidos, siguiendo varios escenarios de demanda, y teniendo en cuenta la capacidad de reproducción de plutonio que tienen estos sistemas. Como resultado de este trabajo también surgió una publicación en otra revista científica de prestigio internacional como es Energy Conversion and Management [97]. Con objeto de realizar esos y otros análisis, se desarrollaron diversos modelos del núcleo del ESFR siguiendo varias configuraciones, y para diferentes códigos. Por otro lado, con objeto de poder realizar análisis de seguridad de reactores rápidos, son necesarias herramientas multidimensionales de alta fidelidad específicas para reactores rápidos. Dichas herramientas deben integrar fenómenos relacionados con la neutrónica y con la termo-hidráulica, entre otros, mediante una aproximación multi-física. Siguiendo este objetivo, se evalúo el código de difusión neutrónica ANDES para su aplicación a reactores rápidos. ANDES es un código de resolución nodal que se encuentra implementado dentro del sistema COBAYA3 y está basado en el método ACMFD. Por lo tanto, el método ACMFD fue sometido a una revisión en profundidad para evaluar su aptitud para la aplicación a reactores rápidos. Durante ese proceso, se identificaron determinadas limitaciones que se discutirán a lo largo de este trabajo, junto con los desarrollos que se han elaborado e implementado para la resolución de dichas dificultades. Por otra parte, se desarrolló satisfactoriamente el acomplamiento del código neutrónico ANDES con un código termo-hidráulico de subcanales llamado SUBCHANFLOW, desarrollado recientemente en el KIT. Como conclusión de esta parte, todos los desarrollos implementados son evaluados y verificados. En paralelo con esos desarrollos, se calcularon para el núcleo del ESFR las secciones eficaces en multigrupos homogeneizadas a nivel nodal, así como otros parámetros neutrónicos, mediante los códigos ERANOS, primero, y SERPENT, después. Dichos parámetros se utilizaron más adelante para realizar cálculos estacionarios con ANDES. Además, como consecuencia de la contribución de la UPM al paquete de seguridad del proyecto CP-ESFR, se calcularon mediante el código SERPENT los parámetros de cinética puntual que se necesitan introducir en los típicos códigos termo-hidráulicos de planta, para estudios de seguridad. En concreto, dichos parámetros sirvieron para el análisis del impacto que tienen los actínidos minoritarios en el comportamiento de transitorios. Concluyendo, la tesis presenta una aproximación sistemática y multidisciplinar aplicada al análisis de seguridad y comportamiento neutrónico de los reactores rápidos de sodio de la Gen-IV, usando herramientas de cálculo existentes y recién desarrolladas ad' hoc para tal aplicación. Se ha empleado una cantidad importante de tiempo en identificar limitaciones de los métodos nodales analíticos en su aplicación en multigrupos a reactores rápidos, y se proponen interesantes soluciones para abordarlas. ABSTRACT The future of nuclear reactors will depend, among other aspects, on the capability to solve the long-term challenges linked to this technology. These are the capability to provide a definite, safe and reliable solution to the nuclear wastes; the limitation of natural resources, needed to fuel the reactors; and last but not least, the improved safety, which would avoid any potential damage on the public and or environment as a consequence of any imaginable and beyond imaginable circumstance. Following these motivations, the IV Generation of nuclear reactors arises, with the aim to provide sustainable, safe, economic and proliferationresistant electricity. Among the systems considered for the Gen IV, fast reactors have a representative role thanks to their potential capacity to transmute actinides together with the optimal usage of natural resources, being the sodium fast reactors the most promising concept. As a consequence, this thesis was born in the framework of the CP-ESFR project with the generic aim of evaluating the core physics and safety of sodium fast reactors, as well as the development of the approppriated tools to perform such analyses. Indeed, in a first part of this thesis work, the main core physics of the representative sodium fast reactor are assessed, including a detailed analysis of the capability to transmute minor actinides. A part of the results obtained have been published in Annals of Nuclear Energy [96]. Moreover, by means of the analysis of a hypothetical Spanish nuclear scenario, the availability of natural resources required to deploy an specific fleet of fast reactor is assessed, taking into account the breeding properties of such systems. This work also led to a publication in Energy Conversion and Management [97]. In order to perform those and other analyses, several models of the ESFR core were created for different codes. On the other hand, in order to perform safety studies of sodium fast reactors, high fidelity multidimensional analysis tools for sodium fast reactors are required. Such tools should integrate neutronic and thermal-hydraulic phenomena in a multi-physics approach. Following this motivation, the neutron diffusion code ANDES is assessed for sodium fast reactor applications. ANDES is the nodal solver implemented inside the multigroup pin-by-pin diffusion COBAYA3 code, and is based on the analytical method ACMFD. Thus, the ACMFD was verified for SFR applications and while doing so, some limitations were encountered, which are discussed through this work. In order to solve those, some new developments are proposed and implemented in ANDES. Moreover, the code was satisfactorily coupled with the thermal-hydraulic code SUBCHANFLOW, recently developed at KIT. Finally, the different implementations are verified. In addition to those developments, the node homogenized multigroup cross sections and other neutron parameters were obtained for the ESFR core using ERANOS and SERPENT codes, and employed afterwards by ANDES to perform steady state calculations. Moreover, as a result of the UPM contribution to the safety package of the CP-ESFR project, the point kinetic parameters required by the typical plant thermal-hydraulic codes were computed for the ESFR core using SERPENT, which final aim was the assessment of the impact of minor actinides in transient behaviour. All in all, the thesis provides a systematic and multi-purpose approach applied to the assessment of safety and performance parameters of Generation-IV SFR, using existing and newly developed analytical tools. An important amount of time was employed in identifying the limitations that the analytical nodal diffusion methods present when applied to fast reactors following a multigroup approach, and interesting solutions are proposed in order to overcome them.

Impedance of foundations using the Boundary Integral Equation Method

Dynamic soil-structure interaction has been for a long time one of the most fascinating areas for the engineering profession. The building of large alternating machines and their effects on surrounding structures as well as on their own functional behavior, provided the initial impetus; a large amount of experimental research was done,and the results of the Russian and German groups were especially worthwhile. Analytical results by Reissner and Sehkter were reexamined by Quinlan, Sung, et. al., and finally Veletsos presented the first set of reliable results. Since then, the modeling of the homogeneous, elastic halfspace as a equivalent set of springs and dashpots has become an everyday tool in soil engineering practice, especially after the appearance of the fast Fourier transportation algorithm, which makes possible the treatment of the frequency-dependent characteristics of the equivalent elements in a unified fashion with the general method of analysis of the structure. Extensions to the viscoelastic case, as well as to embedded foundations and complicated geometries, have been presented by various authors. In general, they used the finite element method with the well known problems of geometric truncations and the subsequent use of absorbing boundaries. The properties of boundary integral equation methods are, in our opinion, specially well suited to this problem, and several of the previous results have confirmed our opinion. In what follows we present the general features related to steady-state elastodynamics and a series of results showing the splendid results that the BIEM provided. Especially interesting are the outputs obtained through the use of the so-called singular elements, whose description is incorporated at the end of the paper. The reduction in time spent by the computer and the small number of elements needed to simulate realistically the global properties of the halfspace make this procedure one of the most interesting applications of the BIEM.

A stochastic model updating method for parameter variability quantification based on response surface models and Monte Carlo simulation

Stochastic model updating must be considered for quantifying uncertainties inherently existing in real-world engineering structures. By this means the statistical properties,instead of deterministic values, of structural parameters can be sought indicating the parameter variability. However, the implementation of stochastic model updating is much more complicated than that of deterministic methods particularly in the aspects of theoretical complexity and low computational efficiency. This study attempts to propose a simple and cost-efficient method by decomposing a stochastic updating process into a series of deterministic ones with the aid of response surface models and Monte Carlo simulation. The response surface models are used as surrogates for original FE models in the interest of programming simplification, fast response computation and easy inverse optimization. Monte Carlo simulation is adopted for generating samples from the assumed or measured probability distributions of responses. Each sample corresponds to an individual deterministic inverse process predicting the deterministic values of parameters. Then the parameter means and variances can be statistically estimated based on all the parameter predictions by running all the samples. Meanwhile, the analysis of variance approach is employed for the evaluation of parameter variability significance. The proposed method has been demonstrated firstly on a numerical beam and then a set of nominally identical steel plates tested in the laboratory. It is found that compared with the existing stochastic model updating methods, the proposed method presents similar accuracy while its primary merits consist in its simple implementation and cost efficiency in response computation and inverse optimization.

Optimal polygonal L1 linearization and fast interpolation of nonlinear systems

The analysis of complex nonlinear systems is often carried out using simpler piecewise linear representations of them. A principled and practical technique is proposed to linearize and evaluate arbitrary continuous nonlinear functions using polygonal (continuous piecewise linear) models under the L1 norm. A thorough error analysis is developed to guide an optimal design of two kinds of polygonal approximations in the asymptotic case of a large budget of evaluation subintervals N. The method allows the user to obtain the level of linearization (N) for a target approximation error and vice versa. It is suitable for, but not limited to, an efficient implementation in modern Graphics Processing Units (GPUs), allowing real-time performance of computationally demanding applications. The quality and efficiency of the technique has been measured in detail on two nonlinear functions that are widely used in many areas of scientific computing and are expensive to evaluate.

New method for analytical photovoltaic parameters identification: meeting manufacturer’s datasheet for different ambient conditions

At present, photovoltaic energy is one of the most important renewable energy sources. The demand for solar panels has been continuously growing, both in the industrial electric sector and in the private sector. In both cases the analysis of the solar panel efficiency is extremely important in order to maximize the energy production. In order to have a more efficient photovoltaic system, the most accurate understanding of this system is required. However, in most of the cases the only information available in this matter is reduced, the experimental testing of the photovoltaic device being out of consideration, normally for budget reasons. Several methods, normally based on an equivalent circuit model, have been developed to extract the I-V curve of a photovoltaic device from the small amount of data provided by the manufacturer. The aim of this paper is to present a fast, easy, and accurate analytical method, developed to calculate the equivalent circuit parameters of a solar panel from the only data that manufacturers usually provide. The calculated circuit accurately reproduces the solar panel behavior, that is, the I-V curve. This fact being extremely important for practical reasons such as selecting the best solar panel in the market for a particular purpose, or maximize the energy extraction with MPPT (Maximum Peak Power Tracking) methods.

Desarrollo de un Laboratorio Virtual para la realización de e-comparisons en los ensayos de aislamiento acústico de fachadas según UNE-EN ISO 140-5

Actualmente son una práctica común los procesos de normalización de métodos de ensayo y acreditación de laboratorios, ya que permiten una evaluación de los procedimientos llevados a cabo por profesionales de un sector tecnológico y además permiten asegurar unos mínimos de calidad en los resultados finales. En el caso de los laboratorios de acústica, para conseguir y mantener la acreditación de un laboratorio es necesario participar activamente en ejercicios de intercomparación, utilizados para asegurar la calidad de los métodos empleados. El inconveniente de estos ensayos es el gran coste que suponen para los laboratorios, siendo en ocasiones inasumible por estos teniendo que renunciar a la acreditación. Este Proyecto Fin de Grado se centrará en el desarrollo de un Laboratorio Virtual implementado mediante una herramienta software que servirá para realizar ejercicios de intercomparación no presenciales, ampliando de ese modo el concepto e-comparison y abriendo las bases a que en un futuro este tipo de ejercicios no presenciales puedan llegar a sustituir a los llevados a cabo actualmente. En el informe primero se hará una pequeña introducción, donde se expondrá la evolución y la importancia de los procedimientos de calidad acústica en la sociedad actual. A continuación se comentará las normativas internacionales en las que se soportará el proyecto, la norma ISO 145-5, así como los métodos matemáticos utilizados en su implementación, los métodos estadísticos de propagación de incertidumbres especificados por la JCGM (Joint Committee for Guides in Metrology). Después, se hablará sobre la estructura del proyecto, tanto del tipo de programación utilizada en su desarrollo como la metodología de cálculo utilizada para conseguir que todas las funcionalidades requeridas en este tipo de ensayo estén correctamente implementadas. Posteriormente se llevará a cabo una validación estadística basada en la comparación de unos datos generados por el programa, procesados utilizando la simulación de Montecarlo, y unos cálculos analíticos, que permita comprobar que el programa funciona tal y como se ha previsto en la fase de estudio teórico. También se realizará una prueba del programa, similar a la que efectuaría un técnico de laboratorio, en la que se evaluará la incertidumbre de la medida calculándola mediante el método tradicional, pudiendo comparar los datos obtenidos con los que deberían obtenerse. Por último, se comentarán las conclusiones obtenidas con el desarrollo y pruebas del Laboratorio Virtual, y se propondrán nuevas líneas de investigación futuras relacionadas con el concepto e-comparison y la implementación de mejoras al Laboratorio Virtual. ABSTRACT. Nowadays it is common practise to make procedures to normalise trials methods standards and laboratory accreditations, as they allow for the evaluation of the procedures made by professionals from a particular technological sector in addition to ensuring a minimum quality in the results. In order for an acoustics laboratory to achieve and maintain the accreditation it is necessary to actively participate in the intercomparison exercises, since these are used to assure the quality of the methods used by the technicians. Unfortunately, the high cost of these trials is unaffordable for many laboratories, which then have to renounce to having the accreditation. This Final Project is focused on the development of a Virtual Laboratory implemented by a software tool that it will be used for making non-attendance intercomparison trials, widening the concept of e-comparison and opening the possibility for using this type of non-attendance trials instead of the current ones. First, as a short introduction, I show the evolution and the importance today of acoustic quality procedures. Second, I will discuss the international standards, such as ISO 145-5, as well the mathematic and statistical methods of uncertainty propagation specified by the Joint Committee for Guides in Metrology, that are used in the Project. Third, I speak about the structure of the Project, as well as the programming language structure and the methodology used to get the different features needed in this acoustic trial. Later, a statistical validation will be carried out, based on comparison of data generated by the program, processed using a Montecarlo simulation, and analytical calculations to verify that the program works as planned in the theoretical study. There will also be a test of the program, similar to one that a laboratory technician would carry out, by which the uncertainty in the measurement will be compared to a traditional calculation method so as to compare the results. Finally, the conclusions obtained with the development and testing of the Virtual Laboratory will be discussed, new research paths related to e-comparison definition and the improvements for the Laboratory will be proposed.

Monte Carlo Neutronics and Thermal-hydraulics coupling applied to Fast Reactors

Un escenario habitualmente considerado para el uso sostenible y prolongado de la energía nuclear contempla un parque de reactores rápidos refrigerados por metales líquidos (LMFR) dedicados al reciclado de Pu y la transmutación de actínidos minoritarios (MA). Otra opción es combinar dichos reactores con algunos sistemas subcríticos asistidos por acelerador (ADS), exclusivamente destinados a la eliminación de MA. El diseño y licenciamiento de estos reactores innovadores requiere herramientas computacionales prácticas y precisas, que incorporen el conocimiento obtenido en la investigación experimental de nuevas configuraciones de reactores, materiales y sistemas. A pesar de que se han construido y operado un cierto número de reactores rápidos a nivel mundial, la experiencia operacional es todavía reducida y no todos los transitorios se han podido entender completamente. Por tanto, los análisis de seguridad de nuevos LMFR están basados fundamentalmente en métodos deterministas, al contrario que las aproximaciones modernas para reactores de agua ligera (LWR), que se benefician también de los métodos probabilistas. La aproximación más usada en los estudios de seguridad de LMFR es utilizar una variedad de códigos, desarrollados a base de distintas teorías, en busca de soluciones integrales para los transitorios e incluyendo incertidumbres. En este marco, los nuevos códigos para cálculos de mejor estimación ("best estimate") que no incluyen aproximaciones conservadoras, son de una importancia primordial para analizar estacionarios y transitorios en reactores rápidos. Esta tesis se centra en el desarrollo de un código acoplado para realizar análisis realistas en reactores rápidos críticos aplicando el método de Monte Carlo. Hoy en día, dado el mayor potencial de recursos computacionales, los códigos de transporte neutrónico por Monte Carlo se pueden usar de manera práctica para realizar cálculos detallados de núcleos completos, incluso de elevada heterogeneidad material. Además, los códigos de Monte Carlo se toman normalmente como referencia para los códigos deterministas de difusión en multigrupos en aplicaciones con reactores rápidos, porque usan secciones eficaces punto a punto, un modelo geométrico exacto y tienen en cuenta intrínsecamente la dependencia angular de flujo. En esta tesis se presenta una metodología de acoplamiento entre el conocido código MCNP, que calcula la generación de potencia en el reactor, y el código de termohidráulica de subcanal COBRA-IV, que obtiene las distribuciones de temperatura y densidad en el sistema. COBRA-IV es un código apropiado para aplicaciones en reactores rápidos ya que ha sido validado con resultados experimentales en haces de barras con sodio, incluyendo las correlaciones más apropiadas para metales líquidos. En una primera fase de la tesis, ambos códigos se han acoplado en estado estacionario utilizando un método iterativo con intercambio de archivos externos. El principal problema en el acoplamiento neutrónico y termohidráulico en estacionario con códigos de Monte Carlo es la manipulación de las secciones eficaces para tener en cuenta el ensanchamiento Doppler cuando la temperatura del combustible aumenta. Entre todas las opciones disponibles, en esta tesis se ha escogido la aproximación de pseudo materiales, y se ha comprobado que proporciona resultados aceptables en su aplicación con reactores rápidos. Por otro lado, los cambios geométricos originados por grandes gradientes de temperatura en el núcleo de reactores rápidos resultan importantes para la neutrónica como consecuencia del elevado recorrido libre medio del neutrón en estos sistemas. Por tanto, se ha desarrollado un módulo adicional que simula la geometría del reactor en caliente y permite estimar la reactividad debido a la expansión del núcleo en un transitorio. éste módulo calcula automáticamente la longitud del combustible, el radio de la vaina, la separación de los elementos de combustible y el radio de la placa soporte en función de la temperatura. éste efecto es muy relevante en transitorios sin inserción de bancos de parada. También relacionado con los cambios geométricos, se ha implementado una herramienta que, automatiza el movimiento de las barras de control en busca d la criticidad del reactor, o bien calcula el valor de inserción axial las barras de control. Una segunda fase en la plataforma de cálculo que se ha desarrollado es la simulació dinámica. Puesto que MCNP sólo realiza cálculos estacionarios para sistemas críticos o supercríticos, la solución más directa que se propone sin modificar el código fuente de MCNP es usar la aproximación de factorización de flujo, que resuelve por separado la forma del flujo y la amplitud. En este caso se han estudiado en profundidad dos aproximaciones: adiabática y quasiestática. El método adiabático usa un esquema de acoplamiento que alterna en el tiempo los cálculos neutrónicos y termohidráulicos. MCNP calcula el modo fundamental de la distribución de neutrones y la reactividad al final de cada paso de tiempo, y COBRA-IV calcula las propiedades térmicas en el punto intermedio de los pasos de tiempo. La evolución de la amplitud de flujo se calcula resolviendo las ecuaciones de cinética puntual. Este método calcula la reactividad estática en cada paso de tiempo que, en general, difiere de la reactividad dinámica que se obtendría con la distribución de flujo exacta y dependiente de tiempo. No obstante, para entornos no excesivamente alejados de la criticidad ambas reactividades son similares y el método conduce a resultados prácticos aceptables. Siguiendo esta línea, se ha desarrollado después un método mejorado para intentar tener en cuenta el efecto de la fuente de neutrones retardados en la evolución de la forma del flujo durante el transitorio. El esquema consiste en realizar un cálculo cuasiestacionario por cada paso de tiempo con MCNP. La simulación cuasiestacionaria se basa EN la aproximación de fuente constante de neutrones retardados, y consiste en dar un determinado peso o importancia a cada ciclo computacial del cálculo de criticidad con MCNP para la estimación del flujo final. Ambos métodos se han verificado tomando como referencia los resultados del código de difusión COBAYA3 frente a un ejercicio común y suficientemente significativo. Finalmente, con objeto de demostrar la posibilidad de uso práctico del código, se ha simulado un transitorio en el concepto de reactor crítico en fase de diseño MYRRHA/FASTEF, de 100 MW de potencia térmica y refrigerado por plomo-bismuto. ABSTRACT Long term sustainable nuclear energy scenarios envisage a fleet of Liquid Metal Fast Reactors (LMFR) for the Pu recycling and minor actinides (MAs) transmutation or combined with some accelerator driven systems (ADS) just for MAs elimination. Design and licensing of these innovative reactor concepts require accurate computational tools, implementing the knowledge obtained in experimental research for new reactor configurations, materials and associated systems. Although a number of fast reactor systems have already been built, the operational experience is still reduced, especially for lead reactors, and not all the transients are fully understood. The safety analysis approach for LMFR is therefore based only on deterministic methods, different from modern approach for Light Water Reactors (LWR) which also benefit from probabilistic methods. Usually, the approach adopted in LMFR safety assessments is to employ a variety of codes, somewhat different for the each other, to analyze transients looking for a comprehensive solution and including uncertainties. In this frame, new best estimate simulation codes are of prime importance in order to analyze fast reactors steady state and transients. This thesis is focused on the development of a coupled code system for best estimate analysis in fast critical reactor. Currently due to the increase in the computational resources, Monte Carlo methods for neutrons transport can be used for detailed full core calculations. Furthermore, Monte Carlo codes are usually taken as reference for deterministic diffusion multigroups codes in fast reactors applications because they employ point-wise cross sections in an exact geometry model and intrinsically account for directional dependence of the ux. The coupling methodology presented here uses MCNP to calculate the power deposition within the reactor. The subchannel code COBRA-IV calculates the temperature and density distribution within the reactor. COBRA-IV is suitable for fast reactors applications because it has been validated against experimental results in sodium rod bundles. The proper correlations for liquid metal applications have been added to the thermal-hydraulics program. Both codes are coupled at steady state using an iterative method and external files exchange. The main issue in the Monte Carlo/thermal-hydraulics steady state coupling is the cross section handling to take into account Doppler broadening when temperature rises. Among every available options, the pseudo materials approach has been chosen in this thesis. This approach obtains reasonable results in fast reactor applications. Furthermore, geometrical changes caused by large temperature gradients in the core, are of major importance in fast reactor due to the large neutron mean free path. An additional module has therefore been included in order to simulate the reactor geometry in hot state or to estimate the reactivity due to core expansion in a transient. The module automatically calculates the fuel length, cladding radius, fuel assembly pitch and diagrid radius with the temperature. This effect will be crucial in some unprotected transients. Also related to geometrical changes, an automatic control rod movement feature has been implemented in order to achieve a just critical reactor or to calculate control rod worth. A step forward in the coupling platform is the dynamic simulation. Since MCNP performs only steady state calculations for critical systems, the more straight forward option without modifying MCNP source code, is to use the flux factorization approach solving separately the flux shape and amplitude. In this thesis two options have been studied to tackle time dependent neutronic simulations using a Monte Carlo code: adiabatic and quasistatic methods. The adiabatic methods uses a staggered time coupling scheme for the time advance of neutronics and the thermal-hydraulics calculations. MCNP computes the fundamental mode of the neutron flux distribution and the reactivity at the end of each time step and COBRA-IV the thermal properties at half of the the time steps. To calculate the flux amplitude evolution a solver of the point kinetics equations is used. This method calculates the static reactivity in each time step that in general is different from the dynamic reactivity calculated with the exact flux distribution. Nevertheless, for close to critical situations, both reactivities are similar and the method leads to acceptable practical results. In this line, an improved method as an attempt to take into account the effect of delayed neutron source in the transient flux shape evolutions is developed. The scheme performs a quasistationary calculation per time step with MCNP. This quasistationary simulations is based con the constant delayed source approach, taking into account the importance of each criticality cycle in the final flux estimation. Both adiabatic and quasistatic methods have been verified against the diffusion code COBAYA3, using a theoretical kinetic exercise. Finally, a transient in a critical 100 MWth lead-bismuth-eutectic reactor concept is analyzed using the adiabatic method as an application example in a real system.

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

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

Mejoras y extensiones en el Front-End de un modelo de predicción de acciones de un estudiante en un laboratorio virtual 3D

Este documento presenta las mejoras y las extensiones introducidas en la herramienta de visualización del modelo predictivo del comportamiento del estudiante o Student Behavior Predictor Viewer (SBPV), implementada en un trabajo anterior. El modelo predictivo del comportamiento del estudiante es parte de un sistema inteligente de tutoría, y se construye a partir de los registros de actividad de los estudiantes en un laboratorio virtual 3D, como el Laboratorio Virtual de Biotecnología Agroforestal, implementado en un trabajo anterior, y cuyos registros de actividad de los estudiantes se han utilizado para validar este trabajo fin de grado. El SBPV es una herramienta para visualizar una representación gráfica 2D del grafo extendido asociado con cualquiera de los clusters del modelo predictivo del estudiante. Además de la visualización del grafo extendido, el SBPV controla la navegación a través del grafo por medio del navegador web. Más concretamente, el SBPV permite al usuario moverse a través del grafo, ampliar o reducir el zoom del gráfico o buscar un determinado estado. Además, el SBPV también permite al usuario modificar el diseño predeterminado del grafo en la pantalla al cambiar la posición de los estados con el ratón. Como parte de este trabajo fin de grado, se han corregido errores existentes en la versión anterior y se han introducido una serie de mejoras en el rendimiento y la usabilidad. En este sentido, se han implementado nuevas funcionalidades, tales como la visualización del modelo de comportamiento de cada estudiante individualmente o la posibilidad de elegir el método de clustering para crear el modelo predictivo del estudiante; así como ha sido necesario rediseñar la interfaz de usuario cambiando el tipo de estructuras gráficas con que se muestran los elementos del modelo y mejorando la visualización del grafo al interaccionar el usuario con él. Todas estas mejoras se explican detenidamente en el presente documento.---ABSTRACT---This document presents the improvements and extensions made to the visualization tool Student Behavior Predictor Viewer (SBPV), implemented in a previous job. The student behavior predictive model is part of an intelligent tutoring system, and is built from the records of students activity in a 3D virtual laboratory, like the “Virtual Laboratory of Agroforestry Biotechnology” implemented in a previous work, and whose records of students activity have been used to validate this final degree work. The SBPV is a tool for visualizing a 2D graphical representation of the extended graph associated with any of the clusters of the student predictive model. Apart from visualizing the extended graph, the SBPV supports the navigation across the graph by means of desktop devices. More precisely, the SBPV allows user to move through the graph, to zoom in/out the graphic or to locate a given state. In addition, the SBPV also allows user to modify the default layout of the graph on the screen by changing the position of the states by means of the mouse. As part of this work, some bugs of the previous version have been fixed and some enhancements have been implemented to improve the performance and the usability. In this sense, we have implemented new features, such as the display of the model behavior of only one student or the possibility of selecting the clustering method to create the student predictive model; as well as it was necessary to redesign the user interface changing the type of graphic structures that show model elements and improving the rendering of the graph when the user interacts with it. All these improvements are explained in detail in the next sections.

El centro comercial : una teoría tipológica : claves para el reconocimiento de una arquitectura ignorada

Existe en el panorama edificado un patrimonio construido que se reconoce como Centro Comercial. Un conjunto entendido, en sentido genérico, como familia arquitectónica que tiene características propias y específicas que la identifican. El objeto de la presente tesis doctoral consiste en argumentar que este conjunto constituye un nuevo tipo en el panorama de las tipologías arquitectónicas. Un tipo con entidad propia, que se conecta a una forma diferente de entender la idea de modelo. Un concepto que va más allá de la consideración tradicional del término. Modelo virtual. Este tipo, que surge de una estructura teórica que hemos denominado teoría tipológica, se constituye en una herramienta más para el estudio y el desarrollo proyectual de los espacios arquitectónicos, tanto del propio Centro Comercial como del conjunto de la disciplina arquitectónica, como referencia legítima. El presente trabajo de tesis se inicia con un bloque introductorio denominado Método. Definimos en él una metodología que hemos llamado emocional. Trata de la oportunidad de la tesis. Del porqué de un título que recoge la palabra ignorada. Del interés que suscita el asunto en el contexto del momento presente. Oportunidad e interés en base a una vida profesional dedicada al mundo del Centro Comercial y a la importancia del patrimonio elegido como objeto de estudio. También ha sido un aliciente detectar como las planificaciones del territorio y de los ámbitos de las relaciones colectivas no han sido capaces de integrar un resultado satisfactorio. Quizás por no considerar la complejidad de sus muchas facetas. En consecuencia, el texto busca la esencia del Centro Comercial como soporte para la crítica de su impacto en los nuevos escenarios de relación que la sociedad y el entorno físico imponen. Ámbitos donde los mecanismos históricos del asociacionismo tradicional han dado paso a otros, como el Centro Comercial, de exaltación del individualismo, pero demandados por una sociedad que se identifica con ellos. Espacios que, con Galbraith, existen por de la perversidad intrínseca del binomio consumo-producción que inducen la perplejidad. Ésta pasa a formar parte de la esencia del nuevo espacio comercial, como quedó de manifiesto en el Congreso de Minnesota de 1997, sobre el Centro Comercial. Una sociedad que ha girado hacia el logro material en términos de culto, ocasionando creciente valor significante del consumo. Razón última de la humanidad al decir de Rem Koolhaas. Culto que desemboca en la urgencia de alcanzar niveles de estatus y de identificación con el grupo. Dos parámetros que marcan la relación con el otro. Relación de comparación que excita la necesidad de posesión de objetos que llevaban a recrear en el consumidor la ilusión de ser especiales, de no pasar desapercibidos. El producto de consumo, el objeto, se eleva a la consideración de valor social. En el Centro Comercial se venden valores. Marketing de valores. El deseo del individuo, no la necesidad, queda involucrado en el proceso. La oportunidad y el interés de este estudio surgen además para aclarar el significado de un espacio que sirve al consumidor y a su entorno. Un significado que alcanza sentido, entre otros, por la aparición de un nuevo contexto tras la Segunda Guerra Mundial. Suburbanización, automóvil, nivel de vida, un nuevo papel de la mujer. La Era del Consumo. Una era que genera la paradoja de un individuo con autodeterminación y autosuficiencia crecientes, en un mundo cada vez más condicionado y controlado por dinámicas de ofertas mediatizadas e ilimitadas. La arquitectura en este contexto ha de juzgarse por su relación con un hombre contemporáneo que camina hacia una progresiva excepcionalidad. Cerramos la presentación justificando el término ignorada que aparece en el Título de la Tesis. Subrayamos la escasa existencia de estudios estructurados que relacionen Centro Comercial y arquitectura. Realidad que se constata partiendo del libro de Pevsner, Historia de las Tipologías Arquitectónicas, de 1976. Analizamos también la aceptación que el Centro Comercial, valorado en algunos ámbitos como arquitectura populista. Primer Capítulo, los antecedentes. Se propone un recorrido histórico por la arquitectura comercial de todos los tiempos. El Documento busca concretar las características de la arquitectura comercial a lo largo de la historia para determinar relaciones entre ella y el Centro Comercial. Estas correspondencias van a permitir contestar la pregunta retórica que nos hacemos al inicio del Capítulo: ¿Es la arquitectura del Centro Comercial una arquitectura subsidiaria, o tiene personalidad propia independiente de la del mundo comercial? Con Zevi40, queremos dejar constancia que la relación arquitectura-historia es imprescindible en la tarea proyectual. Un análisis novedoso solo es posible desde la búsqueda de unas raíces auténticas. Así mismo, con Guy de Maupassant, estamos convencidos que “La arquitectura, a través de los siglos, ha tenido el privilegio de dar un símbolo a cada una de las épocas, de resumir con un pequeñísimo número de monumentos típicos, el modo de pensar, de soñar de una raza y de una civilización”. Este recorrido se inicia interpretando la arquitectura comercial minoica. Llegaremos, paso a paso, hasta el siglo XX, los grandes itinerarios comerciales y el Centro Comercial. Se descubren una serie de invariantes que permiten comparar y extraer conclusiones. Resulta novedoso constatar que el Centro Comercial nace para dar respuesta al hombre contemporáneo en su afán consumista. También lo es la rápida implantación y evolución del Centro Comercial en un corto periodo de sesenta años frente al ritmo sosegado de otras soluciones comerciales. Novedad es ver como el comercio y sus arquitecturas nacen abiertos, bajo tenderetes y el Centro Comercial se presenta cerrado. Así mismo, las referencias sacras constituyen un elemento de novedad para la reflexión, en un contexto materialista. Y tantas otras. En Minos, la óptica comercial ofrece otra visión de su legendaria cultura. ¿Palacio o plataforma logística?, gestión centralizada del intercambio, ¿vida pública y vida privada? Así, hasta llegar al siglo XIX. Sus las galerías y sus pasajes acristalados concebidos en primera instancia como medida de recomposición urbana. Espacio entendido desde lo público-privado, desde lo interior-exterior, desde el dentro-afuera, desde lo cerrado-abierto. Con los nuevos mercados de abastos, representan una revolución en el ámbito de la funcionalidad, de la máquina, de la gestión moderna y de las relaciones del ciudadano con la ciudad apoyado en base al intercambio de bienes de consumo. El Centro Comercial es heredero de esta transformación. El Gran Almacén, por otra parte, es el reflejo de otra gran revolución. La que va ligada a la producción y comercialización en masa, las comunicaciones, el precio fijo y el aumento del nivel de vida. El Centro Comercial reinterpreta estas situaciones insertándolas en un nuevo modelo de gestión. En el siglo XX, maestro en técnicas de venta, aparece el hipermercado. El Híper, con su carga de pedagogía, se incorpora al esquema orgánico del Centro Comercial. La tienda en si misma constituye la pieza base de dicho puzle orgánico. Es en esta época cuando la tienda empieza su despegue autónomo como arquitectura, aportando su experiencia. Tras ello, llegamos a las grandes rutas comerciales, que proponemos como metáfora del shopping. Cerramos el capítulo concluyendo con Eugenio Ferrer que “si establecemos una relación entre el espacio y el capitalismo, entonces podemos inferir que los espacios del consumo de masas (ECM) son configuraciones nuevas respecto al pasado (...), pero el sistema que lo introduce no lo es del todo”. Segundo Capítulo. Búsqueda de claves que permitan el reconocimiento del Centro Comercial. Llegados a este punto y con la perspectiva del tiempo cabe preguntarnos, ¿qué entendemos pues por Centro Comercial? ¿Cómo lo percibimos? Abordamos ahora el problema de la percepción del Centro Comercial y su significado. Además de constituirse en símbolo, referencia siempre presente, la eficacia del Shopping es una de las principales causas de su poder de atracción. El Centro Comercial resulta de la síntesis de la revolución del consumo y de la revolución de la gestión. Espacio eficaz del entretenimiento como destino. El usuario resuelve su vida cotidiana dentro de un hábitat que considera propio y que se entiende como el lugar hiperbólico de la transacción comercial. Espacio de la abundancia para el disfrute. Una arquitectura involucrada en esta eficacia. Su sentido del lugar no es otro que el Shopping, que se desenvuelve de forma análoga en todas partes. El hogar del consumidor. Las nuevas catedrales. Las catedrales del consumo. Destino místico. Lugar de peregrinación para el consumidor fervoroso. Espacio sagrado que integra al usuario en la cultura dominante. Cultura del consumo. Templos, donde el tiempo ha perdido su sentido. Paraíso. Un espacio donde la altura, la luz natural, la dimensión general refuerzan el carácter sacro de un espacio para una nueva religión laica. Un espacio seguro, protegido que nos acerca a ideas como la de útero materno, con su carga de calidez y de significación erótica aplicado al encuentro compra-comprador y, ligado a ello, la literatura especializada habla del Centro Comercial como nave espacial hiperesterilizada o de agujero negro que absorbe la energía cultural. Más allá, la simulación, donde se percibe un simulacro de ciudad. Simulacro coherente con todo lo que el Shopping desencadena a su alrededor. El lugar de los sueños, de la fantasía. Aquí los productos se han metamorfoseado en fetiches, en significados. Televisión tridimensional, donde el usuario actúa guiado por una pulsión similar al zapping. Espacio lúdico de la fascinación por comprar o de imaginar que se compra. Espacio de simulaciones que llevan a la ensoñación. Un nuevo lugar que sustituye al espacio cotidiano, con el señuelo de la protección, en un contexto imaginariamente público. Espacio de la hiperrealidad donde no se distingue la realidad de la fantasía, donde tras episodios de confusión y desconcierto, se borran las fronteras con lo imaginario. Espacio mágico, escenario del gran espectáculo del consumo, controlado milimétricamente, al modo de la visita a un gran monumento, que ha de sobrevivir a los tiempos para dar testimonio de nuestro momento. Un icono, un símbolo que transmite un mensaje, que solo el consumidor es capaz de interpretar. Una agitada mezcla, sin precedentes, de percepciones que hablan de perplejidad y asombro ante el fenómeno del Centro Comercial, su espacio y las reacciones del hombre contemporáneo. ¿Cuáles serían las claves que nos permitirían reconocer la calidad esencial de un Centro Comercial, en esta concurrencia de perplejidades? Primero, la función de servicio. Un espacio donde ocurren muchas más cosas que lo obvio, que la compra. Un edificio que se involucra con el entorno de la mano de lo inesperado, la sorpresa y las expectativas. Esta vocación de servicio conecta Centro Comercial y naturaleza arquitectónica. Función que sugiere percepciones ligadas a la experiencia de compra. Organismo que vive y late al unísono con su visitante, colocándose al servicio de sus necesidades, de su afán de consumo, del que vive. Segundo, la comunidad servida. El Centro comercial sirve a una sociedad concreta. La sociedad consumista. Una nueva sociedad que se identifica con el edificio desarrollando un sentido de comunidad al nivel de sus deseos. Esta comunidad que se configura a su alrededor, constituye el activo más poderoso para el éxito de su realidad cotidiana y de su futuro. Tercero, un compromiso de carácter holístico. La economía de la experiencia aplicada al afán consumista de una sociedad identificada con su Centro, da lugar a una experiencia holística planificada. Diseño emocional. Colaboración para el éxito de un conjunto de establecimientos comerciales que participan en la aventura espacio-comercial del Centro Comercial. Ellos son los inductores primarios del consumo. Pero esta colaboración tiene su culminación en la amplificación del mensaje, como un inmenso altavoz, que proviene de la unidad configurada por todos ellos. El reflejo de esta amplificación de mensajes, desde la poderosa unidad constituida, es el aumento de la rentabilidad, fin último de la operación. Cuarto, la forma a través de una identificación de carácter gestáltico. Desde la lectura gestáltica que hacemos de la unidad holística, se advierte una poderosa capacidad de comunicación del sistema con su contexto. Centro y entorno se tornan entonces cómplices que complementan sus realidades. El Centro Comercial, arquitectura estructurada como sistema se percibe –ha de percibirse- como forma unitaria que procede de una mirada de raíz gestáltica que continuamente la recompone desde una óptica espacial y física, ligada a la experiencia individual. Esta unidad formal, más allá de la forma real, se constituye en esencia de de su arquitectura. Quinto, el Centro Comercial como sistema. Un sistema soportado por la Teoría General de Sistemas. La consideración del Centro Comercial como sistema es consecuencia de su estructura holística. El todo no se comporta como la suma de las partes y estas no lo hacen como lo harían en solitario. De aquí surge la necesidad de diálogo permanente entre la comercialización –proceso de incorporación de partes- y su traducción al mundo del diseño –proceso de articular arquitectónicamente las partes. Como sistema así configurado, el Centro Comercial se inserta en el paradigma contemporáneo, lo que genera realidades duales que no son excluyentes y reacciones de perplejidad e incertidumbre que el sistema corrige con su capacidad de autorregulación. Aparece también el espectador cuántico, el visitante, el consumidor, que interactúa con el sistema. Desde las herramientas que nos aporta la idea de sistema complejo, afrontamos el Mix Comercial -en definitiva la eficaz localización de las piezas en orden a sus relaciones y al organismo resultante- y su incidencia en la arquitectura que estamos concibiendo. Una arquitectura impredecible por lo mutable, que se erige en reto de la operación y del diseñador. Diseño que, de la mano del concepto de sistema se convierte en herramienta a mayor gloria de la operación global. El debate del estilismo no será más que el resultado del análisis en busca del éxito de esta operación. Sexto, una arquitectura de la negociación. Negociación como mecanismo proyectual y como resultado. La solución de proyecto nunca resulta evidente en el Centro Comercial como consecuencia de lo imprevisible del propio proceso de configuración. Su concreción solo puede ser fruto del compromiso de todos los agentes por conseguir el objetivo de la operación. Esto se consigue desde el equilibrio de intereses. Comerciales y de diseño. Un compromiso con la negociación y una negociación íntimamente ligada a la coordinación. Séptimo, el espacio y el tiempo. El debate espacio-tiempo condiciona y estructura la percepción del Centro Comercial. Introducimos conceptos como cronotopo –el instante y el lugar donde ocurre algo- y paradoja –incoherencia de la relación causa efecto- que sitúan el vínculo entre el tiempo y el espacio del Centro Comercial en un contexto de Shopping. En el discurrir paralelo del tiempo histórico –el tiempo de fuera- y del tiempo interior, el de dentro del Centro Comercial –tiempo presente o intemporalidad-, se produce el triunfo social del Centro Comercial que se traduce en haber sabido resolver en el espacio y en el tiempo las paradojas postmodernas del hombre contemporáneo. Octavo, de lo global. Globalidad que no es ajena a lo local. Una arquitectura que insertada en la dinámica de una economía de ámbito mundial, refleja las contradicciones que ella impone, fundamentalmente en los procesos de inclusión y exclusión, afectando de manera decisiva al debate de lo local, que el Centro Comercial debe incorporar como herramienta ineludible de reconocimiento. Terminamos el capítulo segundo manifestando como estas ocho claves, asumidas en su conjunto, confirman que el Centro Comercial puede aparecer como un todo conceptual cohesionado, pasando a formar parte de una familia arquitectónica coherente, cuya estructura funcional somos capaces de establecer. El Capítulo Tercero presenta con detalle la figura del arquitecto Víctor Gruen, creador reconocido del moderno Centro Comercial. Presentamos su trayectoria profesional observando como las diferentes claves analizadas en capítulos anteriores van apareciendo de manera natural a lo largo de ella "Victor Gruen may well have been the most influential architect of the twentieth century." Malcolm Gladwell. The Terrazo Jungle. Fifty Years Ago, The Mall Was Born. America Never Would Be The Same. 2004. In The New Yorker. Hombre complejo, conflictivo. Las paradojas a lo largo de su carrera fueron notables. Sin embargo siempre apareció como un hombre recto. Garret Eckbo, reconocido paisajista y colaborador de Gruen en el Centro Comercial peatonal del Centro urbano de Fresno, California, se asombraba de que alguien como Gruen hubiese sido capaz de combinar cortesía y humanidad en la carrera de ratas (sic) en la que se convirtió el universo de la comercialización americana y mantener la integridad542. Philip Johnson, en 1962, ponderando las muchas habilidades de Gruen manifestó que no estaba seguro si alguno de ellos, arquitectos artistas, hubiera sido capaz de hacer lo que Gruen hizo. A más, sobre Gruen, manifestó lo siguiente: "... El va más allá de la creación de un bello edificio. En jugar con la gente y sugerir lo que tienen que hacer, es un maestro. Y obtiene buenos resultados como hace la escultura. El suyo es un arte cívico, un sentido cívico.... Él es capaz de sentarse y poner cosas juntas. No es pomposo ni vano. Yo no me reuniría con él para hablar del diseño (de edificios). Víctor siente que cuando se habla de diseño se está ignorando todo el contexto... Su arquitectura es poderosamente limpia, no vuela la fantasía. Pero cuando te haces con su complejidad, ves que has descubierto algo más allá del diseño.... No puedes decir que haya alguien como él. La arquitectura tiene la suerte de tenerle como arquitecto..." Philip Johnson. Article in Fortune Review. 1962. El Documento de tesis cierra la visión de Gruen realizando un recorrido por los diferentes capítulos de su libro esencial, Shopping Towns Usa: The Planning of Shopping Centers. Solo su índice resulta un monumento al proceso de gestación del Centro Comercial. El libro, aquí simplemente mostrado en su estructura básica como un silencioso testigo, es la referencia canónica los Centros Comerciales contemporáneos, desde su aparición. . El Cuarto Capítulo del Documento de tesis es una recapitulación del trabajo anterior, en el que se sintetizan los conceptos de función y estilo relacionados con el Centro Comercial, se define en qué consiste cada uno de ellos y como, a partir de ahí, podemos afirmar que nos encontramos ante un tipo arquitectónico nuevo en el panorama de la disciplina arquitectónica. Terminamos el Capítulo integrando el Centro Comercial con un cuerpo teórico de referencias que se remiten a un tipo arquitectónico concreto y particular, acogiendo su singularidad como fenómeno arquitectónico autónomo. Como Conclusión de la tesis, resultado de todo lo anterior es decir, como consecuencia de la integración de un torrente de percepciones e intuiciones en un cuerpo teórico de referencias, deducidas de la existencia de unas claves que estructuran y penetran la esencia del singular modelo estudiado, haciéndolo detectable y seductor, resultan las características de un tipo arquitectónico con entidad propia que ordena, orienta y supedita la realidad y la existencia de esta nueva arquitectura. Una arquitectura nunca antes definida como tal, en el panorama tipológico de la disciplina. Teoría tipológica para una nueva arquitectura, que hemos ido proponiendo a lo largo del trabajo y que es coherente con los diferentes parámetros que se han analizado. Un conjunto edificado que, desde el estudio de sus claves esenciales y de sus invariantes perceptibles, aparece ahora más cercano, más familiar. Tanto que es posible destilar desde este conocimiento cercano e íntimo, una síntesis útil como referencia proyectual y como referencia para las grandes cuestiones que preocupan al discurrir del debate arquitectónico y sus ideas. El debate de la disciplina. El objeto de esta tesis, que consistía en establecer que el conjunto edificado que conocemos como Centro Comercial se constituye en un nuevo tipo en el panorama de las tipologías arquitectónicas, entendido el Centro Comercial en sentido genérico como familia arquitectónica con características propias y específicas que la hacen autónoma y reconocible, queda a nuestro juicio argumentado y justificado. ABSTRACT Within the frame of the built heritage there is a construction that is recognized as Shopping Center. An ensemble understood as an architectural family with its own specific recognizable characteristics. This thesis aims to explain that this building complex constitutes a new type in the panorama of architectural typology. This typology, with its singular identity, is connected to a way of understanding the idea of the model beyond an orthodox conception of the term understood as virtual model. This typology comes from a theoretical structure that we called typological theory, and it serves as yet another tool to reference the study and development design of the architectural spaces. In this first section, the Method, we emotionally explore the opportunities of this thesis. Why this typology has been ignored and the interest this work has in the present moment. An opportunity and an interest explained from an experience of a life dedicated to the world of Shopping Centers. The text then introduces the need for a rigorous knowledge of the Shopping Center’s essence in order to understand its impact in the frame of a new society and a new physical environment. A frame time where the historical mechanisms of association of civic community have given way to other gathering spaces like the Shopping Center, which encourages individualism, but is demanded by a society that relates to them. Spaces that, according to Galbraith, are a result of the intrinsic perversity of the unstoppable movement of the wheel of consumption-production. A society that has turned to worship of material achievement. Worship that provokes the appearance of an increasing value of consumption, according to Koolhaas, the only goal of humanity. Worship that ends in the need to reach certain status levels in the plane of a permanent comparison where the need of possession excites the consumer and gives them the illusion of being special. The product of consumption rises up to consideration of social values, entering a dynamic of marketing values, not only objects, but the desire of the individual remains. The study appears also to clarify the meaning of a space that serves the consumer and its context. A meaning that makes sense with the appearance of the suburbanization, the massive utilization of the car, the increase of living standards and the new role of women in the society after the Second World War, giving rise to the Age of Consumption. A world now determined and controlled by media and unlimited offers, where it’s necessary to place them in the context of the ordinary. An architecture that has to be judged precisely for its relation with this specific contemporary man. This section ends justifying the term ignored that appears in the Title of the Thesis, considering it in relation with the lack of studies structured about the Shopping Center and its architecture, drawing from Pevsner's work, A history of building types, 1976. Finally, the Shopping Center is analyzed with the most critical of thoughts, which considers it as populist architecture. The First Chapter, Precedents, proposes an historical tour of the commercial architecture throughout history. The Document looks to place on record the characteristics of the commercial architecture to set the connection between them and the Mall itself. These correspondences are going to allow us to answer the rhetorical question: is it the architecture of the Shopping Center a subsidiary architecture, or does it have its own personality independent from that of the commercial world? The reason of this historical search, citing Bruno Zevi, is that it is indispensable to establish the relationship between architecture and history, understating that an analysis is only possible when researching for their roots. Moreover, according to Guy de Maupassant, we are sure that architecture has had the privilege, across the centuries, of symbolizing as it were each age(…), through the harmony of lines and the charm of ornamentation all the grace and grandeur of an epoch. This historical reading, inseparable from a consistent design action, begins interpreting the commercial architecture of the Minoan to the 20th Century. Though this analysis of the big commercial itineraries and the study of the Shopping Center itself. A reading where we have found a series of constants that make it possible to draw conclusions from this comparison. The Mall appears to give response to the needs of a consumerist society. Comparing to the calm pace of the evolution of other commercial solutions, it is relevant its fast implantation and evolution in a short period of sixty years. Though via different solutions, the commercial spaces are considered taking into account the public-private relation, the interior-exterior, the inside-out, the closed-opened. Through that, the 19th century galleries and the food markets represent a revolution in functionality, in the machine, the modern management and the relations of the citizen within the city. All of this, the Mall inheritor feels. Likewise, the Department Store is the reflection of another great revolution. Production and commercialization en-mass, communications, the fixed price and increase of the living standard. The Mall reinterprets these situations inserting them in a new model of management. Already in the 20th century Mall and mass technologies of sale, the hypermarket is enthusiastically incorporated into the configuration of this organic scheme, constituting the base of one of the models, the French, that will be highly developed in the European continent. The shop itself constitutes, on the other hand, the key piece that completes the puzzle of the Mall and is in this epoch when it starts taking off as architecture, has an autonomous character. After all this, finally, we come to the big commercial routes, which we propose as metaphor of the shopping. Citing Eugenio Ferrer we can conclude that “If we establish a relation between the space and the capitalism, then we can infer that the spaces of the consumption of masses (ECM) are new configurations with regard to the past (...), but the system that introduces it it is not completely” Now we arrive at this point and with the perspective of time it is necessary to ask us, what do we understand about the Shopping Center? How do we perceive it? The second Chapter approaches the problem of the perception of the Mall and from this it is possible to detect and to identify key drivers that orientate the architectural comprehension of the space. The efficiency of the Shopping Center is its main power of attraction. A world that has ensued from the synthesis of the revolution of consumption and management. An effective cavern-like place of entertainment where the user, the consumer, the postmodern man solves his daily life inside a considered habitat. The hyperbolic place of commercial transaction. An abundance of space, that makes us perceive it as destination of entertainment. An architecture has evolved this efficiency, where the sense of place is at one with the sense of the Shopping. The home of the consumer. The new cathedrals. The cathedral of consumption. The place of peregrination for the fervent consumer. A sacred space that integrates the user in the dominant culture. A temple, where time itself has stopped existing. In this paroxysm, an expression of the Garden of Eden or Paradise itself. A space where the height, the natural daylight and the spatial dimension reinforce the sacred character of a new lay religion. Another common perception is that of a protected area, which leads to metaphors and considerations that suggest the idea of maternal womb, with its weight of erotic meaning, referring to the encounter of the shopper making a purchase. The literature also tells us about its perception as a sterile space capsule, a black hole that absorbs all cultural energy. Likewise, a world simulation where a mock city is perceived at first instance. Consistent with all that shopping triggers inside. A city, a space conceived as a place of dreams, fantasy, where the products have been metamorphosed into fetishes. Entertaining a television, three-dimensional television, where the user acts guided by a drive similar to zapping. A play area where the latest fascination is in the act of buying. Space simulations that unite and transcend creating atmospheres that lead to reverie. A new space replacing the daily space with the lure of safe space in a public context. A hyper-reality space with reality and fantasy, where borders are erased with imaginary episodes of confusion and bewilderment, without distinction. The charm and fascination of a space that reads like magic. The magic of a space which is defined as stage extravaganza, the large theatre, the consumer surveys in the fine control mode in which you visit a national monument. The shopping center has to survive the times to be a testimony of our time. An icon, a symbol that conveys a message, the message reads ‘consumer’. In short, a Shopping Center is a mix of unprecedented insights that speak of a widespread phenomenon of bewilderment. Its space and the reactions of contemporary man unfold in it like a fish in water. What are the key aspects which allow us to recognize the essential quality of a shopping center in this concurrence of perplexities? First, we want to record a service function of space much deeper than the immediately obvious, i.e. a purchase occurs. A building that appears to be involved with the environment and its people from the hand of the unexpected circumstances; surprise and attention. And that, in turn, also involves the visitor beyond the purchase. This dedication to service closely links the mall with its architectural nature. It is not the function of a lifeless machine. It is a feature that suggests unsuspected perceptions linked to the purchase, which speaks of an organism that lives and breathes in unison with the visitor. Second, in addition to the vocation of service-oriented desire for consumption, the Mall environment serves a particular society - The consumer society. A new society which relates to building a sense of community developed to the level of their desires. This community also constitutes the most powerful asset to the success of the daily life of the Shopping Center. Third, we emphasize that the so called economy of the experience is combined with the consumer zeal of a company that is identified by the Shopping Center. It connects to form a holistic and planned experience. This experience takes shape in the entity that ensues from the premeditated association and synergy, in the sense of a collaboration for success. A set of concrete commercial and independent establishments, take part in the spatial and commercial adventure that is the Mall and they are the instigators of the consumption. This holistic behavior finds culmination in the amplification of a claim that becomes unitary, like an immense force that leads to an increased profitability to all the levels. Consummation is a reference of one human being overturned in an architecture assimilated into a legitimate, emotional design with stability. A holistic quality is born of the essence of the building - and by virtue of the Conditions of Alexander, Christopher Alexander, determines the system condition of the Shopping Center. Fourth, we propose to establish what character the Mall will form when joined with the concept of its typology. This is going to allow the architectural work to be formed. As a result of the holistic structure that we see, the Mall is perceived as a system whose parts have their own function, justifying their existence in the ecosystem. Across a gestalt there is a powerful capacity of communication between the system and its context. We visualize on the one that stands out our building, turning both, Center and environment, in accomplices of a few special relations who complement each other in his realities. This relationship within a complex and diverse environment gives the Mall a range of unique spatial perceptions, the result of disparate experiences, which because of its root origin of gestalt, are integrated into a unified and coordinated manner fully intelligible and organized. This is the final formal essence of the Shopping Center. We can conclude here that the Mall as architecture is a structured system and should be perceived as a unit both from a physical and spatial perspective as this is the essence of its architecture. Fifth, the Mall as a system. A system which is being supported by a broad theoretical corpus, the General Systems Theory, which offers sufficient methodology to descend into consideration and give an enlightened conclusion on the overall understanding of the Mall. Consideration of the Mall as a system is a result of its holistic structure. The whole does not behave like any of the parties and they do not behave the way they used to before belonging to the whole, because they inhibit many of their qualities to their advantage. It arises the need for an ongoing dialogue between marketing processes and its translation into the physical world, the design. The system generates multiple perceptions to be integrated into a body which is to be understood as unitary. As a system, the Mall is inserted into the contemporary paradigm, creating dual realities that are not exclusive and are reactions of uncertainty that the system be properly designed at all levels, faced with their ability to self-regulate. Likewise, considering the visitor, the customer, like the quantum spectator who interacts with the system permanently. Moreover, a complex system confronts us with the Commercial mix, the effective location of parts in order to relate to the body and its importance in the architecture we are conceiving. Unpredictable architecture, which stands as the challenge of the operation and the designer. Design that becomes the tool of the system to create success for the overall operation. The discussion of the styling is merely the result of analysis that also seeks the success of the system, i.e. the styling should send the right message for the environment to ensure its survival. Sixth, the idea of negotiation as an architecture project, a mechanism inherent to the status of the proposed system. The project solution is never evident at the Shopping Center because of the unpredictability of the process itself. It can only be the fruit of the commitment of all stakeholders to achieve the objective of the operation. This is achieved from the balance of interests, of commercial and design. A commitment to negotiation and a negotiation linked to coordination. The pursuit of stability is key, as instability is always present and constantly requires strategies to build the object you are configuring. Seventh, proposes space-time itself as a circumstance that determines and structures the perception of the Mall in a singular way. We introduce concepts as chronotope and paradox to help us place the relationship between time and space within the Mall in the context of shopping. A consequence of the parallel flow of historical time - the time outside - and the time inside the Mall, the big shopping center formula is precisely that of having the feeling of timelessness in the space. The social triumph of the mall is the ability to resolve in space and in time all postmodern paradoxes and, beyond that, of contemporary man, condensing into a small space and time an enormous amount of cultural symbols, often contradictory, but they attract the practice of consumerism. Eighth, global level. Globalization which doesn’t ignore the local level. Architecture that is inserted into the dynamics of a global economy, reflects the contradictions that it imposes, mainly in the processes of inclusion and exclusion. Inclusion and exclusion affect the debate of the local level, which the Mall must incorporate as an unavoidable tool of recognition. The eight fundamental principles, when applied as a whole, confirm that the built heritage, which corresponds to the general Mall idea, can be presented as a cohesive conceptual whole. This becomes part of a coherent architectural family, whose functional structures are able to be established. The Third chapter presents in a detailed way the figure of the architect Victor Gruen, recognized as the creator of the modern Mall. Studying his professional experience, it is shown how the different keys analyzed in previous chapters are appearing in a natural way. "Victor Gruen may well have been the most influential architect of the twentieth century." Malcolm Gladwell. The Terrazo Jungle. Fifty Years Ago, The Mall Was Born. America Never Would Be The Same. 2004. In The New Yorker. He was a complex, troubled man and the paradoxes along his career were notable. Nevertheless, always he appeared as a straight man. Garret Eckbo, the recognized landscape painter and collaborator of Gruen was astonished how Gruen had been capable of combining comity and humanity in this career of rates, into that the American commercialization turned, Johnson, in 1962, weighting many Gruen's skills demonstrated that he was not sure if anyone of them, architects artists, had been capable of doing what Gruen did. He goes beyond just the creation of a beautiful building. In playing on people and suggesting what they ought to do, he is a master. (…) his architecture is clean - hardly architecture, no flights of fancy. But when you get hold of its complexity, you've got something beyond the design... You can't say there's someone like him. Architecture is lucky to have him as an architect." Philip Johnson. Article in Fortune Review. 1962. The Document of the thesis closes with Gruen's vision of realizing a tour through the different chapters of his essential book, Shopping towns USA: The Planning of Shopping Centers. It’s mere index turns out to be a monument to the process of the gestation of the Mall. The book, simply acted in its basic structure as a silent witness, as the canonical reference for the contemporary Malls. The Fourth Chapter of the Document of the thesis is a recapitulation of the previous work, which synthesizes the concepts of function and style related to the Shopping Center, and clearly defines how they are defined so we can conclude that we have found an architectural new type in the panorama of the architectural discipline. Therefore, the Conclusion of the thesis integrates this development in a theoretical body of references that relate to an architectural specific and particular type, which receives the singularity of the Shopping Center as an architectural independent phenomenon as it has tried to demonstrate from the beginning of the work. To conclude, as a result of the integrative process and the development of the theoretical body of references, the essential characteristics of the order and concept of the architectural typology form the existence of a new architecture; architecture never before defined as such, in the theoretical typology of the discipline. A theoretical typology for a new architecture is proposed throughout the discussed research and forms a conclusion of the different parameters that have been analysed. As a building complex, from the study of the essential characteristics and of the perceptible constants, the typology is more clearly defined and thus, becomes a useful tool and precedent for the consideration of the discipline. The thesis then justifies how the building complex known as Shopping Center constitutes a new type of architectural typology.

Parallel Computer Vision Algorithms for Graphics Processing Units

La evolución de los teléfonos móviles inteligentes, dotados de cámaras digitales, está provocando una creciente demanda de aplicaciones cada vez más complejas que necesitan algoritmos de visión artificial en tiempo real; puesto que el tamaño de las señales de vídeo no hace sino aumentar y en cambio el rendimiento de los procesadores de un solo núcleo se ha estancado, los nuevos algoritmos que se diseñen para visión artificial han de ser paralelos para poder ejecutarse en múltiples procesadores y ser computacionalmente escalables. Una de las clases de procesadores más interesantes en la actualidad se encuentra en las tarjetas gráficas (GPU), que son dispositivos que ofrecen un alto grado de paralelismo, un excelente rendimiento numérico y una creciente versatilidad, lo que los hace interesantes para llevar a cabo computación científica. En esta tesis se exploran dos aplicaciones de visión artificial que revisten una gran complejidad computacional y no pueden ser ejecutadas en tiempo real empleando procesadores tradicionales. En cambio, como se demuestra en esta tesis, la paralelización de las distintas subtareas y su implementación sobre una GPU arrojan los resultados deseados de ejecución con tasas de refresco interactivas. Asimismo, se propone una técnica para la evaluación rápida de funciones de complejidad arbitraria especialmente indicada para su uso en una GPU. En primer lugar se estudia la aplicación de técnicas de síntesis de imágenes virtuales a partir de únicamente dos cámaras lejanas y no paralelas—en contraste con la configuración habitual en TV 3D de cámaras cercanas y paralelas—con información de color y profundidad. Empleando filtros de mediana modificados para la elaboración de un mapa de profundidad virtual y proyecciones inversas, se comprueba que estas técnicas son adecuadas para una libre elección del punto de vista. Además, se demuestra que la codificación de la información de profundidad con respecto a un sistema de referencia global es sumamente perjudicial y debería ser evitada. Por otro lado se propone un sistema de detección de objetos móviles basado en técnicas de estimación de densidad con funciones locales. Este tipo de técnicas es muy adecuada para el modelado de escenas complejas con fondos multimodales, pero ha recibido poco uso debido a su gran complejidad computacional. El sistema propuesto, implementado en tiempo real sobre una GPU, incluye propuestas para la estimación dinámica de los anchos de banda de las funciones locales, actualización selectiva del modelo de fondo, actualización de la posición de las muestras de referencia del modelo de primer plano empleando un filtro de partículas multirregión y selección automática de regiones de interés para reducir el coste computacional. Los resultados, evaluados sobre diversas bases de datos y comparados con otros algoritmos del estado del arte, demuestran la gran versatilidad y calidad de la propuesta. Finalmente se propone un método para la aproximación de funciones arbitrarias empleando funciones continuas lineales a tramos, especialmente indicada para su implementación en una GPU mediante el uso de las unidades de filtraje de texturas, normalmente no utilizadas para cómputo numérico. La propuesta incluye un riguroso análisis matemático del error cometido en la aproximación en función del número de muestras empleadas, así como un método para la obtención de una partición cuasióptima del dominio de la función para minimizar el error. ABSTRACT The evolution of smartphones, all equipped with digital cameras, is driving a growing demand for ever more complex applications that need to rely on real-time computer vision algorithms. However, video signals are only increasing in size, whereas the performance of single-core processors has somewhat stagnated in the past few years. Consequently, new computer vision algorithms will need to be parallel to run on multiple processors and be computationally scalable. One of the most promising classes of processors nowadays can be found in graphics processing units (GPU). These are devices offering a high parallelism degree, excellent numerical performance and increasing versatility, which makes them interesting to run scientific computations. In this thesis, we explore two computer vision applications with a high computational complexity that precludes them from running in real time on traditional uniprocessors. However, we show that by parallelizing subtasks and implementing them on a GPU, both applications attain their goals of running at interactive frame rates. In addition, we propose a technique for fast evaluation of arbitrarily complex functions, specially designed for GPU implementation. First, we explore the application of depth-image–based rendering techniques to the unusual configuration of two convergent, wide baseline cameras, in contrast to the usual configuration used in 3D TV, which are narrow baseline, parallel cameras. By using a backward mapping approach with a depth inpainting scheme based on median filters, we show that these techniques are adequate for free viewpoint video applications. In addition, we show that referring depth information to a global reference system is ill-advised and should be avoided. Then, we propose a background subtraction system based on kernel density estimation techniques. These techniques are very adequate for modelling complex scenes featuring multimodal backgrounds, but have not been so popular due to their huge computational and memory complexity. The proposed system, implemented in real time on a GPU, features novel proposals for dynamic kernel bandwidth estimation for the background model, selective update of the background model, update of the position of reference samples of the foreground model using a multi-region particle filter, and automatic selection of regions of interest to reduce computational cost. The results, evaluated on several databases and compared to other state-of-the-art algorithms, demonstrate the high quality and versatility of our proposal. Finally, we propose a general method for the approximation of arbitrarily complex functions using continuous piecewise linear functions, specially formulated for GPU implementation by leveraging their texture filtering units, normally unused for numerical computation. Our proposal features a rigorous mathematical analysis of the approximation error in function of the number of samples, as well as a method to obtain a suboptimal partition of the domain of the function to minimize approximation error.