Terminological Importation for Adapting Reusable Knowledge Representation Components in the KSM Environment

This paper describes the adaptation approach of reusable knowledge representation components used in the KSM environment for the formulation and operationalisation of structured knowledge models. Reusable knowledge representation components in KSM are called primitives of representation. A primitive of representation provides: (1) a knowledge representation formalism (2) a set of tasks that use this knowledge together with several problem-solving methods to carry out these tasks (3) a knowledge acquisition module that provides different services to acquire and validate this knowledge (4) an abstract terminology about the linguistic categories included in the representation language associated to the primitive. Primitives of representation usually are domain independent. A primitive of representation can be adapted to support knowledge in a given domain by importing concepts from this domain. The paper describes how this activity can be carried out by mean of a terminological importation. Informally, a terminological importation partially populates an abstract terminology with concepts taken from a given domain. The information provided by the importation can be used by the acquisition and validation facilities to constraint the classes of knowledge that can be described using the representation formalism according to the domain knowledge. KSM provides the LINK-S language to specify terminological importation from a domain terminology to an abstract one. These terminologies are described in KSM by mean of the CONCEL language. Terminological importation is used to adapt reusable primitives of representation in order to increase the usability degree of such components in these domains. In addition, two primitives of representation can share a common vocabulary by importing common domain CONCEL terminologies (conceptual vocabularies). It is a necessary condition to make possible the interoperability between different, heterogeneous knowledge representation components in the framework of complex knowledge - based architectures.

Managing daily surgery schedules in a teaching hospital: a mixed-integer optimization approach

Background: This study examined the daily surgical scheduling problem in a teaching hospital. This problem relates to the use of multiple operating rooms and different types of surgeons in a typical surgical day with deterministic operation durations (preincision, incision, and postincision times). Teaching hospitals play a key role in the health-care system; however, existing models assume that the duration of surgery is independent of the surgeon's skills. This problem has not been properly addressed in other studies. We analyze the case of a Spanish public hospital, in which continuous pressures and budgeting reductions entail the more efficient use of resources. Methods: To obtain an optimal solution for this problem, we developed a mixed-integer programming model and user-friendly interface that facilitate the scheduling of planned operations for the following surgical day. We also implemented a simulation model to assist the evaluation of different dispatching policies for surgeries and surgeons. The typical aspects we took into account were the type of surgeon, potential overtime, idling time of surgeons, and the use of operating rooms. Results: It is necessary to consider the expertise of a given surgeon when formulating a schedule: such skill can decrease the probability of delays that could affect subsequent surgeries or cause cancellation of the final surgery. We obtained optimal solutions for a set of given instances, which we obtained through surgical information related to acceptable times collected from a Spanish public hospital. Conclusions: We developed a computer-aided framework with a user-friendly interface for use by a surgical manager that presents a 3-D simulation of the problem. Additionally, we obtained an efficient formulation for this complex problem. However, the spread of this kind of operation research in Spanish public health hospitals will take a long time since there is a lack of knowledge of the beneficial techniques and possibilities that operational research can offer for the health-care system.

Aprendizaje del baloncesto en Educación Secundaria utilizando el juego: Una propuesta de Investigación-acción.

El baloncesto es un deporte basado en unos principios de juego sencillos y unas exigencias físicas y técnicas en la iniciación asumibles por todos los alumnos. Ofreciendo las herramientas adecuadas y adaptando las tareas de aprendizaje al contexto se puede conseguir una competencia elevada. Es necesario llevar a cabo una planificación adecuada y una selección de tareas apropiadas. El juego posee unas características que le convierten en un elemento con gran potencial educativo, en especial para Educación Física, debido al placer que genera y al espacio que ofrece para expresarse y utilizar el cuerpo. A través de este trabajo se propone una Unidad Didáctica de Baloncesto vertebrada por el uso del juego como elemento vehicular. La Investigación-acción es un proceso que explora directamente sobre el terreno, siendo muy sencillo y práctico para aplicar en el ámbito educativo. Engloba de manera casi simultánea el proceso de investigación y el de búsqueda de soluciones. Para analizar el resultado de dicha metodología se exponen los elementos básicos para llevar a cabo un trabajo de Investigación-acción paralelo y adaptado al Baloncesto y la Unidad Didáctica. Basketball is a sport based on easy game principles. Every student is capable of reaching physical and technical request for amateur practice. High skills in basketball can be obtained with suitable tools and adapted activities to the current environment. Appropriate planning and tasks are required for that purpose. In education game activities turn to be an option with excellent opportunities, especially for physical education. It provides students a way to express feelings, practice with their body and have fun. The aim of this project is to propose a basketball teaching unit focused on gaming tasks. Participatory action research intervenes directly on the field, simple and practical to be used in educational context. This model links researching and problem solving on the same process. The basic path to perform a participatory action research is given to analyze the results of carrying out the proposed teaching unit.

Educación Superior de la Ingeniería Industrial en el Perú: propuesta de un modelo educativo desde las competencias

El objetivo del presente trabajo de investigación es diseñar un Modelo de Educación que permita formar ingenieros industriales en Perú que sean capaces de enfrentar los retos modernos de fuerte y sostenido crecimiento económico y social. Las necesidades que se han generado a lo largo de los últimos años llevan a identificar que una gran carencia es el poco dominio del concepto, naturaleza y gestión de un proyecto y la marcada ausencia de habilidades humanas y funcionales al momento de ejercer la profesión; entendiendo proyecto como “Un esfuerzo temporal que se lleva a cabo para crear un producto, servicio o resultado único. La naturaleza temporal de los proyectos indica un principio y un final definidos. El final se alcanza cuando se logran los objetivos del proyecto o cuando se termina el proyecto porque sus objetivos no se cumplirán o no pueden ser cumplidos, o cuando ya no existe la necesidad que dio origen al proyecto…. los proyectos pueden tener impactos sociales, económicos y ambientales susceptibles de perdurar mucho más que los propios proyectos.”1. Entonces, formularnos la hipótesis que es posible tener un modelo educativo para la Ingeniería Industrial de Perú que permita y estimule alcanzar estas características tan reclamadas por la sociedad, confiando desde el inicio que su diseño y empleo tendrá fuerte repercusión tanto en el desarrollo personal de los estudiantes, como en el social y económico, por las habilidades y condiciones que serán capaces de desplegar los egresados en sus ámbitos de acción laboral. Para lograr el objetivo se ha hecho una definición de la identidad de la universidad latinoamericana y una verificación de si es posible o no tomar modelos y experiencias de otros lugares y trasladarlos con éxito a escenarios nuevos y distintos. Luego, se han determinado las tendencias más fuertes en la formación de ingenieros industriales en los contextos más exitosos actualmente. Para definir esas habilidades tan reclamadas por el sector público y privado de la sociedad, se busca y define una codificación de competencias genéricas que permite tener un ingeniero moderno bien perfilado para las exigencias globales. Los pasos finales son determinar el Modelo para la Educación Superior de la Ingeniería Industrial de Perú desde las Competencias (MESIC) a partir de novedosos enfoques para la educación como la contextualización, la gestión del conocimiento experto y experimentado, el enfoque socioformativo y la definición de Aspectos Clave del modelo antes de iniciar una planificación curricular de ingeniería. Al final se muestra una aplicación del modelo llegando a detalles de definición de competencias muy interesantes y a la necesidad de contar con un sistema de aseguramiento de calidad de la gestión curricular. Al término de la investigación concluimos que es posible definir un modelo apropiado para formar ingenieros industriales en Perú desde las competencias, capaces de enfrentar los modernos retos locales y globales. También determinamos que el proceso no puede ser impuesto, debe pasar por un transitorio periodo de adecuación de docentes y alumnos y requiere de compromiso, pues se suele enfocar este cambio como una forma de desestimar todo lo anterior, cuando debe entenderse que son procesos complementarios, ya que los importantes logros con clases magistrales y resolución de problemas son evidentes y se trata de estilos diferentes de encarar la educación. El resultado de la imposición puede ser devastador para algunos estudiantes y frustrante para algunos docentes, consecuencias que no se desean y deben evitarse. La aplicación se realiza en una universidad del norte de Perú, la Universidad de Piura, y puede observarse en el último capítulo de este trabajo. ABSTRACT The main objective of this research is to find an Educational Modell in order to train industrial engineers in Peru who are able to face modern challenges of strong and sustained economic and social growth. Over recent years the generated needs have led to understand that a major weakness in our professionals is the poor skills in project management and the marked absence of functional and human skills when exercising the profession. This diagnose has led to formulate the hypothesis that it is possible to have an educational model for Peru Industrial Engineering that allows and encourages to achieve these features which are claimed by society. A project which we trust will have a strong impact from the beginning on both, personal development of students as well as in the social and economic conditions, considering the skills graduates will be able to deploy in their work fields. To achieve the goal first it was defined the identity of the Latin American university and verified whether it is possible or not to take models and experiences elsewhere and move successfully to new and different scenarios. Then there were determined the strongest trends in the industrial engineers training in currently successful contexts. In order to define these demanded skills by the public and private sectors of society, there are defined a set of generic skills that allows to have a modern engineer well profiled for global context. Considering these elements, a Model for Higher Education in Industrial Engineering from Peru Competence (MESIC)is proposed considering novel approaches to education such as territoriality, skilled and experienced knowledge management, socio - formative approach and set the definition of Key aspects of the model before starting a engineering curricular planning. Finally detailed records of an application of the model is shown through modern learning methodologies, development and assessment of skills and the need to have a quality assurance system for entire curriculum management. Through this research it can be concluded that it is possible to determine an appropriate model to train industrial engineers in Peru from the skills, in order to meet the modern local and global challenges. Results show that the process cannot be imposed, instead it must go through a transitional period of adaptation from teachers and students and requires commitment, focusing that this change usually is a way to dismiss the above, and is important to address that there are obvious achievements on education lectures and problem solving, and it should be understood that they are complementary processes. The result of change imposition can be devastating for some students and frustrating for some teachers, unwanted consequences and they should be avoided. The proposed model is applied at a university in northern Peru, the University of Piura, and the results can be seen in the last chapter of this work.

New methods for the synthesis of radiation patterns of coupled antenna arrays = Nuevos métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas acopladas

El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas, en donde se realiza una caracterización electromagnética rigurosa de los elementos radiantes y de los acoplos mutuos existentes. Esta caracterización no se realiza habitualmente en la gran mayoría de métodos de síntesis encontrados en la literatura, debido fundamentalmente a dos razones. Por un lado, se considera que el diagrama de radiación de un array de antenas se puede aproximar con el factor de array que únicamente tiene en cuenta la posición de los elementos y las excitaciones aplicadas a los mismos. Sin embargo, como se mostrará en esta tesis, en múltiples ocasiones un riguroso análisis de los elementos radiantes y del acoplo mutuo entre ellos es importante ya que los resultados obtenidos pueden ser notablemente diferentes. Por otro lado, no es sencillo combinar un método de análisis electromagnético con un proceso de síntesis de diagramas de radiación. Los métodos de análisis de agrupaciones de antenas suelen ser costosos computacionalmente, ya que son estructuras grandes en términos de longitudes de onda. Generalmente, un diseño de un problema electromagnético suele comprender varios análisis de la estructura, dependiendo de las variaciones de las características, lo que hace este proceso muy costoso. Dos métodos se utilizan en esta tesis para el análisis de los arrays acoplados. Ambos están basados en el método de los elementos finitos, la descomposición de dominio y el análisis modal para analizar la estructura radiante y han sido desarrollados en el grupo de investigación donde se engloba esta tesis. El primero de ellos es una técnica de análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito. Su uso es indicado para arrays planos de grandes dimensiones con elementos equiespaciados. El segundo caracteriza el array y el acoplo mutuo entre elementos a partir de una expansión en modos esféricos del campo radiado por cada uno de los elementos. Este método calcula los acoplos entre los diferentes elementos del array usando las propiedades de traslación y rotación de los modos esféricos. Es capaz de analizar agrupaciones de elementos distribuidos de forma arbitraria. Ambas técnicas utilizan una formulación matricial que caracteriza de forma rigurosa el campo radiado por el array. Esto las hace muy apropiadas para su posterior uso en una herramienta de diseño, como los métodos de síntesis desarrollados en esta tesis. Los resultados obtenidos por estas técnicas de síntesis, que incluyen métodos rigurosos de análisis, son consecuentemente más precisos. La síntesis de arrays consiste en modificar uno o varios parámetros de las agrupaciones de antenas buscando unas determinadas especificaciones de las características de radiación. Los parámetros utilizados como variables de optimización pueden ser varios. Los más utilizados son las excitaciones aplicadas a los elementos, pero también es posible modificar otros parámetros de diseño como son las posiciones de los elementos o las rotaciones de estos. Los objetivos de las síntesis pueden ser dirigir el haz o haces en una determinada dirección o conformar el haz con formas arbitrarias. Además, es posible minimizar el nivel de los lóbulos secundarios o del rizado en las regiones deseadas, imponer nulos que evitan posibles interferencias o reducir el nivel de la componente contrapolar. El método para el análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito considera un array finito como un array infinito con un número finito de elementos excitados. Los elementos no excitados están físicamente presentes y pueden presentar tres diferentes terminaciones, corto-circuito, circuito abierto y adaptados. Cada una de estas terminaciones simulará mejor el entorno real en el que el array se encuentre. Este método de análisis se integra en la tesis con dos métodos diferentes de síntesis de diagramas de radiación. En el primero de ellos se presenta un método basado en programación lineal en donde es posible dirigir el haz o haces, en la dirección deseada, además de ejercer un control sobre los lóbulos secundarios o imponer nulos. Este método es muy eficiente y obtiene soluciones óptimas. El mismo método de análisis es también aplicado a un método de conformación de haz, en donde un problema originalmente no convexo (y de difícil solución) es transformado en un problema convexo imponiendo restricciones de simetría, resolviendo de este modo eficientemente un problema complejo. Con este método es posible diseñar diagramas de radiación con haces de forma arbitraria, ejerciendo un control en el rizado del lóbulo principal, así como en el nivel de los lóbulos secundarios. El método de análisis de arrays basado en la expansión en modos esféricos se integra en la tesis con tres técnicas de síntesis de diagramas de radiación. Se propone inicialmente una síntesis de conformación del haz basado en el método de la recuperación de fase resuelta de forma iterativa mediante métodos convexos, en donde relajando las restricciones del problema original se consiguen unas soluciones cercanas a las óptimas de manera eficiente. Dos métodos de síntesis se han propuesto, donde las variables de optimización son las posiciones y las rotaciones de los elementos respectivamente. Se define una función de coste basada en la intensidad de radiación, la cual es minimizada de forma iterativa con el método del gradiente. Ambos métodos reducen el nivel de los lóbulos secundarios minimizando una función de coste. El gradiente de la función de coste es obtenido en términos de la variable de optimización en cada método. Esta función de coste está formada por la expresión rigurosa de la intensidad de radiación y por una función de peso definida por el usuario para imponer prioridades sobre las diferentes regiones de radiación, si así se desea. Por último, se presenta un método en el cual, mediante técnicas de programación entera, se buscan las fases discretas que generan un diagrama de radiación lo más cercano posible al deseado. Con este método se obtienen diseños que minimizan el coste de fabricación. En cada uno de las diferentes técnicas propuestas en la tesis, se presentan resultados con elementos reales que muestran las capacidades y posibilidades que los métodos ofrecen. Se comparan los resultados con otros métodos disponibles en la literatura. Se muestra la importancia de tener en cuenta los diagramas de los elementos reales y los acoplos mutuos en el proceso de síntesis y se comparan los resultados obtenidos con herramientas de software comerciales. ABSTRACT The main objective of this thesis is the development of optimization methods for the radiation pattern synthesis of array antennas in which a rigorous electromagnetic characterization of the radiators and the mutual coupling between them is performed. The electromagnetic characterization is usually overlooked in most of the available synthesis methods in the literature, this is mainly due to two reasons. On the one hand, it is argued that the radiation pattern of an array is mainly influenced by the array factor and that the mutual coupling plays a minor role. As it is shown in this thesis, the mutual coupling and the rigorous characterization of the array antenna influences significantly in the array performance and its computation leads to differences in the results obtained. On the other hand, it is difficult to introduce an analysis procedure into a synthesis technique. The analysis of array antennas is generally expensive computationally as the structure to analyze is large in terms of wavelengths. A synthesis method requires to carry out a large number of analysis, this makes the synthesis problem very expensive computationally or intractable in some cases. Two methods have been used in this thesis for the analysis of coupled antenna arrays, both of them have been developed in the research group in which this thesis is involved. They are based on the finite element method (FEM), the domain decomposition and the modal analysis. The first one obtains a finite array characterization with the results obtained from the infinite array approach. It is specially indicated for the analysis of large arrays with equispaced elements. The second one characterizes the array elements and the mutual coupling between them with a spherical wave expansion of the radiated field by each element. The mutual coupling is computed using the properties of translation and rotation of spherical waves. This method is able to analyze arrays with elements placed on an arbitrary distribution. Both techniques provide a matrix formulation that makes them very suitable for being integrated in synthesis techniques, the results obtained from these synthesis methods will be very accurate. The array synthesis stands for the modification of one or several array parameters looking for some desired specifications of the radiation pattern. The array parameters used as optimization variables are usually the excitation weights applied to the array elements, but some other array characteristics can be used as well, such as the array elements positions or rotations. The desired specifications may be to steer the beam towards any specific direction or to generate shaped beams with arbitrary geometry. Further characteristics can be handled as well, such as minimize the side lobe level in some other radiating regions, to minimize the ripple of the shaped beam, to take control over the cross-polar component or to impose nulls on the radiation pattern to avoid possible interferences from specific directions. The analysis method based on the infinite array approach considers an infinite array with a finite number of excited elements. The infinite non-excited elements are physically present and may have three different terminations, short-circuit, open circuit and match terminated. Each of this terminations is a better simulation for the real environment of the array. This method is used in this thesis for the development of two synthesis methods. In the first one, a multi-objective radiation pattern synthesis is presented, in which it is possible to steer the beam or beams in desired directions, minimizing the side lobe level and with the possibility of imposing nulls in the radiation pattern. This method is very efficient and obtains optimal solutions as it is based on convex programming. The same analysis method is used in a shaped beam technique in which an originally non-convex problem is transformed into a convex one applying symmetry restrictions, thus solving a complex problem in an efficient way. This method allows the synthesis of shaped beam radiation patterns controlling the ripple in the mainlobe and the side lobe level. The analysis method based on the spherical wave expansion is applied for different synthesis techniques of the radiation pattern of coupled arrays. A shaped beam synthesis is presented, in which a convex formulation is proposed based on the phase retrieval method. In this technique, an originally non-convex problem is solved using a relaxation and solving a convex problems iteratively. Two methods are proposed based on the gradient method. A cost function is defined involving the radiation intensity of the coupled array and a weighting function that provides more degrees of freedom to the designer. The gradient of the cost function is computed with respect to the positions in one of them and the rotations of the elements in the second one. The elements are moved or rotated iteratively following the results of the gradient. A highly non-convex problem is solved very efficiently, obtaining very good results that are dependent on the starting point. Finally, an optimization method is presented where discrete digital phases are synthesized providing a radiation pattern as close as possible to the desired one. The problem is solved using linear integer programming procedures obtaining array designs that greatly reduce the fabrication costs. Results are provided for every method showing the capabilities that the above mentioned methods offer. The results obtained are compared with available methods in the literature. The importance of introducing a rigorous analysis into the synthesis method is emphasized and the results obtained are compared with a commercial software, showing good agreement.