Application of NMR techniques for the evaluation of fruit internal quality and physical properties of food

Los alimentos son sistemas complejos, formados por diversas estructuras a diferentes escalas: macroscópica y microscópica. Muchas propiedades de los alimentos, que son importantes para su procesamiento, calidad y tratamiento postcosecha, están relacionados con su microestructura. La presente tesis doctoral propone una metodología completa para la determinación de la estructura de alimentos desde un punto de vista multi-escala, basándose en métodos de Resonancia Magnética Nuclear (NMR). Las técnicas de NMR son no invasivas y no destructivas y permiten el estudio tanto de macro- como de microestructura. Se han utilizado distintos procedimientos de NMR dependiendo del nivel que se desea estudiar. Para el nivel macroestructural, la Imagen de Resonancia Magnética (MRI) ha resultado ser muy útil para la caracterización de alimentos. Para el estudio microestructural, la MRI requiere altos tiempos de adquisición, lo que hace muy difícil la transferencia de esta técnica a aplicaciones en industria. Por tanto, la optimización de procedimientos de NMR basados en secuencias relaxometría 2D T1/T2 ha resultado ser una estrategia primordial en esta tesis. Estos protocolos de NMR se han implementado satisfactoriamente por primera vez en alto campo magnético. Se ha caracterizado la microestructura de productos alimentarios enteros por primera vez utilizando este tipo de protocolos. Como muestras, se han utilizado dos tipos de productos: modelos de alimentos y alimentos reales (manzanas). Además, como primer paso para su posterior implementación en la industria agroalimentaria, se ha mejorado una línea transportadora, especialmente diseñada para trabajar bajo condiciones de NMR en trabajos anteriores del grupo LPF-TAGRALIA. Se han estudiado y seleccionado las secuencias más rápidas y óptimas para la detección de dos tipos de desórdenes internos en manzanas: vitrescencia y roturas internas. La corrección de las imágenes en movimiento se realiza en tiempo real. Asimismo, se han utilizado protocolos de visión artificial para la clasificación automática de manzanas potencialmente afectadas por vitrescencia. El presente documento está dividido en diferentes capítulos: el Capítulo 2 explica los antecedentes de la presente tesis y el marco del proyecto en el que se ha desarrollado. El Capítulo 3 recoge el estado del arte. El Capítulo 4 establece los objetivos de esta tesis doctoral. Los resultados se dividen en cinco sub-secciones (dentro del Capítulo 5) que corresponden con los trabajos publicados bien en revistas revisadas por pares, bien en congresos internacionales o bien como capítulos de libros revisados por pares. La Sección 5.1. es un estudio del desarrollo de la vitrescencia en manzanas mediante MRI y lo relaciona con la posición de la fruta dentro de la copa del árbol. La Sección 5.2 presenta un trabajo sobre macro- y microestructura en modelos de alimentos. La Sección 5.3 es un artículo en revisión en una revista revisada por pares, en el que se hace un estudio microestrcutural no destructivo mediante relaxometría 2D T1/T2. la Sección 5.4, hace una comparación entre manzanas afectadas por vitrescencia mediante dos técnicas: tomografía de rayos X e MRI, en manzana. Por último, en la Sección 5.5 se muestra un trabajo en el que se hace un estudio de secuencias de MRI en línea para la evaluación de calidad interna en manzanas. Los siguientes capítulos ofrecen una discusión y conclusiones (Capítulo 6 y 7 respectivamente) de todos los capítulos de esta tesis doctoral. Finalmente, se han añadido tres apéndices: el primero con una introducción de los principios básicos de resonancia magnética nuclear (NMR) y en los otros dos, se presentan sendos estudios sobre el efecto de las fibras en la rehidratación de cereales de desayuno extrusionados, mediante diversas técnicas. Ambos trabajos se presentaron en un congreso internacional. Los resultados más relevantes de la presente tesis doctoral, se pueden dividir en tres grandes bloques: resultados sobre macroestructura, resultados sobre microestructura y resultados sobre MRI en línea. Resultados sobre macroestructura: - La imagen de resonancia magnética (MRI) se aplicó satisfactoriamente para la caracterización de macroestructura. En particular, la reconstrucción 3D de imágenes de resonancia magnética permitió identificar y caracterizar dos tipos distintos de vitrescencia en manzanas: central y radial, que se caracterizan por el porcentaje de daño y la conectividad (número de Euler). - La MRI proveía un mejor contraste para manzanas afectadas por vitrescencia que las imágenes de tomografía de rayos X (X-Ray CT), como se pudo verificar en muestras idénticas de manzana. Además, el tiempo de adquisición de la tomografía de rayos X fue alrededor de 12 veces mayor (25 minutos) que la adquisición de las imágenes de resonancia magnética (2 minutos 2 segundos). Resultados sobre microestructura: - Para el estudio de microestructura (nivel subcelular) se utilizaron con éxito secuencias de relaxometría 2D T1/T2. Estas secuencias se usaron por primera vez en alto campo y sobre piezas de alimento completo, convirtiéndose en una forma no destructiva de llevar a cabo estudios de microestructura. - El uso de MRI junto con relaxometría 2D T1/T2 permite realizar estudios multiescala en alimentos de forma no destructiva. Resultados sobre MRI en línea: - El uso de imagen de resonancia magnética en línea fue factible para la identificación de dos tipos de desórdenes internos en manzanas: vitrescencia y podredumbre interna. Las secuencias de imagen tipo FLASH resultaron adecuadas para la identificación en línea de vitrescencia en manzanas. Se realizó sin selección de corte, debido a que la vitrescencia puede desarrollarse en cualquier punto del volumen de la manzana. Se consiguió reducir el tiempo de adquisición, de modo que se llegaron a adquirir 1.3 frutos por segundos (758 ms por fruto). Las secuencias de imagen tipo UFLARE fueron adecuadas para la detección en línea de la podredumbre interna en manzanas. En este caso, se utilizó selección de corte, ya que se trata de un desorden que se suele localizar en la parte central del volumen de la manzana. Se consiguió reducir el tiempo de adquisicón hasta 0.67 frutos por segundo (1475 ms por fruto). En ambos casos (FLASH y UFLARE) fueron necesarios algoritmos para la corrección del movimiento de las imágenes en tiempo real. ABSTRACT Food is a complex system formed by several structures at different scales: macroscopic and microscopic. Many properties of foods that are relevant to process engineering or quality and postharvest treatments are related to their microstructure. This Ph.D Thesis proposes a complete methodology for food structure determination, in a multiscale way, based on the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) phenomenon since NMR techniques are non-invasive and non-destructive, and allow both, macro- and micro-structure study. Different NMR procedures are used depending on the structure level under study. For the macrostructure level, Magnetic Resonance Imaging (MRI) revealed its usefulness for food characterization. For microstructure insight, MRI required high acquisition times, which is a hindrance for transference to industry applications. Therefore, optimization of NMR procedures based on T1/T2 relaxometry sequences was a key strategy in this Thesis. These NMR relaxometry protocols, are successfully implemented in high magnetic field. Microstructure of entire food products have been characterized for the first time using these protocols. Two different types of food products have been studied: food models and actual food (apples). Furthermore, as a first step for the food industry implementation, a grading line system, specially designed for working under NMR conditions in previous works of the LPF-TAGRALIA group, is improved. The study and selection of the most suitable rapid sequence to detect two different types of disorders in apples (watercore and internal breakdown) is performed and the real time image motion correction is applied. In addition, artificial vision protocols for the automatic classification of apples potentially affected by watercore are applied. This document is divided into seven different chapters: Chapter 2 explains the thesis background and the framework of the project in which it has been worked. Chapter 3 comprises the state of the art. Chapter 4 establishes de objectives of this Ph.D thesis. The results are divided into five different sections (in Chapter 5) that correspond to published peered reviewed works. Section 5.1 assesses the watercore development in apples with MRI and studies the effect of fruit location in the canopy. Section 5.2 is an MRI and 2D relaxometry study for macro- and microstructure assessment in food models. Section 5.3 is a non-destructive microstructural study using 2D T1/T2 relaxometry on watercore affected apples. Section 5.4 makes a comparison of X-ray CT and MRI on watercore disorder of different apple cultivars. Section 5.5, that is a study of online MRI sequences for the evaluation of apple internal quality. The subsequent chapters offer a general discussion and conclusions (Chapter 6 and Chapter 7 respectively) of all the works performed in the frame of this Ph.D thesis (two peer reviewed journals, one book chapter and one international congress).Finally, three appendices are included in which an introduction to NMR principles is offered and two published proceedings regarding the effect of fiber on the rehydration of extruded breakfast cereal are displayed. The most relevant results can be summarized into three sections: results on macrostructure, results on microstructure and results on on-line MRI. Results on macrostructure: - MRI was successfully used for macrostructure characterization. Indeed, 3D reconstruction of MRI in apples allows to identify two different types of watercore (radial and block), which are characterized by the percentage of damage and the connectivity (Euler number). - MRI provides better contrast for watercore than X-Ray CT as verified on identical samples. Furthermore, X-Ray CT images acquisition time was around 12 times higher (25 minutes) than MRI acquisition time (2 minutes 2 seconds). Results on microstructure: - 2D T1/T2 relaxometry were successfully applied for microstructure (subcellular level) characterization. 2D T1/T2 relaxometry sequences have been applied for the first time on high field for entire food pieces, being a non-destructive way to achieve microstructure study. - The use of MRI together with 2D T1/T2 relaxometry sequences allows a non-destructive multiscale study of food. Results on on-line MRI: - The use of on-line MRI was successful for the identification of two different internal disorders in apples: watercore and internal breakdown. FLASH imaging was a suitable technique for the on-line detection of watercore disorder in apples, with no slice selection, since watercore is a physiological disorder that may be developed anywhere in the apple volume. 1.3 fruits were imaged per second (768 ms per fruit). UFLARE imaging is a suitable sequence for the on-line detection of internal breakdown disorder in apples. Slice selection was used, as internal breakdown is usually located in the central slice of the apple volume. 0.67 fruits were imaged per second (1475 ms per fruit). In both cases (FLASH and UFLARE) motion correction was performed in real time, during the acquisition of the images.

Modelo de gestión de costes medioambientales para el sector petroquímico venezolano

El crecimiento económico ha producido mejoras en el nivel de vida de la población que muchas veces tienen efectos medioambientales negativos en el largo plazo. Ante esta problemática, surge la necesidad a nivel empresarial de enmarcarse en un modelo de desarrollo sostenible que combine los objetivos de crecimiento económico con los de protección medioambiental. Esta situación puede representar altos costes para las empresas del sector petroquímico venezolano, debido al elevado riesgo de sus operaciones y al conjunto de regulaciones legales vigentes en materia medioambiental. Por lo tanto, el objetivo de la presente investigación ha sido proponer un modelo para la gestión de costes medioambientales de dicho sector fundamentado en la ecoeficiencia. Se planteó una investigación proyectiva, desde un enfoque holístico. Se utilizó un diseño de investigación univariable, transeccional contemporáneo, de fuente mixta. Univariable, porque se enfoca en la gestión de costes medioambientales como único evento a modificar. Transeccional contemporáneo, porque el evento se estudia en la actualidad y la medición de los datos se realiza en un solo momento. De fuente mixta, porque se combinó un diseño documental con un diseño de campo. Se utilizó un diseño documental para el análisis comparativo de las normativas de registro y control de costes medioambientales propuestas por organismos internacionales, mediante la aplicación de una matriz de análisis de categorías emergentes. Para el diagnóstico de la gestión de costes medioambientales en el sector petroquímico venezolano, se utilizó un diseño de campo en las empresas del sector que operan en la región zuliana. Para ello se aplicó un cuestionario con 100 ítems en escala Likert y 6 preguntas de opción múltiple. Dicho cuestionario fue validado mediante la revisión de expertos y se determinó su confiablidad a través del coeficiente alfa de Cronbach. Los resultados muestran que los principales asuntos tratados por las normativas analizadas pueden agruparse en seis temas: alcance de la contabilidad de gestión medioambiental, clasificación, tratamiento contable, asignación, informes de costes medioambientales e indicadores de gestión. Se evidenció que las guías de aplicación de la contabilidad de gestión medioambiental abordan todos los temas identificados pero no hay uniformidad en los criterios asumidos. Por el contrario, las normativas en el ámbito de la contabilidad financiera consideran principalmente los aspectos relacionados con el tratamiento contable de los costes medioambientales y su inclusión en los estados financieros. En cuanto a la gestión de costes medioambientales que realizan las empresas del sector petroquímico venezolano, se evidenció su limitación por la escasa consideración de criterios de ecoeficiencia y la poca aplicación de herramientas de contabilidad de gestión, que dificultan la determinación y el control de costes medioambientales. Tomando como base los resultados obtenidos, se diseñó el modelo de Gestión de Costes Medioambientales Ecoeficiente (GCME). Dicho modelo plantea como deben incorporarse los criterios de ecoeficiencia y las herramientas de contabilidad de gestión medioambiental para la planificación, coordinación y control en la gestión de costes medioambientales. Se plantea que estas etapas deben desarrollarse permanentemente para asegurar la mejora continua del proceso y su adaptación a los cambios tecnológicos y a las regulaciones legales. Se hace énfasis en las directrices que deben seguir las empresas del sector petroquímico venezolano para la aplicación del modelo GCME. Sin embargo, por su generalidad y adaptación a las Normas Internacionales de Contabilidad vigentes en Venezuela, dicho modelo es aplicable a diversos sectores industriales que requieran mejorar su desempeño económico-medioambiental. ABSTRACT Economic growth has led to improvements in the standard of living of the population that often have negative environmental effects over the long term. Faced with this problem, at the enterprise-level, the need to be framed in a sustainable development model that combines the goals of economic growth with environmental protection arises. This situation may represent high costs for the Venezuelan petrochemical companies due to the high risk of their operations and to all the applicable legal regulations on environmental matters. Therefore, this research aims to propose a model for the environmental costs management of these companies based on eco-efficiency. A projective research was performed from a holistic approach. An univariate, contemporary cross-sectional and mixed source research design was used. It is univariate, because it focuses on environmental costs management as the single event to change. It is contemporary cross-sectional, because the event is currently studied and the data measurement is performed in a single moment. It relies on mixed source, because it combines a documentary design with a field design. A documentary design was used for the comparative analysis of the standards of registration and control of environmental costs proposed by international organizations, by applying an analysis matrix of emerging categories. For the diagnosis of the environmental costs management in the Venezuelan petrochemical industry, a field design was applied in the companies that operate in the Zulia region. A questionnaire with 100 items on a Likert scale and 6 multiple-choice questions was used. The questionnaire was validated by peer review and internal consistency reliability was determined using Cronbach's alpha coefficient. The results show that the main issues addressed in the analyzed regulations can be grouped into six themes: scope of environmental management accounting, classification, accounting, allocation, reporting of environmental costs and performance indicators. It was evident that implementation guides of environmental management accounting address all issues identified but there is no uniformity in the assumed criteria. Meanwhile, regulations in the financial accounting field mainly consider aspects related to the accounting treatment of environmental costs and their inclusion in the financial statements. Regarding the environmental costs management performed by Venezuelan petrochemical companies, its limitations were made evident by the low status of eco-efficiency criteria and insufficient application of management accounting tools, which hinder the identification and control of environmental costs. Based on the results, the model of eco-efficient environmental costs management (EECM) was designed. This model indicates how eco-efficiency criteria and tools of environmental management accounting for planning, coordination and control in the environmental costs management should be incorporated. It argues that these stages must be continually developed to ensure a continuous process improvement and its adaptation to technological and legal regulatory changes. The guidelines which the Venezuelan petrochemical companies should follow for the EECM model application have been emphasized. However, due to its generality and adaptation to the International Accounting Standards enforced in Venezuela, this model is applicable to various industries that require an improvement of their economic and environmental performance.

Obtención y Uso de Patrones para la Implementación de Funcionalidades de Usabilidad en Aplicaciones Web

La usabilidad es un atributo de calidad de un sistema software que llega a ser crítico en sistemas altamente interactivos. Desde el campo de la Interacción Persona-Ordenador se proponen recomendaciones que permiten alcanzar un nivel adecuado de usabilidad en un sistema. En la disciplina de la Ingeniería de Software se ha establecido que algunas de estas recomendaciones afectan a la funcionalidad principal de los sistemas y no solo a la interfaz de usuario. Este tipo de recomendaciones de usabilidad se deben tener en cuenta desde las primeras actividades y durante todo el proceso de desarrollo, así como se hace con atributos tales como la seguridad, la facilidad de mantenimiento o el rendimiento. Desde la Ingeniería de Software se han hecho estudios y propuestas para abordar la usabilidad en las primeras actividades del desarrollo. En particular en la educción de requisitos y diseño de la arquitectura. Estas propuestas son de un alto nivel de abstracción. En esta investigación se aborda la usabilidad en actividades avanzadas del proceso de desarrollo: el diseño detallado y la programación. El objetivo de este trabajo es obtener, formalizar y validar soluciones reutilizables para la usabilidad en estas actividades. En este estudio se seleccionan tres funcionalidades de usabilidad identificadas como de alto impacto en el diseño: Abortar Operación, Retroalimentación de Progreso y Preferencias. Para la obtención de elementos reutilizables se utiliza un método inductivo. Se parte de la construcción de aplicaciones web particulares y se induce una solución general. Durante la construcción de las aplicaciones se mantiene la trazabilidad de los elementos relacionados con cada funcionalidad de usabilidad. Al finalizar se realiza un análisis de elementos comunes, y los hallazgos se formalizan como patrones de diseño orientados a la implementación y patrones de programación en cada uno de los lenguajes utilizados: PHP, VB .NET y Java. Las soluciones formalizadas como patrones se validan usando la metodología de estudio de casos. Desarrolladores independientes utilizan los patrones para la inclusión de las tres funcionalidades de usabilidad en dos nuevas aplicaciones web. Como resultado, los desarrolladores pueden usar con éxito las soluciones propuestas para dos de las funcionalidades: Abortar Operación y Preferencias. La funcionalidad Retroalimentación de Progreso no puede ser implementada completamente. Se concluye que es posible obtener elementos reutilizables para la implementación de cada funcionalidad de usabilidad. Estos elementos incluyen: escenarios de aplicación, que son la combinación de casuísticas que generan las funcionalidades de usabilidad, responsabilidades comunes necesarias para cubrir los escenarios, componentes comunes para cumplir con las responsabilidades, elementos de diseño asociados a los componentes y el código que implementa el diseño. Formalizar las soluciones como patrones resulta útil para comunicar los hallazgos a otros desarrolladores y los patrones se mejoran a través de su utilización en nuevos desarrollos. La implementación de funcionalidades de usabilidad presenta características que condicionan su reutilización, en particular, el nivel de acoplamiento de la funcionalidad de usabilidad con las funcionalidades de la aplicación, y la complejidad interna de la solución. ABSTRACT Usability is a critical quality attribute of highly interactive software systems. The humancomputer interaction field proposes recommendations for achieving an acceptable system usability level. The discipline of software engineering has established that some of these recommendations affect not only the user interface but also the core system functionality. This type of usability recommendations must be taken into account as of the early activities and throughout the software development process as in the case of attributes like security, ease of maintenance or performance. Software engineering has conducted studies and put forward proposals for tackling usability in the early development activities, particularly requirements elicitation and architecture design. These proposals have a high level of abstraction. This research addresses usability in later activities of the development process: detailed design and programming. The goal of this research is to discover, specify and validate reusable usability solutions for detailed design and programming. Abort Operation, Feedback and Preferences, three usability functionalities identified as having a high impact on design, are selected for the study. An inductive method, whereby a general solution is induced from particular web applications built for the purpose, is used to discover reusable elements. During the construction of the applications, the traceability of the elements related to each usability functionality is maintained. At the end of the process, the common and possibly reusable elements are analysed. The findings are specified as implementation-oriented design patterns and programming patterns for each of the languages used: PHP, VB .NET and Java. The solutions specified as patterns are validated using the case study methodology. Independent developers use the patterns in order to build the three usability functionalities into two new web applications. As a result, the developers successfully use the proposed solutions for two of the functionalities: Abort Operation and Preferences. The Progress Feedback functionality cannot be fully implemented. We conclude that it is possible to discover reusable elements for implementing each usability functionality. These elements include: application scenarios, which are combinations of cases that generate usability functionalities, common responsibilities to cover the scenarios, common components to fulfil the responsibilities, design elements associated with the components and code implementing the design. It is useful to specify solutions as patterns in order to communicate findings to other developers, and patterns improve through further use in other development projects. Reusability depends on the features of usability functionality implementation, particularly the level of coupling of the usability functionality with the application functionalities and the internal complexity of the solution.

Inluence of source and level of glycerin in the diet on growth performance, liver characteristics, and nturient digestibility in broilers from hatching to 21 days of age

The influence of source and level of inclusion of raw glycerin (GLYC) in the diet on growth performance, digestive traits, total tract apparent retention (TTAR), and apparent ileal digestibility of nutrients was studied in broilers from 1 to 21 d of age. There was a control diet based on corn and soybean meal and 8 additional diets that formed a 2 × 4 factorial with 2 sources of GLYC and 4 levels of inclusion (2.5, 5.0, 7.5, and 10%). The GLYC used were obtained from the same original batch of soy oil that was dried under different processing conditions and contained 87.5 or 81.6% glycerol, respectively. Type of processing of the GLYC did not affect any of the variables studied except DM and organic matter retention (P < 0.05) that was higher for the 87.5% glycerol diet. From d 1 to 21, feed conversion ratio (FCR) improved linearly (L, P ≤ 0.01) as the GLYC content of the diet increased, but ADG was not affected. On d 21, the relative weight (% BW) of the liver and the digestive tract increased (L, P < 0.01) as the level of GLYC in the diet increased, but lipid concentration in the liver was not affected. The TTAR of DM and organic matter increased quadratically (Q, P < 0.05) and the AMEn content of the diet increased linearly (L, P < 0.01) with increases in dietary GLYC. Also, the apparent ileal digestibility of DM (L, P < 0.05; Q, P = 0.07) and gross energy (L, P < 0.01) increased as the GLYC content of the diet increased. It is concluded that raw GLYC from the biodiesel industry can be used efficiently, up to 10% of the diet, as a source of energy for broilers from 1 to 21 d of age and that the energy content of well-processed raw GLYC depends primarily on its glycerol content.

Urban transport interchanges: Importance-Performance analysis for evaluating perceived quality

As the world becomes more urbanised, public transport in cities must seek to provide viable alternatives to individual car transport. At an urban level, interchanges in public transport networks provide easy transfers between and within different transport modes and facilitate seamless travel. This study proposes a methodological framework with which to identify the factors that travellers view as key elements of an urban transport interchange. An attitudinal survey was undertaken in order to collect information about users? needs and perceptions in the Moncloa interchange in Madrid, Spain. The results obtained from an Importance-Performance Analysis (IPA) show that aspects related to the signposting of different facilities and transport services, the internal design of the interchange and the surrounding area, and safety and security are the greatest strengths of the interchange.

Analysis of air flow past and through the 2415-3S airfoil for an unmanned aerial vehicle with internal propulsion system

This paper deals with the prediction of velocity fields on the 2415-3S airfoil which will be used for an unmanned aerial vehicle with internal propulsion system and in this way analyze the air flow through an internal duct of the airfoil using computational fluid dynamics. The main objective is to evaluate the effect of the internal air flow past the airfoil and how this affects the aerodynamic performance by means of lift and drag forces. For this purpose, three different designs of the internal duct were studied; starting from the base 2415-3S airfoil developed in previous investigation, basing on the hypothesis of decreasing the flow separation produced when the propulsive airflow merges the external flow, and in this way obtaining the best configuration. For that purpose, an exhaustive study of the mesh sensitivity was performed. It was used a non-structured mesh since the computational domain is three-dimensional and complex. The selected mesh contains approximately 12.5 million elements. Both the computational domain and the numerical solution were made with commercial CAD and CFD software, respectively. Air, incompressible and steady was analyzed. The boundary conditions are in concordance with experimental setup in the AF 6109 wind tunnel. The k-e model is utilized to describe the turbulent flow process as followed in references. Results allowed obtaining velocity contours as well as lift and drag coefficients and also the location of separation and reattachment regions in some cases for zero degrees of angle of attack on the internal and external surfaces of the airfoil. Finally, the selection of the configuration with the best aerodynamic performance was made, selecting the option without curved baffles.

Numerical analysis of air flow past the 2415-3S airfoil for an unmanned aerial vehicle with internal propulsion system

This paper deals with the prediction of pressure and velocity fields on the 2415-3S airfoil which will be used for and unmanned aerial vehicle with internal propulsion system and in this way analyze the air flow through an internal duct of the airfoil using computational fluid dynamics. The main objective is to evaluate the effect of the internal air flow past the airfoil and how this affects the aerodynamic performance by means of lift and drag forces. For this purpose, three different designs of the internal duct were studied; starting from the base 2415-3S airfoil developed in previous investigation, basing on the hypothesis of decreasing the flow separation produced when the propulsive airflow merges the external flow, and in this way obtaining the best configuration. For that purpose, an exhaustive study of the mesh sensitivity was performed. It was used a non-structured mesh since the computational domain is tridimensional and complex. The selected mesh contains approximately 12.5 million elements. Both the computational domain and the numerical solution were made with commercial CAD and CFD software respectively. Air, incompressible and steady was analyzed. The boundary conditions are in concordance with experimental setup in the AF 6109 wind tunnel. The k-ε model is utilized to describe the turbulent flow process as followed in references. Results allowed obtaining pressure and velocity contours as well as lift and drag coefficients and also the location of separation and reattachment regions in some cases for zero degrees of angle of attack on the internal and external surfaces of the airfoil. Finally, the selection of the configuration with the best aerodynamic performance was made, selecting the option without curved baffles.

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.