Implementation of the Heated Pulsed Theory using actively heated fiber optics: measurements of soil volumetric water content and soil volumetric heat capacity

Existe una creciente necesidad de hacer el mejor uso del agua para regadío. Una alternativa eficiente consiste en la monitorización del contenido volumétrico de agua (θ), utilizando sensores de humedad. A pesar de existir una gran diversidad de sensores y tecnologías disponibles, actualmente ninguna de ellas permite obtener medidas distribuidas en perfiles verticales de un metro y en escalas laterales de 0.1-1,000 m. En este sentido, es necesario buscar tecnologías alternativas que sirvan de puente entre las medidas puntuales y las escalas intermedias. Esta tesis doctoral se basa en el uso de Fibra Óptica (FO) con sistema de medida de temperatura distribuida (DTS), una tecnología alternativa de reciente creación que ha levantado gran expectación en las últimas dos décadas. Específicamente utilizamos el método de fibra calentada, en inglés Actively Heated Fiber Optic (AHFO), en la cual los cables de Fibra Óptica se utilizan como sondas de calor mediante la aplicación de corriente eléctrica a través de la camisa de acero inoxidable, o de un conductor eléctrico simétricamente posicionado, envuelto, alrededor del haz de fibra óptica. El uso de fibra calentada se basa en la utilización de la teoría de los pulsos de calor, en inglés Heated Pulsed Theory (HPP), por la cual el conductor se aproxima a una fuente de calor lineal e infinitesimal que introduce calor en el suelo. Mediante el análisis del tiempo de ocurrencia y magnitud de la respuesta térmica ante un pulso de calor, es posible estimar algunas propiedades específicas del suelo, tales como el contenido de humedad, calor específico (C) y conductividad térmica. Estos parámetros pueden ser estimados utilizando un sensor de temperatura adyacente a la sonda de calor [método simple, en inglés single heated pulsed probes (SHPP)], ó a una distancia radial r [método doble, en inglés dual heated pulsed probes (DHPP)]. Esta tesis doctoral pretende probar la idoneidad de los sistemas de fibra óptica calentada para la aplicación de la teoría clásica de sondas calentadas. Para ello, se desarrollarán dos sistemas FO-DTS. El primero se sitúa en un campo agrícola de La Nava de Arévalo (Ávila, España), en el cual se aplica la teoría SHPP para estimar θ. El segundo sistema se desarrolla en laboratorio y emplea la teoría DHPP para medir tanto θ como C. La teoría SHPP puede ser implementada con fibra óptica calentada para obtener medidas distribuidas de θ, mediante la utilización de sistemas FO-DTS y el uso de curvas de calibración específicas para cada suelo. Sin embargo, la mayoría de aplicaciones AHFO se han desarrollado exclusivamente en laboratorio utilizando medios porosos homogéneos. En esta tesis se utiliza el programa Hydrus 2D/3D para definir tales curvas de calibración. El modelo propuesto es validado en un segmento de cable enterrado en una instalación de fibra óptica y es capaz de predecir la respuesta térmica del suelo en puntos concretos de la instalación una vez que las propiedades físicas y térmicas de éste son definidas. La exactitud de la metodología para predecir θ frente a medidas puntuales tomadas con sensores de humedad comerciales fue de 0.001 a 0.022 m3 m-3 La implementación de la teoría DHPP con AHFO para medir C y θ suponen una oportunidad sin precedentes para aplicaciones medioambientales. En esta tesis se emplean diferentes combinaciones de cables y fuentes emisoras de calor, que se colocan en paralelo y utilizan un rango variado de espaciamientos, todo ello en el laboratorio. La amplitud de la señal y el tiempo de llegada se han observado como funciones del calor específico del suelo. Medidas de C, utilizando esta metodología y ante un rango variado de contenidos de humedad, sugirieron la idoneidad del método, aunque también se observaron importantes errores en contenidos bajos de humedad de hasta un 22%. La mejora del método requerirá otros modelos más precisos que tengan en cuenta el diámetro del cable, así como la posible influencia térmica del mismo. ABSTRACT There is an increasing need to make the most efficient use of water for irrigation. A good approach to make irrigation as efficient as possible is to monitor soil water content (θ) using soil moisture sensors. Although, there is a broad range of different sensors and technologies, currently, none of them can practically and accurately provide vertical and lateral moisture profiles spanning 0-1 m depth and 0.1-1,000 m lateral scales. In this regard, further research to fulfill the intermediate scale and to bridge single-point measurement with the broaden scales is still needed. This dissertation is based on the use of Fiber Optics with Distributed Temperature Sensing (FO-DTS), a novel approach which has been receiving growing interest in the last two decades. Specifically, we employ the so called Actively Heated Fiber Optic (AHFO) method, in which FO cables are employed as heat probe conductors by applying electricity to the stainless steel armoring jacket or an added conductor symmetrically positioned (wrapped) about the FO cable. AHFO is based on the classic Heated Pulsed Theory (HPP) which usually employs a heat probe conductor that approximates to an infinite line heat source which injects heat into the soil. Observation of the timing and magnitude of the thermal response to the energy input provide enough information to derive certain specific soil thermal characteristics such as the soil heat capacity, soil thermal conductivity or soil water content. These parameters can be estimated by capturing the soil thermal response (using a thermal sensor) adjacent to the heat source (the heating and the thermal sources are mounted together in the so called single heated pulsed probe (SHPP)), or separated at a certain distance, r (dual heated pulsed method (DHPP) This dissertation aims to test the feasibility of heated fiber optics to implement the HPP theory. Specifically, we focus on measuring soil water content (θ) and soil heat capacity (C) by employing two types of FO-DTS systems. The first one is located in an agricultural field in La Nava de Arévalo (Ávila, Spain) and employ the SHPP theory to estimate θ. The second one is developed in the laboratory using the procedures described in the DHPP theory, and focuses on estimating both C and θ. The SHPP theory can be implemented with actively heated fiber optics (AHFO) to obtain distributed measurements of soil water content (θ) by using reported soil thermal responses in Distributed Temperature Sensing (DTS) and with a soil-specific calibration relationship. However, most reported AHFO applications have been calibrated under laboratory homogeneous soil conditions, while inexpensive efficient calibration procedures useful in heterogeneous soils are lacking. In this PhD thesis, we employ the Hydrus 2D/3D code to define these soil-specific calibration curves. The model is then validated at a selected FO transect of the DTS installation. The model was able to predict the soil thermal response at specific locations of the fiber optic cable once the surrounding soil hydraulic and thermal properties were known. Results using electromagnetic moisture sensors at the same specific locations demonstrate the feasibility of the model to detect θ within an accuracy of 0.001 to 0.022 m3 m-3. Implementation of the Dual Heated Pulsed Probe (DPHP) theory for measurement of volumetric heat capacity (C) and water content (θ) with Distributed Temperature Sensing (DTS) heated fiber optic (FO) systems presents an unprecedented opportunity for environmental monitoring. We test the method using different combinations of FO cables and heat sources at a range of spacings in a laboratory setting. The amplitude and phase-shift in the heat signal with distance was found to be a function of the soil volumetric heat capacity (referred, here, to as Cs). Estimations of Cs at a range of θ suggest feasibility via responsiveness to the changes in θ (we observed a linear relationship in all FO combinations), though observed bias with decreasing soil water contents (up to 22%) was also reported. Optimization will require further models to account for the finite radius and thermal influence of the FO cables, employed here as “needle probes”. Also, consideration of the range of soil conditions and cable spacing and jacket configurations, suggested here to be valuable subjects of further study and development.

Proposal of a trust and reputation model to provide recommendation in open quality oriented environments

El auge y penetración de las nuevas tecnologías junto con la llamada Web Social están cambiando la forma en la que accedemos a la medicina. Cada vez más pacientes y profesionales de la medicina están creando y consumiendo recursos digitales de contenido clínico a través de Internet, surgiendo el problema de cómo asegurar la fiabilidad de estos recursos. Además, un nuevo concepto está apareciendo, el de pervasive healthcare o sanidad ubicua, motivado por pacientes que demandan un acceso a los servicios sanitarios en todo momento y en todo lugar. Este nuevo escenario lleva aparejado un problema de confianza en los proveedores de servicios sanitarios. Las plataformas de eLearning se están erigiendo como paradigma de esta nueva Medicina 2.0 ya que proveen un servicio abierto a la vez que controlado/supervisado a recursos digitales, y facilitan las interacciones y consultas entre usuarios, suponiendo una buena aproximación para esta sanidad ubicua. En estos entornos los problemas de fiabilidad y confianza pueden ser solventados mediante la implementación de mecanismos de recomendación de recursos y personas de manera confiable. Tradicionalmente las plataformas de eLearning ya cuentan con mecanismos de recomendación, si bien están más enfocados a la recomendación de recursos. Para la recomendación de usuarios es necesario acudir a mecanismos más elaborados como son los sistemas de confianza y reputación (trust and reputation) En ambos casos, tanto la recomendación de recursos como el cálculo de la reputación de los usuarios se realiza teniendo en cuenta criterios principalmente subjetivos como son las opiniones de los usuarios. En esta tesis doctoral proponemos un nuevo modelo de confianza y reputación que combina evaluaciones automáticas de los recursos digitales en una plataforma de eLearning, con las opiniones vertidas por los usuarios como resultado de las interacciones con otros usuarios o después de consumir un recurso. El enfoque seguido presenta la novedad de la combinación de una parte objetiva con otra subjetiva, persiguiendo mitigar el efecto de posibles castigos subjetivos por parte de usuarios malintencionados, a la vez que enriquecer las evaluaciones objetivas con información adicional acerca de la capacidad pedagógica del recurso o de la persona. El resultado son recomendaciones siempre adaptadas a los requisitos de los usuarios, y de la máxima calidad tanto técnica como educativa. Esta nueva aproximación requiere una nueva herramienta para su validación in-silico, al no existir ninguna aplicación que permita la simulación de plataformas de eLearning con mecanismos de recomendación de recursos y personas, donde además los recursos sean evaluados objetivamente. Este trabajo de investigación propone pues una nueva herramienta, basada en el paradigma de programación orientada a agentes inteligentes para el modelado de comportamientos complejos de usuarios en plataformas de eLearning. Además, la herramienta permite también la simulación del funcionamiento de este tipo de entornos dedicados al intercambio de conocimiento. La evaluación del trabajo propuesto en este documento de tesis se ha realizado de manera iterativa a lo largo de diferentes escenarios en los que se ha situado al sistema frente a una amplia gama de comportamientos de usuarios. Se ha comparado el rendimiento del modelo de confianza y reputación propuesto frente a dos modos de recomendación tradicionales: a) utilizando sólo las opiniones subjetivas de los usuarios para el cálculo de la reputación y por extensión la recomendación; y b) teniendo en cuenta sólo la calidad objetiva del recurso sin hacer ningún cálculo de reputación. Los resultados obtenidos nos permiten afirmar que el modelo desarrollado mejora la recomendación ofrecida por las aproximaciones tradicionales, mostrando una mayor flexibilidad y capacidad de adaptación a diferentes situaciones. Además, el modelo propuesto es capaz de asegurar la recomendación de nuevos usuarios entrando al sistema frente a la nula recomendación para estos usuarios presentada por el modo de recomendación predominante en otras plataformas que basan la recomendación sólo en las opiniones de otros usuarios. Por último, el paradigma de agentes inteligentes ha probado su valía a la hora de modelar plataformas virtuales complejas orientadas al intercambio de conocimiento, especialmente a la hora de modelar y simular el comportamiento de los usuarios de estos entornos. La herramienta de simulación desarrollada ha permitido la evaluación del modelo de confianza y reputación propuesto en esta tesis en una amplia gama de situaciones diferentes. ABSTRACT Internet is changing everything, and this revolution is especially present in traditionally offline spaces such as medicine. In recent years health consumers and health service providers are actively creating and consuming Web contents stimulated by the emergence of the Social Web. Reliability stands out as the main concern when accessing the overwhelming amount of information available online. Along with this new way of accessing the medicine, new concepts like ubiquitous or pervasive healthcare are appearing. Trustworthiness assessment is gaining relevance: open health provisioning systems require mechanisms that help evaluating individuals’ reputation in pursuit of introducing safety to these open and dynamic environments. Technical Enhanced Learning (TEL) -commonly known as eLearning- platforms arise as a paradigm of this Medicine 2.0. They provide an open while controlled/supervised access to resources generated and shared by users, enhancing what it is being called informal learning. TEL systems also facilitate direct interactions amongst users for consultation, resulting in a good approach to ubiquitous healthcare. The aforementioned reliability and trustworthiness problems can be faced by the implementation of mechanisms for the trusted recommendation of both resources and healthcare services providers. Traditionally, eLearning platforms already integrate recommendation mechanisms, although this recommendations are basically focused on providing an ordered classifications of resources. For users’ recommendation, the implementation of trust and reputation systems appears as the best solution. Nevertheless, both approaches base the recommendation on the information from the subjective opinions of other users of the platform regarding the resources or the users. In this PhD work a novel approach is presented for the recommendation of both resources and users within open environments focused on knowledge exchange, as it is the case of TEL systems for ubiquitous healthcare. The proposed solution adds the objective evaluation of the resources to the traditional subjective personal opinions to estimate the reputation of the resources and of the users of the system. This combined measure, along with the reliability of that calculation, is used to provide trusted recommendations. The integration of opinions and evaluations, subjective and objective, allows the model to defend itself against misbehaviours. Furthermore, it also allows ‘colouring’ cold evaluation values by providing additional quality information such as the educational capacities of a digital resource in an eLearning system. As a result, the recommendations are always adapted to user requirements, and of the maximum technical and educational quality. To our knowledge, the combination of objective assessments and subjective opinions to provide recommendation has not been considered before in the literature. Therefore, for the evaluation of the trust and reputation model defined in this PhD thesis, a new simulation tool will be developed following the agent-oriented programming paradigm. The multi-agent approach allows an easy modelling of independent and proactive behaviours for the simulation of users of the system, conforming a faithful resemblance of real users of TEL platforms. For the evaluation of the proposed work, an iterative approach have been followed, testing the performance of the trust and reputation model while providing recommendation in a varied range of scenarios. A comparison with two traditional recommendation mechanisms was performed: a) using only users’ past opinions about a resource and/or other users; and b) not using any reputation assessment and providing the recommendation considering directly the objective quality of the resources. The results show that the developed model improves traditional approaches at providing recommendations in Technology Enhanced Learning (TEL) platforms, presenting a higher adaptability to different situations, whereas traditional approaches only have good results under favourable conditions. Furthermore the promotion period mechanism implemented successfully helps new users in the system to be recommended for direct interactions as well as the resources created by them. On the contrary OnlyOpinions fails completely and new users are never recommended, while traditional approaches only work partially. Finally, the agent-oriented programming (AOP) paradigm has proven its validity at modelling users’ behaviours in TEL platforms. Intelligent software agents’ characteristics matched the main requirements of the simulation tool. The proactivity, sociability and adaptability of the developed agents allowed reproducing real users’ actions and attitudes through the diverse situations defined in the evaluation framework. The result were independent users, accessing to different resources and communicating amongst them to fulfil their needs, basing these interactions on the recommendations provided by the reputation engine.

Development and Testing of a Fiber Bragg Grating Strain Sensor for Uniaxial Compression of Rock Specimens

Los sensores de fibra óptica son una tecnología que ha madurado en los últimos años, sin embargo, se requiere un mayor desarrollo de aplicaciones para materiales naturales como las rocas, que por ser agregados complejos pueden contener partículas minerales y fracturas de tamaño mucho mayor que las galgas eléctricas usadas tradicionalmente para medir deformaciones en las pruebas de laboratorio, ocasionando que los resultados obtenidos puedan ser no representativos. En este trabajo fueron diseñados, fabricados y probados sensores de deformación de gran área y forma curvada, usando redes de Bragg en fibra óptica (FBG) con el objetivo de obtener registros representativos en rocas que contienen minerales y estructuras de diversas composiciones, tamaños y direcciones. Se presenta el proceso de elaboración del transductor, su caracterización mecánica, su calibración y su evaluación en pruebas de compresión uniaxial en muestras de roca. Para verificar la eficiencia en la transmisión de la deformación de la roca al sensor una vez pegado, también fue realizado el análisis de la transferencia incluyendo los efectos del adhesivo, de la muestra y del transductor. Los resultados experimentales indican que el sensor desarrollado permite registro y transferencia de la deformación fiables, avance necesario para uso en rocas y otros materiales heterogénos, señalando una interesante perspectiva para aplicaciones sobre superficies irregulares, pues permite aumentar a voluntad el tamaño y forma del área de registro, posibilita también obtener mayor fiabilidad de resultados en muestras de pequeño tamaño y sugiere su conveniencia en obras, en las cuales los sistemas eléctricos tradicionales tienen limitaciones. ABSTRACT Optical fiber sensors are a technology that has matured in recent years, however, further development for rock applications is needed. Rocks contain mineral particles and features larger than electrical strain gauges traditionally used in laboratory tests, causing the results to be unrepresentative. In this work were designed, manufactured, and tested large area and curved shape strain gages, using fiber Bragg gratings in optical fiber (FBG) in order to obtain representative measurement on surface rocks samples containing minerals and structures of different compositions, sizes and directions. This reports presents the processes of manufacturing, mechanical characterization, calibration and evaluation under uniaxial compression tests on rock samples. To verify the efficiency of rock deformation transmitted to attached sensor, it was also performed the analysis of the strain transfer including the effects of the bonding, the sample and the transducer. The experimental results indicate that the developed sensor enables reliable measurements of the strain and its transmission from rock to sensor, appropriate for use in heterogeneous materials, pointing an interesting perspective for applications on irregular surfaces, allowing increasing at will the size and shape of the measurement area. This research suggests suitability of the optical strain gauge for real scale, where traditional electrical systems have demonstrated some limitations.