Computación celular con membranas: un estudio de modelos de cómputo bioinspirados

Los resultados presentados en la memoria de esta tesis doctoral se enmarcan en la denominada computación celular con membranas una nueva rama de investigación dentro de la computación natural creada por Gh. Paun en 1998, de ahí que habitualmente reciba el nombre de sistemas P. Este nuevo modelo de cómputo distribuido está inspirado en la estructura y funcionamiento de la célula. El objetivo de esta tesis ha sido analizar el poder y la eficiencia computacional de estos sistemas de computación celular. En concreto, se han analizado dos tipos de sistemas P: por un lado los sistemas P de neuronas de impulsos, y por otro los sistemas P con proteínas en las membranas. Para el primer tipo, los resultados obtenidos demuestran que es posible que estos sistemas mantengan su universalidad aunque muchas de sus características se limiten o incluso se eliminen. Para el segundo tipo, se analiza la eficiencia computacional y se demuestra que son capaces de resolver problemas de la clase de complejidad ESPACIO-P (PSPACE) en tiempo polinómico. Análisis del poder computacional: Los sistemas P de neuronas de impulsos (en adelante SN P, acrónimo procedente del inglés «Spiking Neural P Systems») son sistemas inspirados en el funcionamiento neuronal y en la forma en la que los impulsos se propagan por las redes sinápticas. Los SN P bio-inpirados poseen un numeroso abanico de características que ha cen que dichos sistemas sean universales y por tanto equivalentes, en poder computacional, a una máquina de Turing. Estos sistemas son potentes a nivel computacional, pero tal y como se definen incorporan numerosas características, quizás demasiadas. En (Ibarra et al. 2007) se demostró que en estos sistemas sus funcionalidades podrían ser limitadas sin comprometer su universalidad. Los resultados presentados en esta memoria son continuistas con la línea de trabajo de (Ibarra et al. 2007) y aportan nuevas formas normales. Esto es, nuevas variantes simplificadas de los sistemas SN P con un conjunto mínimo de funcionalidades pero que mantienen su poder computacional universal. Análisis de la eficiencia computacional: En esta tesis se ha estudiado la eficiencia computacional de los denominados sistemas P con proteínas en las membranas. Se muestra que este modelo de cómputo es equivalente a las máquinas de acceso aleatorio paralelas (PRAM) o a las máquinas de Turing alterantes ya que se demuestra que un sistema P con proteínas, es capaz de resolver un problema ESPACIOP-Completo como el QSAT(problema de satisfacibilidad de fórmulas lógicas cuantificado) en tiempo polinómico. Esta variante de sistemas P con proteínas es muy eficiente gracias al poder de las proteínas a la hora de catalizar los procesos de comunicación intercelulares. ABSTRACT The results presented at this thesis belong to membrane computing a new research branch inside of Natural computing. This new branch was created by Gh. Paun on 1998, hence usually receives the name of P Systems. This new distributed computing model is inspired on structure and functioning of cell. The aim of this thesis is to analyze the efficiency and computational power of these computational cellular systems. Specifically there have been analyzed two different classes of P systems. On the one hand it has been analyzed the Neural Spiking P Systems, and on the other hand it has been analyzed the P systems with proteins on membranes. For the first class it is shown that it is possible to reduce or restrict the characteristics of these kind of systems without loss of computational power. For the second class it is analyzed the computational efficiency solving on polynomial time PSACE problems. Computational Power Analysis: The spiking neural P systems (SN P in short) are systems inspired by the way of neural cells operate sending spikes through the synaptic networks. The bio-inspired SN Ps possess a large range of features that make these systems to be universal and therefore equivalent in computational power to a Turing machine. Such systems are computationally powerful, but by definition they incorporate a lot of features, perhaps too much. In (Ibarra et al. in 2007) it was shown that their functionality may be limited without compromising its universality. The results presented herein continue the (Ibarra et al. 2007) line of work providing new formal forms. That is, new SN P simplified variants with a minimum set of functionalities but keeping the universal computational power. Computational Efficiency Analisys: In this thesis we study the computational efficiency of P systems with proteins on membranes. We show that this computational model is equivalent to parallel random access machine (PRAM) or alternating Turing machine because, we show P Systems with proteins can solve a PSPACE-Complete problem as QSAT (Quantified Propositional Satisfiability Problem) on polynomial time. This variant of P Systems with proteins is very efficient thanks to computational power of proteins to catalyze inter-cellular communication processes.

Modelo para la medición con máquinas de visión e iluminación episcópica mediante la aplicación de técnicas de resolución subpíxel y aproximación bayesiana

En esta tesis se desarrolla un modelo físico-matemático, original, que permite simular el comportamiento de las máquinas de visión, en particular las máquinas ópticas digitales, cuando reciben información a través de la luz reflejada por los mensurandos. El modelo desarrollado se lia aplicado para la determinación de los parámetros que intervienen en el proceso de caracterización de formas geométricas básicas, tales como líneas, círculos y elipses. También se analizan las fuentes de error que intervienen a lo largo de la cadena metrológica y se proponen modelos de estimación de las incertidumbres de medida a través un nuevo enfoque basado en estadística bayesiana y resolución subpíxel. La validez del modelo se ha comprobado por comparación de los resultados teóricos, obtenidos a partir de modelos virtuales y simulaciones informáticas, y los reales, obtenidos mediante la realización de medidas de diferentes mensurandos del ámbito electromecánico y de dimensiones submilimétricas. Utilizando el modelo propuesto, es posible caracterizar adecuadamente mensurandos a partir del filtrado, segmentación y tratamiento matemático de las imágenes. El estudio experimental y validación definitiva de los resultados se ha realizado en el Laboratorio de Metrología Dimensional de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid. Los modelos desarrollados se han implementado sobre imágenes obtenidas con la máquina de visión marca TESA, modelo VISIO 300. Abstract In this PhD Thesis an original mathematic-physic model has been developed. It allows simulating the behaviour of the vision measuring machines, in particular the optical digital machines, where they receive information through the light reflected by the measurands. The developed model has been applied to determine the parameters involved in the process of characterization of basic geometrical features such as lines, circles and ellipses. The error sources involved along the metrological chain also are analyzed and new models for estimating measurement uncertainties through a new approach based on Bayesian statistics and subpixel resolution are proposed. The validity of the model has been verified by comparing the theoretical results obtained from virtual models and computer simulations, with actual ones, obtained by measuring of various measurands belonging to the electromechanical field and of submillimeter dimensions. Using the proposed model, it is possible to properly characterize measurands from filtering, segmentation and mathematical processing of images. The experimental study and final validation of the results has been carried out in the "Laboratorio de Metrología Dimensional" (Dimensional Metrology Laboratory) at the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial (ETSIDI) (School of Engineering and Industrial Design) at Universidad Politécnica de Madrid (UPM). The developed models have been implemented on images obtained with the vision measuring machine of the brand TESA, model VISIO 300.

Diseño, implantación y seguimiento de la asignatura "Ingenia: Proyecto de Máquinas"

El presente proyecto fin de carrera surge y se engloba dentro del marco del Proyecto de Innovación Educativa IE-14-15-05008 y abarca el proceso de diseño, implantación y seguimiento de la nueva asignatura “Ingenia: Proyecto de Máquinas” perteneciente al recién estrenado Máster en Ingeniería Industrial que oferta la Universidad Politécnica de Madrid. Esto debe realizarse dentro del ámbito de organización educativa que constituye el Marco Europeo de Educación Superior y que con el Proceso de Bolonia (1999) propuso un cambio en el modelo educativo, que permitiese entre otras cosas, impulsar cambios en las metodologías docentes. Durante gran parte del siglo XX, la enseñanza de la ingeniería en las universidades ofrecía una exposición efectiva a la práctica. Era enseñada por ingenieros que estaban ejerciendo su profesión y se concentraba en la resolución de problemas tangibles mientras que los estudiantes aprendían a conceptualizar y diseñar productos y sistemas. La rápida expansión del conocimiento científico y técnico que ocurrió a finales de los 90s causó que la enseñanza de la ingeniería se convirtiera en la enseñanza de la “ciencia de la ingeniería”, con una menor concentración práctica. Los líderes de la industria empezaron a hallar que los estudiantes que se graduaban, si bien tenían una sólida capacitación técnica, carecían de muchas de las habilidades requeridas en las situaciones de ingeniería del mundo real. La enseñanza en general y la enseñanza de la Ingeniería en particular necesitan por tanto de una reforma educativa integral. De esta necesidad, surge la iniciativa CDIO (ConcebirDiseñar-Implementar-Operar), un marco educativo innovador dirigido a producir la próxima generación de líderes de ingeniería; siendo este el marco al que se abrazan las asignaturas tipo “INGENIA” y con el que se pretenden alcanzar las habilidades tanto técnicas como personales e interpersonales que requiere la nueva generación de ingenieros para ser competitivos en un sector cada vez más amplio y multidisciplinar. Para conseguir el cambio requerido antes citado, se hace necesaria la realización de proyectos de innovación educativa como el presente, que ayuden durante el proceso de transición que está viviendo el modelo educativo. Para lograr estos, el presente proyecto pretende dar respuesta a preguntas como: ¿De dónde venimos y hacia dónde debemos ir?, ¿Por qué es necesario un cambio?, ¿Qué pretendemos alcanzar con este cambio?, ¿Qué resultados esperamos de ello?, ¿Qué cambios se han introducido y cuales hay pendientes por introducir?, ¿Cómo planificar la reestructuración y adaptación de recursos y contenidos docentes para alcanzar los objetivos?, ¿De qué recursos se dispone y cuales hay que incorporar?, ¿Cómo debemos medir, evaluar y difundir los resultados obtenidos?, ¿Qué conclusiones se pueden extraer de los resultados? Para dar respuesta a estas y otras preguntas se abordan los puntos que se exponen a continuación. Los principales apartados del presente proyecto son la INTRODUCCIÓN, PLANIFICACIÓN y RESULTADOS OBTENIDOS. En primer lugar, durante la INTRODUCCIÓN se realiza una descripción del Espacio Europeo de Educación Superior (EEES), resumiendo cuáles son los objetivos estratégicos del mismo, y la conexión existente con la enseñanza de la Ingeniería Mecánica. Posteriormente se aborda un breve estudio de las metodologías docentes tradicionales empleadas en la enseñanza para inmediatamente después introducir las bases del aprendizaje activo. Se analizan las necesidades que han llevado a plantear los cambios en las metodologías docentes. Para esto se analizan varios estudios enfocados a concretar las características que se requieren en los recién egresados de titulaciones técnicas. Como consecuencia de las necesidades descritas surge la iniciativa CDIO, marco a la que se acogen las asignaturas “Ingenia” y que se estudiará en profundidad. Por último y tras introducir el contexto del proyecto, se describen los objetivos del mismo así como la planificación de las actividades. Con el apartado PLANIFICACIÓN se pretende describir las actividades realizadas del proceso de diseño de la asignatura abarcando la programación de actividades, gestión y empleo de recursos, metodologías docentes empleadas, plan de evaluación, entre otras actividades. En el apartado RESULTADOS OBTENIDOS se describen los prototipos fabricados, los resultados de aprendizaje, la valoración de la asignatura y problemas encontrados. Todo ello será de especial interés para extraer lecciones aprendidas y proponer acciones correctoras y/o de mejora.

La experiencia docente del laboratorio de diseño avanzado y monitorizado de máquinas

En este artículo se presentan los trabajos realizados en el Laboratorio de Diseño Avanzado y Monitorizado de Máquinas (DISAMM), de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial (ETSIDI) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Este Laboratorio pone a disposición de estudiantes, profesores y ciudadanos de la UPM y de otras universidades nacionales e internacionales herramientas y recursos docentes aplicables al diseño avanzado de máquinas y mecanismos. Estas herramientas docentes están disponibles a través de la web mediante el acceso remoto, aprovechando la potencia de las nuevas tecnologías de la información y comunicación, y alcanza ratios de utilización muy elevados con unos recursos humanos y materiales muy reducidos. Una característica destacable de las actividades de laboratorio es la modularidad, concepto similar al de "plataforma modular", que ya se emplea en la industria. Las prácticas y actividades de laboratorio son modulables y escalables en función de a quienes van destinadas: estudiantes de grado, máster o doctorado. A través de las actividades y recursos docentes puestos en marcha, los estudiantes y usuarios pueden adquirir conocimientos, capacidades, habilidades y competencias específicas de diseño de máquinas eficaz, seguro y eficiente, así como competencias transversales relacionadas con la eficiencia, sostenibilidad y respeto al medio ambiente.