Fault management techniques for systems with SRAM-based FPGAs

Las Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) SRAM se construyen sobre una memoria de configuración de tecnología RAM Estática (SRAM). Presentan múltiples características que las hacen muy interesantes para diseñar sistemas empotrados complejos. En primer lugar presentan un coste no-recurrente de ingeniería (NRE) bajo, ya que los elementos lógicos y de enrutado están pre-implementados (el diseño de usuario define su conexionado). También, a diferencia de otras tecnologías de FPGA, pueden ser reconfiguradas (incluso en campo) un número ilimitado de veces. Es más, las FPGAs SRAM de Xilinx soportan Reconfiguración Parcial Dinámica (DPR), la cual permite reconfigurar la FPGA sin interrumpir la aplicación. Finalmente, presentan una alta densidad de lógica, una alta capacidad de procesamiento y un rico juego de macro-bloques. Sin embargo, un inconveniente de esta tecnología es su susceptibilidad a la radiación ionizante, la cual aumenta con el grado de integración (geometrías más pequeñas, menores tensiones y mayores frecuencias). Esta es una precupación de primer nivel para aplicaciones en entornos altamente radiativos y con requisitos de alta confiabilidad. Este fenómeno conlleva una degradación a largo plazo y también puede inducir fallos instantáneos, los cuales pueden ser reversibles o producir daños irreversibles. En las FPGAs SRAM, los fallos inducidos por radiación pueden aparecer en en dos capas de arquitectura diferentes, que están físicamente superpuestas en el dado de silicio. La Capa de Aplicación (o A-Layer) contiene el hardware definido por el usuario, y la Capa de Configuración contiene la memoria de configuración y la circuitería de soporte. Los fallos en cualquiera de estas capas pueden hacer fracasar el sistema, lo cual puede ser ás o menos tolerable dependiendo de los requisitos de confiabilidad del sistema. En el caso general, estos fallos deben gestionados de alguna manera. Esta tesis trata sobre la gestión de fallos en FPGAs SRAM a nivel de sistema, en el contexto de sistemas empotrados autónomos y confiables operando en un entorno radiativo. La tesis se centra principalmente en aplicaciones espaciales, pero los mismos principios pueden aplicarse a aplicaciones terrenas. Las principales diferencias entre ambas son el nivel de radiación y la posibilidad de mantenimiento. Las diferentes técnicas para la gestión de fallos en A-Layer y C-Layer son clasificados, y sus implicaciones en la confiabilidad del sistema son analizados. Se proponen varias arquitecturas tanto para Gestores de Fallos de una capa como de doble-capa. Para estos últimos se propone una arquitectura novedosa, flexible y versátil. Gestiona las dos capas concurrentemente de manera coordinada, y permite equilibrar el nivel de redundancia y la confiabilidad. Con el objeto de validar técnicas de gestión de fallos dinámicas, se desarrollan dos diferentes soluciones. La primera es un entorno de simulación para Gestores de Fallos de C-Layer, basado en SystemC como lenguaje de modelado y como simulador basado en eventos. Este entorno y su metodología asociada permite explorar el espacio de diseño del Gestor de Fallos, desacoplando su diseño del desarrollo de la FPGA objetivo. El entorno incluye modelos tanto para la C-Layer de la FPGA como para el Gestor de Fallos, los cuales pueden interactuar a diferentes niveles de abstracción (a nivel de configuration frames y a nivel físico JTAG o SelectMAP). El entorno es configurable, escalable y versátil, e incluye capacidades de inyección de fallos. Los resultados de simulación para algunos escenarios son presentados y comentados. La segunda es una plataforma de validación para Gestores de Fallos de FPGAs Xilinx Virtex. La plataforma hardware aloja tres Módulos de FPGA Xilinx Virtex-4 FX12 y dos Módulos de Unidad de Microcontrolador (MCUs) de 32-bits de propósito general. Los Módulos MCU permiten prototipar Gestores de Fallos de C-Layer y A-Layer basados en software. Cada Módulo FPGA implementa un enlace de A-Layer Ethernet (a través de un switch Ethernet) con uno de los Módulos MCU, y un enlace de C-Layer JTAG con el otro. Además, ambos Módulos MCU intercambian comandos y datos a través de un enlace interno tipo UART. Al igual que para el entorno de simulación, se incluyen capacidades de inyección de fallos. Los resultados de pruebas para algunos escenarios son también presentados y comentados. En resumen, esta tesis cubre el proceso completo desde la descripción de los fallos FPGAs SRAM inducidos por radiación, pasando por la identificación y clasificación de técnicas de gestión de fallos, y por la propuesta de arquitecturas de Gestores de Fallos, para finalmente validarlas por simulación y pruebas. El trabajo futuro está relacionado sobre todo con la implementación de Gestores de Fallos de Sistema endurecidos para radiación. ABSTRACT SRAM-based Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are built on Static RAM (SRAM) technology configuration memory. They present a number of features that make them very convenient for building complex embedded systems. First of all, they benefit from low Non-Recurrent Engineering (NRE) costs, as the logic and routing elements are pre-implemented (user design defines their connection). Also, as opposed to other FPGA technologies, they can be reconfigured (even in the field) an unlimited number of times. Moreover, Xilinx SRAM-based FPGAs feature Dynamic Partial Reconfiguration (DPR), which allows to partially reconfigure the FPGA without disrupting de application. Finally, they feature a high logic density, high processing capability and a rich set of hard macros. However, one limitation of this technology is its susceptibility to ionizing radiation, which increases with technology scaling (smaller geometries, lower voltages and higher frequencies). This is a first order concern for applications in harsh radiation environments and requiring high dependability. Ionizing radiation leads to long term degradation as well as instantaneous faults, which can in turn be reversible or produce irreversible damage. In SRAM-based FPGAs, radiation-induced faults can appear at two architectural layers, which are physically overlaid on the silicon die. The Application Layer (or A-Layer) contains the user-defined hardware, and the Configuration Layer (or C-Layer) contains the (volatile) configuration memory and its support circuitry. Faults at either layers can imply a system failure, which may be more ore less tolerated depending on the dependability requirements. In the general case, such faults must be managed in some way. This thesis is about managing SRAM-based FPGA faults at system level, in the context of autonomous and dependable embedded systems operating in a radiative environment. The focus is mainly on space applications, but the same principles can be applied to ground applications. The main differences between them are the radiation level and the possibility for maintenance. The different techniques for A-Layer and C-Layer fault management are classified and their implications in system dependability are assessed. Several architectures are proposed, both for single-layer and dual-layer Fault Managers. For the latter, a novel, flexible and versatile architecture is proposed. It manages both layers concurrently in a coordinated way, and allows balancing redundancy level and dependability. For the purpose of validating dynamic fault management techniques, two different solutions are developed. The first one is a simulation framework for C-Layer Fault Managers, based on SystemC as modeling language and event-driven simulator. This framework and its associated methodology allows exploring the Fault Manager design space, decoupling its design from the target FPGA development. The framework includes models for both the FPGA C-Layer and for the Fault Manager, which can interact at different abstraction levels (at configuration frame level and at JTAG or SelectMAP physical level). The framework is configurable, scalable and versatile, and includes fault injection capabilities. Simulation results for some scenarios are presented and discussed. The second one is a validation platform for Xilinx Virtex FPGA Fault Managers. The platform hosts three Xilinx Virtex-4 FX12 FPGA Modules and two general-purpose 32-bit Microcontroller Unit (MCU) Modules. The MCU Modules allow prototyping software-based CLayer and A-Layer Fault Managers. Each FPGA Module implements one A-Layer Ethernet link (through an Ethernet switch) with one of the MCU Modules, and one C-Layer JTAG link with the other. In addition, both MCU Modules exchange commands and data over an internal UART link. Similarly to the simulation framework, fault injection capabilities are implemented. Test results for some scenarios are also presented and discussed. In summary, this thesis covers the whole process from describing the problem of radiationinduced faults in SRAM-based FPGAs, then identifying and classifying fault management techniques, then proposing Fault Manager architectures and finally validating them by simulation and test. The proposed future work is mainly related to the implementation of radiation-hardened System Fault Managers.

Parametric and structural self-adaptation of embedded systems using evolvable hardware

Los sistemas empotrados han sido concebidos tradicionalmente como sistemas de procesamiento específicos que realizan una tarea fija durante toda su vida útil. Para cumplir con requisitos estrictos de coste, tamaño y peso, el equipo de diseño debe optimizar su funcionamiento para condiciones muy específicas. Sin embargo, la demanda de mayor versatilidad, un funcionamiento más inteligente y, en definitiva, una mayor capacidad de procesamiento comenzaron a chocar con estas limitaciones, agravado por la incertidumbre asociada a entornos de operación cada vez más dinámicos donde comenzaban a ser desplegados progresivamente. Esto trajo como resultado una necesidad creciente de que los sistemas pudieran responder por si solos a eventos inesperados en tiempo diseño tales como: cambios en las características de los datos de entrada y el entorno del sistema en general; cambios en la propia plataforma de cómputo, por ejemplo debido a fallos o defectos de fabricación; y cambios en las propias especificaciones funcionales causados por unos objetivos del sistema dinámicos y cambiantes. Como consecuencia, la complejidad del sistema aumenta, pero a cambio se habilita progresivamente una capacidad de adaptación autónoma sin intervención humana a lo largo de la vida útil, permitiendo que tomen sus propias decisiones en tiempo de ejecución. Éstos sistemas se conocen, en general, como sistemas auto-adaptativos y tienen, entre otras características, las de auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación. Típicamente, la parte soft de un sistema es mayoritariamente la única utilizada para proporcionar algunas capacidades de adaptación a un sistema. Sin embargo, la proporción rendimiento/potencia en dispositivos software como microprocesadores en muchas ocasiones no es adecuada para sistemas empotrados. En este escenario, el aumento resultante en la complejidad de las aplicaciones está siendo abordado parcialmente mediante un aumento en la complejidad de los dispositivos en forma de multi/many-cores; pero desafortunadamente, esto hace que el consumo de potencia también aumente. Además, la mejora en metodologías de diseño no ha sido acorde como para poder utilizar toda la capacidad de cómputo disponible proporcionada por los núcleos. Por todo ello, no se están satisfaciendo adecuadamente las demandas de cómputo que imponen las nuevas aplicaciones. La solución tradicional para mejorar la proporción rendimiento/potencia ha sido el cambio a unas especificaciones hardware, principalmente usando ASICs. Sin embargo, los costes de un ASIC son altamente prohibitivos excepto en algunos casos de producción en masa y además la naturaleza estática de su estructura complica la solución a las necesidades de adaptación. Los avances en tecnologías de fabricación han hecho que la FPGA, una vez lenta y pequeña, usada como glue logic en sistemas mayores, haya crecido hasta convertirse en un dispositivo de cómputo reconfigurable de gran potencia, con una cantidad enorme de recursos lógicos computacionales y cores hardware empotrados de procesamiento de señal y de propósito general. Sus capacidades de reconfiguración han permitido combinar la flexibilidad propia del software con el rendimiento del procesamiento en hardware, lo que tiene la potencialidad de provocar un cambio de paradigma en arquitectura de computadores, pues el hardware no puede ya ser considerado más como estático. El motivo es que como en el caso de las FPGAs basadas en tecnología SRAM, la reconfiguración parcial dinámica (DPR, Dynamic Partial Reconfiguration) es posible. Esto significa que se puede modificar (reconfigurar) un subconjunto de los recursos computacionales en tiempo de ejecución mientras el resto permanecen activos. Además, este proceso de reconfiguración puede ser ejecutado internamente por el propio dispositivo. El avance tecnológico en dispositivos hardware reconfigurables se encuentra recogido bajo el campo conocido como Computación Reconfigurable (RC, Reconfigurable Computing). Uno de los campos de aplicación más exóticos y menos convencionales que ha posibilitado la computación reconfigurable es el conocido como Hardware Evolutivo (EHW, Evolvable Hardware), en el cual se encuentra enmarcada esta tesis. La idea principal del concepto consiste en convertir hardware que es adaptable a través de reconfiguración en una entidad evolutiva sujeta a las fuerzas de un proceso evolutivo inspirado en el de las especies biológicas naturales, que guía la dirección del cambio. Es una aplicación más del campo de la Computación Evolutiva (EC, Evolutionary Computation), que comprende una serie de algoritmos de optimización global conocidos como Algoritmos Evolutivos (EA, Evolutionary Algorithms), y que son considerados como algoritmos universales de resolución de problemas. En analogía al proceso biológico de la evolución, en el hardware evolutivo el sujeto de la evolución es una población de circuitos que intenta adaptarse a su entorno mediante una adecuación progresiva generación tras generación. Los individuos pasan a ser configuraciones de circuitos en forma de bitstreams caracterizados por descripciones de circuitos reconfigurables. Seleccionando aquellos que se comportan mejor, es decir, que tienen una mejor adecuación (o fitness) después de ser evaluados, y usándolos como padres de la siguiente generación, el algoritmo evolutivo crea una nueva población hija usando operadores genéticos como la mutación y la recombinación. Según se van sucediendo generaciones, se espera que la población en conjunto se aproxime a la solución óptima al problema de encontrar una configuración del circuito adecuada que satisfaga las especificaciones. El estado de la tecnología de reconfiguración después de que la familia de FPGAs XC6200 de Xilinx fuera retirada y reemplazada por las familias Virtex a finales de los 90, supuso un gran obstáculo para el avance en hardware evolutivo; formatos de bitstream cerrados (no conocidos públicamente); dependencia de herramientas del fabricante con soporte limitado de DPR; una velocidad de reconfiguración lenta; y el hecho de que modificaciones aleatorias del bitstream pudieran resultar peligrosas para la integridad del dispositivo, son algunas de estas razones. Sin embargo, una propuesta a principios de los años 2000 permitió mantener la investigación en el campo mientras la tecnología de DPR continuaba madurando, el Circuito Virtual Reconfigurable (VRC, Virtual Reconfigurable Circuit). En esencia, un VRC en una FPGA es una capa virtual que actúa como un circuito reconfigurable de aplicación específica sobre la estructura nativa de la FPGA que reduce la complejidad del proceso reconfiguración y aumenta su velocidad (comparada con la reconfiguración nativa). Es un array de nodos computacionales especificados usando descripciones HDL estándar que define recursos reconfigurables ad-hoc: multiplexores de rutado y un conjunto de elementos de procesamiento configurables, cada uno de los cuales tiene implementadas todas las funciones requeridas, que pueden seleccionarse a través de multiplexores tal y como ocurre en una ALU de un microprocesador. Un registro grande actúa como memoria de configuración, por lo que la reconfiguración del VRC es muy rápida ya que tan sólo implica la escritura de este registro, el cual controla las señales de selección del conjunto de multiplexores. Sin embargo, esta capa virtual provoca: un incremento de área debido a la implementación simultánea de cada función en cada nodo del array más los multiplexores y un aumento del retardo debido a los multiplexores, reduciendo la frecuencia de funcionamiento máxima. La naturaleza del hardware evolutivo, capaz de optimizar su propio comportamiento computacional, le convierten en un buen candidato para avanzar en la investigación sobre sistemas auto-adaptativos. Combinar un sustrato de cómputo auto-reconfigurable capaz de ser modificado dinámicamente en tiempo de ejecución con un algoritmo empotrado que proporcione una dirección de cambio, puede ayudar a satisfacer los requisitos de adaptación autónoma de sistemas empotrados basados en FPGA. La propuesta principal de esta tesis está por tanto dirigida a contribuir a la auto-adaptación del hardware de procesamiento de sistemas empotrados basados en FPGA mediante hardware evolutivo. Esto se ha abordado considerando que el comportamiento computacional de un sistema puede ser modificado cambiando cualquiera de sus dos partes constitutivas: una estructura hard subyacente y un conjunto de parámetros soft. De esta distinción, se derivan dos lineas de trabajo. Por un lado, auto-adaptación paramétrica, y por otro auto-adaptación estructural. El objetivo perseguido en el caso de la auto-adaptación paramétrica es la implementación de técnicas de optimización evolutiva complejas en sistemas empotrados con recursos limitados para la adaptación paramétrica online de circuitos de procesamiento de señal. La aplicación seleccionada como prueba de concepto es la optimización para tipos muy específicos de imágenes de los coeficientes de los filtros de transformadas wavelet discretas (DWT, DiscreteWavelet Transform), orientada a la compresión de imágenes. Por tanto, el objetivo requerido de la evolución es una compresión adaptativa y más eficiente comparada con los procedimientos estándar. El principal reto radica en reducir la necesidad de recursos de supercomputación para el proceso de optimización propuesto en trabajos previos, de modo que se adecúe para la ejecución en sistemas empotrados. En cuanto a la auto-adaptación estructural, el objetivo de la tesis es la implementación de circuitos auto-adaptativos en sistemas evolutivos basados en FPGA mediante un uso eficiente de sus capacidades de reconfiguración nativas. En este caso, la prueba de concepto es la evolución de tareas de procesamiento de imagen tales como el filtrado de tipos desconocidos y cambiantes de ruido y la detección de bordes en la imagen. En general, el objetivo es la evolución en tiempo de ejecución de tareas de procesamiento de imagen desconocidas en tiempo de diseño (dentro de un cierto grado de complejidad). En este caso, el objetivo de la propuesta es la incorporación de DPR en EHW para evolucionar la arquitectura de un array sistólico adaptable mediante reconfiguración cuya capacidad de evolución no había sido estudiada previamente. Para conseguir los dos objetivos mencionados, esta tesis propone originalmente una plataforma evolutiva que integra un motor de adaptación (AE, Adaptation Engine), un motor de reconfiguración (RE, Reconfiguration Engine) y un motor computacional (CE, Computing Engine) adaptable. El el caso de adaptación paramétrica, la plataforma propuesta está caracterizada por: • un CE caracterizado por un núcleo de procesamiento hardware de DWT adaptable mediante registros reconfigurables que contienen los coeficientes de los filtros wavelet • un algoritmo evolutivo como AE que busca filtros wavelet candidatos a través de un proceso de optimización paramétrica desarrollado específicamente para sistemas caracterizados por recursos de procesamiento limitados • un nuevo operador de mutación simplificado para el algoritmo evolutivo utilizado, que junto con un mecanismo de evaluación rápida de filtros wavelet candidatos derivado de la literatura actual, asegura la viabilidad de la búsqueda evolutiva asociada a la adaptación de wavelets. En el caso de adaptación estructural, la plataforma propuesta toma la forma de: • un CE basado en una plantilla de array sistólico reconfigurable de 2 dimensiones compuesto de nodos de procesamiento reconfigurables • un algoritmo evolutivo como AE que busca configuraciones candidatas del array usando un conjunto de funcionalidades de procesamiento para los nodos disponible en una biblioteca accesible en tiempo de ejecución • un RE hardware que explota la capacidad de reconfiguración nativa de las FPGAs haciendo un uso eficiente de los recursos reconfigurables del dispositivo para cambiar el comportamiento del CE en tiempo de ejecución • una biblioteca de elementos de procesamiento reconfigurables caracterizada por bitstreams parciales independientes de la posición, usados como el conjunto de configuraciones disponibles para los nodos de procesamiento del array Las contribuciones principales de esta tesis se pueden resumir en la siguiente lista: • Una plataforma evolutiva basada en FPGA para la auto-adaptación paramétrica y estructural de sistemas empotrados compuesta por un motor computacional (CE), un motor de adaptación (AE) evolutivo y un motor de reconfiguración (RE). Esta plataforma se ha desarrollado y particularizado para los casos de auto-adaptación paramétrica y estructural. • En cuanto a la auto-adaptación paramétrica, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante registros que permite la adaptación paramétrica de los coeficientes de una implementación hardware adaptativa de un núcleo de DWT. – Un motor de adaptación basado en un algoritmo evolutivo desarrollado específicamente para optimización numérica, aplicada a los coeficientes de filtros wavelet en sistemas empotrados con recursos limitados. – Un núcleo IP de DWT auto-adaptativo en tiempo de ejecución para sistemas empotrados que permite la optimización online del rendimiento de la transformada para compresión de imágenes en entornos específicos de despliegue, caracterizados por tipos diferentes de señal de entrada. – Un modelo software y una implementación hardware de una herramienta para la construcción evolutiva automática de transformadas wavelet específicas. • Por último, en cuanto a la auto-adaptación estructural, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante reconfiguración nativa de FPGAs caracterizado por una plantilla de array sistólico en dos dimensiones de nodos de procesamiento reconfigurables. Es posible mapear diferentes tareas de cómputo en el array usando una biblioteca de elementos sencillos de procesamiento reconfigurables. – Definición de una biblioteca de elementos de procesamiento apropiada para la síntesis autónoma en tiempo de ejecución de diferentes tareas de procesamiento de imagen. – Incorporación eficiente de la reconfiguración parcial dinámica (DPR) en sistemas de hardware evolutivo, superando los principales inconvenientes de propuestas previas como los circuitos reconfigurables virtuales (VRCs). En este trabajo también se comparan originalmente los detalles de implementación de ambas propuestas. – Una plataforma tolerante a fallos, auto-curativa, que permite la recuperación funcional online en entornos peligrosos. La plataforma ha sido caracterizada desde una perspectiva de tolerancia a fallos: se proponen modelos de fallo a nivel de CLB y de elemento de procesamiento, y usando el motor de reconfiguración, se hace un análisis sistemático de fallos para un fallo en cada elemento de procesamiento y para dos fallos acumulados. – Una plataforma con calidad de filtrado dinámica que permite la adaptación online a tipos de ruido diferentes y diferentes comportamientos computacionales teniendo en cuenta los recursos de procesamiento disponibles. Por un lado, se evolucionan filtros con comportamientos no destructivos, que permiten esquemas de filtrado en cascada escalables; y por otro, también se evolucionan filtros escalables teniendo en cuenta requisitos computacionales de filtrado cambiantes dinámicamente. Este documento está organizado en cuatro partes y nueve capítulos. La primera parte contiene el capítulo 1, una introducción y motivación sobre este trabajo de tesis. A continuación, el marco de referencia en el que se enmarca esta tesis se analiza en la segunda parte: el capítulo 2 contiene una introducción a los conceptos de auto-adaptación y computación autonómica (autonomic computing) como un campo de investigación más general que el muy específico de este trabajo; el capítulo 3 introduce la computación evolutiva como la técnica para dirigir la adaptación; el capítulo 4 analiza las plataformas de computación reconfigurables como la tecnología para albergar hardware auto-adaptativo; y finalmente, el capítulo 5 define, clasifica y hace un sondeo del campo del hardware evolutivo. Seguidamente, la tercera parte de este trabajo contiene la propuesta, desarrollo y resultados obtenidos: mientras que el capítulo 6 contiene una declaración de los objetivos de la tesis y la descripción de la propuesta en su conjunto, los capítulos 7 y 8 abordan la auto-adaptación paramétrica y estructural, respectivamente. Finalmente, el capítulo 9 de la parte 4 concluye el trabajo y describe caminos de investigación futuros. ABSTRACT Embedded systems have traditionally been conceived to be specific-purpose computers with one, fixed computational task for their whole lifetime. Stringent requirements in terms of cost, size and weight forced designers to highly optimise their operation for very specific conditions. However, demands for versatility, more intelligent behaviour and, in summary, an increased computing capability began to clash with these limitations, intensified by the uncertainty associated to the more dynamic operating environments where they were progressively being deployed. This brought as a result an increasing need for systems to respond by themselves to unexpected events at design time, such as: changes in input data characteristics and system environment in general; changes in the computing platform itself, e.g., due to faults and fabrication defects; and changes in functional specifications caused by dynamically changing system objectives. As a consequence, systems complexity is increasing, but in turn, autonomous lifetime adaptation without human intervention is being progressively enabled, allowing them to take their own decisions at run-time. This type of systems is known, in general, as selfadaptive, and are able, among others, of self-configuration, self-optimisation and self-repair. Traditionally, the soft part of a system has mostly been so far the only place to provide systems with some degree of adaptation capabilities. However, the performance to power ratios of software driven devices like microprocessors are not adequate for embedded systems in many situations. In this scenario, the resulting rise in applications complexity is being partly addressed by rising devices complexity in the form of multi and many core devices; but sadly, this keeps on increasing power consumption. Besides, design methodologies have not been improved accordingly to completely leverage the available computational power from all these cores. Altogether, these factors make that the computing demands new applications pose are not being wholly satisfied. The traditional solution to improve performance to power ratios has been the switch to hardware driven specifications, mainly using ASICs. However, their costs are highly prohibitive except for some mass production cases and besidesthe static nature of its structure complicates the solution to the adaptation needs. The advancements in fabrication technologies have made that the once slow, small FPGA used as glue logic in bigger systems, had grown to be a very powerful, reconfigurable computing device with a vast amount of computational logic resources and embedded, hardened signal and general purpose processing cores. Its reconfiguration capabilities have enabled software-like flexibility to be combined with hardware-like computing performance, which has the potential to cause a paradigm shift in computer architecture since hardware cannot be considered as static anymore. This is so, since, as is the case with SRAMbased FPGAs, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is possible. This means that subsets of the FPGA computational resources can now be changed (reconfigured) at run-time while the rest remains active. Besides, this reconfiguration process can be triggered internally by the device itself. This technological boost in reconfigurable hardware devices is actually covered under the field known as Reconfigurable Computing. One of the most exotic fields of application that Reconfigurable Computing has enabled is the known as Evolvable Hardware (EHW), in which this dissertation is framed. The main idea behind the concept is turning hardware that is adaptable through reconfiguration into an evolvable entity subject to the forces of an evolutionary process, inspired by that of natural, biological species, that guides the direction of change. It is yet another application of the field of Evolutionary Computation (EC), which comprises a set of global optimisation algorithms known as Evolutionary Algorithms (EAs), considered as universal problem solvers. In analogy to the biological process of evolution, in EHW the subject of evolution is a population of circuits that tries to get adapted to its surrounding environment by progressively getting better fitted to it generation after generation. Individuals become circuit configurations representing bitstreams that feature reconfigurable circuit descriptions. By selecting those that behave better, i.e., with a higher fitness value after being evaluated, and using them as parents of the following generation, the EA creates a new offspring population by using so called genetic operators like mutation and recombination. As generations succeed one another, the whole population is expected to approach to the optimum solution to the problem of finding an adequate circuit configuration that fulfils system objectives. The state of reconfiguration technology after Xilinx XC6200 FPGA family was discontinued and replaced by Virtex families in the late 90s, was a major obstacle for advancements in EHW; closed (non publicly known) bitstream formats; dependence on manufacturer tools with highly limiting support of DPR; slow speed of reconfiguration; and random bitstream modifications being potentially hazardous for device integrity, are some of these reasons. However, a proposal in the first 2000s allowed to keep investigating in this field while DPR technology kept maturing, the Virtual Reconfigurable Circuit (VRC). In essence, a VRC in an FPGA is a virtual layer acting as an application specific reconfigurable circuit on top of an FPGA fabric that reduces the complexity of the reconfiguration process and increases its speed (compared to native reconfiguration). It is an array of computational nodes specified using standard HDL descriptions that define ad-hoc reconfigurable resources; routing multiplexers and a set of configurable processing elements, each one containing all the required functions, which are selectable through functionality multiplexers as in microprocessor ALUs. A large register acts as configuration memory, so VRC reconfiguration is very fast given it only involves writing this register, which drives the selection signals of the set of multiplexers. However, large overheads are introduced by this virtual layer; an area overhead due to the simultaneous implementation of every function in every node of the array plus the multiplexers, and a delay overhead due to the multiplexers, which also reduces maximum frequency of operation. The very nature of Evolvable Hardware, able to optimise its own computational behaviour, makes it a good candidate to advance research in self-adaptive systems. Combining a selfreconfigurable computing substrate able to be dynamically changed at run-time with an embedded algorithm that provides a direction for change, can help fulfilling requirements for autonomous lifetime adaptation of FPGA-based embedded systems. The main proposal of this thesis is hence directed to contribute to autonomous self-adaptation of the underlying computational hardware of FPGA-based embedded systems by means of Evolvable Hardware. This is tackled by considering that the computational behaviour of a system can be modified by changing any of its two constituent parts: an underlying hard structure and a set of soft parameters. Two main lines of work derive from this distinction. On one side, parametric self-adaptation and, on the other side, structural self-adaptation. The goal pursued in the case of parametric self-adaptation is the implementation of complex evolutionary optimisation techniques in resource constrained embedded systems for online parameter adaptation of signal processing circuits. The application selected as proof of concept is the optimisation of Discrete Wavelet Transforms (DWT) filters coefficients for very specific types of images, oriented to image compression. Hence, adaptive and improved compression efficiency, as compared to standard techniques, is the required goal of evolution. The main quest lies in reducing the supercomputing resources reported in previous works for the optimisation process in order to make it suitable for embedded systems. Regarding structural self-adaptation, the thesis goal is the implementation of self-adaptive circuits in FPGA-based evolvable systems through an efficient use of native reconfiguration capabilities. In this case, evolution of image processing tasks such as filtering of unknown and changing types of noise and edge detection are the selected proofs of concept. In general, evolving unknown image processing behaviours (within a certain complexity range) at design time is the required goal. In this case, the mission of the proposal is the incorporation of DPR in EHW to evolve a systolic array architecture adaptable through reconfiguration whose evolvability had not been previously checked. In order to achieve the two stated goals, this thesis originally proposes an evolvable platform that integrates an Adaptation Engine (AE), a Reconfiguration Engine (RE) and an adaptable Computing Engine (CE). In the case of parametric adaptation, the proposed platform is characterised by: • a CE featuring a DWT hardware processing core adaptable through reconfigurable registers that holds wavelet filters coefficients • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate wavelet filters through a parametric optimisation process specifically developed for systems featured by scarce computing resources • a new, simplified mutation operator for the selected EA, that together with a fast evaluation mechanism of candidate wavelet filters derived from existing literature, assures the feasibility of the evolutionary search involved in wavelets adaptation In the case of structural adaptation, the platform proposal takes the form of: • a CE based on a reconfigurable 2D systolic array template composed of reconfigurable processing nodes • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate configurations of the array using a set of computational functionalities for the nodes available in a run time accessible library • a hardware RE that exploits native DPR capabilities of FPGAs and makes an efficient use of the available reconfigurable resources of the device to change the behaviour of the CE at run time • a library of reconfigurable processing elements featured by position-independent partial bitstreams used as the set of available configurations for the processing nodes of the array Main contributions of this thesis can be summarised in the following list. • An FPGA-based evolvable platform for parametric and structural self-adaptation of embedded systems composed of a Computing Engine, an evolutionary Adaptation Engine and a Reconfiguration Engine. This platform is further developed and tailored for both parametric and structural self-adaptation. • Regarding parametric self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through reconfigurable registers that enables parametric adaptation of the coefficients of an adaptive hardware implementation of a DWT core. – An AE based on an Evolutionary Algorithm specifically developed for numerical optimisation applied to wavelet filter coefficients in resource constrained embedded systems. – A run-time self-adaptive DWT IP core for embedded systems that allows for online optimisation of transform performance for image compression for specific deployment environments characterised by different types of input signals. – A software model and hardware implementation of a tool for the automatic, evolutionary construction of custom wavelet transforms. • Lastly, regarding structural self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through native FPGA fabric reconfiguration featured by a two dimensional systolic array template of reconfigurable processing nodes. Different processing behaviours can be automatically mapped in the array by using a library of simple reconfigurable processing elements. – Definition of a library of such processing elements suited for autonomous runtime synthesis of different image processing tasks. – Efficient incorporation of DPR in EHW systems, overcoming main drawbacks from the previous approach of virtual reconfigurable circuits. Implementation details for both approaches are also originally compared in this work. – A fault tolerant, self-healing platform that enables online functional recovery in hazardous environments. The platform has been characterised from a fault tolerance perspective: fault models at FPGA CLB level and processing elements level are proposed, and using the RE, a systematic fault analysis for one fault in every processing element and for two accumulated faults is done. – A dynamic filtering quality platform that permits on-line adaptation to different types of noise and different computing behaviours considering the available computing resources. On one side, non-destructive filters are evolved, enabling scalable cascaded filtering schemes; and on the other, size-scalable filters are also evolved considering dynamically changing computational filtering requirements. This dissertation is organized in four parts and nine chapters. First part contains chapter 1, the introduction to and motivation of this PhD work. Following, the reference framework in which this dissertation is framed is analysed in the second part: chapter 2 features an introduction to the notions of self-adaptation and autonomic computing as a more general research field to the very specific one of this work; chapter 3 introduces evolutionary computation as the technique to drive adaptation; chapter 4 analyses platforms for reconfigurable computing as the technology to hold self-adaptive hardware; and finally chapter 5 defines, classifies and surveys the field of Evolvable Hardware. Third part of the work follows, which contains the proposal, development and results obtained: while chapter 6 contains an statement of the thesis goals and the description of the proposal as a whole, chapters 7 and 8 address parametric and structural self-adaptation, respectively. Finally, chapter 9 in part 4 concludes the work and describes future research paths.

La reutilización de efluentes depurados en España: retrospectiva, desarrollo del marco normativo, estudio de las tecnologías de regeneración frente a los biorreactores de membrana y sus costes en función del uso

La reutilización de efluentes depurados siempre ha sido una opción en lugares con déficit coyuntural o estructural de recursos hídricos, se haya o no procedido a la regulación y planificación de esta práctica. La necesidad se crea a partir de las demandas de una zona, normalmente riego agrícola, que ven un mejor desarrollo de su actividad por contar con este recurso. España es el país de la UE que más caudal reutiliza, y está dentro de los diez primeros a nivel mundial. La regulación de esta práctica por el RD 1620/2007, ayudó a incorporar la reutilización de efluentes depurados a la planificación hidrológica como parte de los programas de medidas, con objeto de mitigar presiones, como son las extracciones de agua superficial y subterránea, o mejoras medioambientales evitando un vertido. El objeto de este trabajo es conocer la situación de la reutilización de efluentes depurados en España, los diferentes escenarios y planteamientos de esta actividad, el desarrollo del marco normativo y su aplicabilidad, junto a los tratamientos que permiten alcanzar los límites de calidad establecidos en la normativa vigente, en función de los distintos usos. Además, se aporta un análisis de costes de las distintas unidades de tratamiento y tipologías de líneas de regeneración, tanto de las utilizadas después de un tratamiento secundario como de otras opciones de depuración, como son los biorreactores de membrana (MBRs). Para el desarrollo de estos objetivos, en primer lugar, se aborda el conocimiento de la situación de la reutilización en España a través de una base de datos diseñada para cubrir todos los aspectos de esta actividad: datos de la estación depuradora de aguas residuales (EDAR), de la estación regeneradora (ERA), caudales depurados, reutilizados, volúmenes utilizados y ubicación de los distintos usos, tipos de líneas de tratamiento, calidades del agua reutilizada, etc. Las principales fuentes de información son las Confederaciones Hidrográficas (CCHH) a través de las concesiones de uso del agua depurada, las entidades de saneamiento y depuración de las distintas comunidades autónomas (CCAA), ayuntamientos, Planes Hidrológicos de Cuenca (PHC) y visitas a las zonas más emblemáticas. Además, se revisan planes y programas con el fin de realizar una retrospectiva de cómo se ha ido consolidando y desarrollando esta práctica en las distintas zonas de la geografía española. Se han inventariado 322 sistemas de reutilización y 216 tratamientos de regeneración siendo el más extendido la filtración mediante filtro arena seguido de una desinfección mediante hipoclorito, aunque este tratamiento se ha ido sustituyendo por un físico-químico con decantación lamelar, filtro de arena y radiación ultravioleta, tratamiento de regeneración convencional (TRC), y otros tratamientos que pueden incluir membranas, tratamientos de regeneración avanzados (TRA), con dosificación de hipoclorito como desinfección residual, para adaptarse al actual marco normativo. El uso más extendido es el agrícola con el 70% del caudal total reutilizado, estimado en 408 hm3, aunque la capacidad de los tratamientos de regeneración esperada para 2015, tras el Plan Nacional de Reutilización de Aguas (PNRA), es tres veces superior. Respecto al desarrollo normativo, en las zonas donde la reutilización ha sido pionera, las administraciones competentes han ido desarrollando diferentes recomendaciones de calidad y manejo de este tipo de agua. El uso agrícola, y en zonas turísticas, el riego de campos de golf, fueron los dos primeros usos que tuvieron algún tipo de recomendación incluso reglamentación. Esta situación inicial, sin una normativa a nivel estatal ni recomendaciones europeas, creó cierta incertidumbre en el avance de la reutilización tanto a nivel de concesiones como de planificación. En la actualidad sigue sin existir una normativa internacional para la reutilización y regeneración de efluentes depurados. Las recomendaciones de referencia a nivel mundial, y en concreto para el uso agrícola, son las de la OMS (Organización Mundial de la Salud) publicadas 1989, con sus posteriores revisiones y ampliaciones (OMS, 2006). Esta norma combina tratamientos básicos de depuración y unas buenas prácticas basadas en diferentes niveles de protección para evitar problemas sanitarios. Otra normativa que ha sido referencia en el desarrollo del marco normativo en países donde se realiza esta práctica, son las recomendaciones dadas por la Agencia Medioambiente Estadunidense (USEPA, 2012) o las publicadas por el Estado de California (Título 22, 2001). Estas normas establecen unos indicadores y valores máximos dónde el tratamiento de regeneración es el responsable de la calidad final en función del uso. Durante 2015, la ISO trabajaba en un documento para el uso urbano donde se muestra tanto los posibles parámetros que habría que controlar como la manera de actuar para evitar posibles riesgos. Por otro lado, la Comisión Europea (CE) viene impulsando desde el 2014 la reutilización de aguas depuradas dentro del marco de la Estrategia Común de Implantación de la Directiva Marco del Agua, y fundamentalmente a través del grupo de trabajo de “Programas de medidas”. Para el desarrollo de esta iniciativa se está planteando sacar para 2016 una guía de recomendaciones que podría venir a completar el marco normativo de los distintos Estados Miembros (EM). El Real Decreto 1620/2007, donde se establece el marco jurídico de la reutilización de efluentes depurados, tiende más a la filosofía implantada por la USEPA, aunque la UE parece más partidaria de una gestión del riesgo, donde se establecen unos niveles de tolerancia y unos puntos de control en función de las condiciones socioeconómicas de los distintos Estados, sin entrar a concretar indicadores, valores máximos o tratamientos. Sin embargo, en la normativa estadounidense se indican una serie de tratamientos de regeneración, mientras que, en la española, se hacen recomendaciones a este respecto en una Guía sin validez legal. Por tanto, queda sin regular los procesos para alcanzar estos estándares de calidad, pudiendo ser éstos no apropiados para esta práctica. Es el caso de la desinfección donde el uso de hipoclorito puede generar subproductos indeseables. En la Guía de recomendaciones para la aplicación del RD, publicada por el Ministerio de Agricultura y Medioambiente (MAGRAMA) en 2010, se aclaran cuestiones frecuentes sobre la aplicación del RD, prescripciones técnicas básicas para los sistemas de reutilización, y buenas prácticas en función del uso. Aun así, el RD sigue teniendo deficiencias en su aplicación siendo necesaria una revisión de la misma, como en las frecuencias de muestreo incluso la omisión de algunos parámetros como huevos de nematodos que se ha demostrado ser inexistentes tras un tratamiento de regeneración convencional. En este sentido, existe una tendencia a nivel mundial a reutilizar las aguas con fines de abastecimiento, incluir indicadores de presencia de virus o protozoos, o incluir ciertas tecnologías como las membranas u oxidaciones avanzadas para afrontar temas como los contaminantes emergentes. Otro de los objetivos de este trabajo es el estudio de tipologías de tratamiento en función de los usos establecidos en el RD 1620/2007 y sus costes asociados, siendo base de lo establecido a este respecto en la Guía y PNRA anteriormente indicados. Las tipologías de tratamiento propuestas se dividen en líneas con capacidad de desalar y las que no cuentan con una unidad de desalación de aguas salobres de ósmosis inversa o electrodiálisis reversible. Se realiza esta división al tener actuaciones en zonas costeras donde el agua de mar entra en los colectores, adquiriendo el agua residual un contenido en sales que es limitante en algunos usos. Para desarrollar este objetivo se han estudiado las unidades de tratamiento más implantadas en ERAs españolas en cuanto a fiabilidad para conseguir determinada calidad y coste, tanto de implantación como de explotación. El TRC, tiene un coste de implantación de 28 a 48 €.m-3.d y de explotación de 0,06 a 0,09 €. m-3, mientras que, si se precisara desalar, este coste se multiplica por diez en la implantación y por cinco en la explotación. En caso de los usos que requieren de TRA, como los domiciliarios o algunos industriales, los costes serían de 185 a 398 €.m-3.d en implantación y de 0,14 a 0,20 €.m-3 en explotación. En la selección de tecnologías de regeneración, la capacidad del tratamiento en relación al coste es un indicador fundamental. Este trabajo aporta curvas de tendencia coste-capacidad que sirven de herramienta de selección frente a otros tratamientos de regeneración de reciente implantación como son los MBR, u otros como la desalación de agua de mar o los trasvases entre cuencas dentro de la planificación hidrológica. En España, el aumento de las necesidades de agua de alta calidad en zonas con recursos escasos, aumento de zonas sensibles como puntos de captación para potables, zonas de baño o zonas de producción piscícola, y en ocasiones, el escaso terreno disponible para la implantación de nuevas plantas depuradoras (EDARs), han convertido a los MBRs, en una opción dentro del marco de la reutilización de aguas depuradas. En este trabajo, se estudia esta tecnología frente a los TRC y TRA, aportando igualmente curvas de tendencia coste-capacidad, e identificando cuando esta opción tecnológica puede ser más competitiva frente a los otros tratamientos de regeneración. Un MBR es un tratamiento de depuración de fangos activos donde el decantador secundario es sustituido por un sistema de membranas de UF o MF. La calidad del efluente, por tanto, es la misma que el de una EDAR seguida de un TRA. Los MBRs aseguran una calidad del efluente para todos los usos establecidos en el RD, incluso dan un efluente que permite ser directamente tratado por las unidades de desalación de OI o EDR. La implantación de esta tecnología en España ha tenido un crecimiento exponencial, pasando de 13 instalaciones de menos de 5.000 m3. d-1 en el 2006, a más de 55 instalaciones en operación o construcción a finales del 2014, seis de ellas con capacidades por encima de los 15.000 m3. d-1. Los sistemas de filtración en los MBR son los que marcan la operación y diseño de este tipo de instalaciones. El sistema más implantado en España es de membrana de fibra hueca (MFH), sobre todo para instalaciones de gran capacidad, destacando Zenon que cuenta con el 57% de la capacidad total instalada. La segunda casa comercial con mayor número de plantas es Kubota, con membranas de configuración placa plana (MPP), que cuenta con el 30 % de la capacidad total instalada. Existen otras casas comerciales implantadas en MBR españoles como son Toray, Huber, Koch o Microdym. En este documento se realiza la descripción de los sistemas de filtración de todas estas casas comerciales, aportando información de sus características, parámetros de diseño y operación más relevantes. El estudio de 14 MBRs ha posibilitado realizar otro de los objetivos de este trabajo, la estimación de los costes de explotación e implantación de este tipo de sistemas frente a otras alternativas de tratamiento de regeneración. En este estudio han participado activamente ACA y ESAMUR, entidades públicas de saneamiento y depuración de Cataluña y Murcia respectivamente, que cuentan con una amplia experiencia en la explotación de este tipo de sistemas. Este documento expone los problemas de operación encontrados y sus posibles soluciones, tanto en la explotación como en los futuros diseños de este tipo de plantas. El trabajo concluye que los MBRs son una opción más para la reutilización de efluentes depurados, siendo ventajosos en costes, tanto de implantación como de explotación, respecto a EDARs seguidas de TRA en capacidades por encima de los 10.000 m3.d-1. ABSTRACT The reuse of treated effluent has always been an option in places where a situational or structural water deficit exists, whether regulatory and/or planning efforts are completed or not. The need arises from the demand of a sector, commonly agricultural irrigation, which benefits of this new resource. Within the EU, Spain is ahead in the annual volume of reclaimed water, and is among the top ten countries at a global scale. The regulation of this practice through the Royal Decree 1620/2007 has helped to incorporate the water reuse to the hydrological plans as a part of the programme of measures to mitigate pressures such as surface or ground water extraction, or environmental improvements preventing discharges. The object of this study is to gain an overview of the state of the water reuse in Spain, the different scenarios and approaches to this activity, the development of the legal framework and its enforceability, together with the treatments that achieve the quality levels according to the current law, broken down by applications. Additionally, a cost analysis of technologies and regeneration treatment lines for water reclamation is performed, whereas the regeneration treatment is located after a wastewater treatment or other options such as membrane bioreactors (MBR). To develop the abovementioned objectives, the state of water reuse in Spain is studied by means of a database designed to encompass all aspects of the activity: data from the wastewater treatment plants (WWTP), from the water reclamation plants (WRP), the use of reclaimed water, treated water and reclaimed water annual volumes and qualities, facilities and applications, geographic references, technologies, regeneration treatment lines, etc. The main data providers are the River Basin authorities, through the concession or authorization for water reuse, (sanitary and wastewater treatment managers from the territorial governments, local governments, Hydrological Plans of the River Basins and field visits to the main water reuse systems. Additionally, a review of different plans and programmes on wastewater treatment or water reuse is done, aiming to put the development and consolidation process of this activity in the different regions of Spain in perspective. An inventory of 322 reuse systems and 216 regeneration treatments has been gathered on the database, where the most extended regeneration treatment line was sand filtration followed by hypochlorite disinfection, even though recently it is being replaced by physical–chemical treatment with a lamella settling system, depth sand filtration, and a disinfection with ultraviolet radiation and hypochlorite as residual disinfectant, named conventional regeneration treatment (CRT), and another treatment that may include a membrane process, named advanced regeneration treatment (ART), to adapt to legal requirements. Agricultural use is the most extended, accumulating 70% of the reclaimed demand, estimated at 408 hm3, even though the expected total capacity of WRPs for 2015, after the implementation of the National Water Reuse Plan (NWRP) is three times higher. According to the development of the water reuse legal framework, there were pioneer areas where competent authorities developed different quality and use recommendations for this new resource. Agricultural use and golf course irrigation in touristic areas were the first two uses with recommendations and even legislation. The initial lack of common legislation for water reuse at a national or European level created some doubts which affected the implementation of water reuse, both from a planning and a licensing point of view. Currently there is still a lack of common international legislation regarding water reuse, technologies and applications. Regarding agricultural use, the model recommendations at a global scale are those set by the World Health Organization published in 1989, and subsequent reviews and extensions about risk prevention (WHO, 2006). These documents combine wastewater treatments with basic regeneration treatments reinforced by good practices based on different levels of protection to avoid deleterious health effects. Another relevant legal reference for this practices has been the Environmental Protection Agency of the US (USEPA, 2012), or those published by the State of California (Title 22, 2001). These establish indicator targets and maximum thresholds where regeneration treatment lines are responsible for the final quality according to the different uses. During 2015, the ISO has worked on a document aimed at urban use, where the possible parameters to be monitored together with risk prevention have been studied. On the other hand, the European Commission has been promoting the reuse of treated effluents within the Common Implementation Strategy of the Water Framework Directive, mainly through the work of the Programme of Measures Working Group. Within this context, the publication of a recommendation guide during 2016 is intended, as a useful tool to fill in the legal gaps of different Member States on the matter. The Royal Decree 1620/2007, where the water reuse regulation is set, resembles the principles of the USEPA more closely, even though the EU shows a tendency to prioritize risk assessment by establishing tolerance levels and thresholds according to socioeconomic conditions of the different countries, without going into details of indicators, maximum thresholds or treatments. In contrast, in the US law, regeneration treatments are indicated, while in the Spanish legislation, the only recommendations to this respect are compiled in a non-compulsory guide. Therefore, there is no regulation on the different treatment lines used to achieve the required quality standards, giving room for inappropriate practices in this respect. This is the case of disinfection, where the use of hypochlorite may produce harmful byproducts. In the recommendation Guide for the application of the Royal Decree (RD), published by the Ministry of Agriculture and Environment (MAGRAMA) in 2010, clarifications of typical issues that may arise from the application of the RD are given, as well as basic technical parameters to consider in reuse setups, or good practices according to final use. Even so, the RD still presents difficulties in its application and requires a review on issues such as the sampling frequency of current quality parameters or even the omission of nematode eggs indicator, which have been shown to be absent after CRT. In this regard, there is a global tendency to employ water reuse for drinking water, including indicators for the presence of viruses and protozoans, or to include certain technologies such as membranes or advanced oxidation processes to tackle problems like emerging pollutants. Another of the objectives of this study is to provide different regeneration treatment lines to meet the quality requirements established in the RD 1620/2007 broken down by applications, and to estimate establishment and operational costs. This proposal has been based on what is established in the above mentioned Guide and NWRP. The proposed treatment typologies are divided in treatment trains with desalination, like reverse osmosis or reversible electrodialisis, and those that lack this treatment for brackish water. This separation is done due to coastal facilities, where sea water may permeate the collecting pipes, rising salt contents in the wastewater, hence limiting certain uses. To develop this objective a study of the most common treatment units set up in Spanish WRPs is conducted in terms of treatment train reliability to obtain an acceptable relationship between the required quality and the capital and operational costs. The CRT has an establishment cost of 28 to 48 €.m-3.d and an operation cost of 0.06 to 0.09 €.m-3, while, if desalination was required, these costs would increase tenfold for implementation and fivefold for operation. In the cases of uses that require ART, such as residential or certain industrial uses, the costs would be of 185 to 398 €.m-3.d for implementation and of 0.14 to 0.20 €.m-3 for operation. When selecting regeneration treatment lines, the relation between treatment capacity and cost is a paramount indicator. This project provides cost-capacity models for regeneration treatment trains. These may serve as a tool when selecting between different options to fulfill water demands with MBR facilities, or others such as sea water desalination plants or inter-basin water transfer into a water planning framework. In Spain, the requirement for high quality water in areas with low resource availability, the increasing number of sensitive zones, such as drinking water extraction, recreational bathing areas, fish protected areas and the lack of available land to set up new WWTPs, have turned MBRs into a suitable option for water reuse. In this work this technology is analyzed in contrast to CRT and ART, providing cost-capacity models, and identifying when and where this treatment option may outcompete other regeneration treatments. An MBR is an activated sludge treatment where the secondary settling is substituted by a membrane system of UF or MF. The quality of the effluent is, therefore, comparable to that of a WWTP followed by an ART. MBRs ensure a sufficient quality level for the requirements of the different uses established in the RD, even producing an effluent that can be directly treated in OI or EDR processes. The implementation of this technology in Spain has grown exponentially, growing from 13 facilities with less than 5000 m3.d-1 in 2006 to above 55 facilities operating by the end of 2014, 6 of them with capacities over 15000 m3.d-1. The membrane filtration systems for MBR are the ones that set the pace of operation and design of this type of facilities. The most widespread system in Spain is the hollow fiber membrane configuration, especially on high flow capacities, being Zenon commercial technology, which mounts up to 57% of the total installed capacity, the main contributor. The next commercial technology according to plant number is Kubota, which uses flat sheet membrane configuration, which mounts up to 30% of the total installed capacity. Other commercial technologies exist within the Spanish MBR context, such as Toray, Huber, Koch or Microdym. In this document an analysis of all of these membrane filtration systems is done, providing information about their characteristics and relevant design and operation parameters. The study of 14 full scale running MBRs has enabled to pursue another of the objectives of this work: the estimation of the implementation and operation costs of this type of systems in contrast to other regeneration alternatives. Active participation of ACA and ESAMUR, public wastewater treatment and reuse entities of Cataluña and Murcia respectively, has helped attaining this objective. A number of typical operative problems and their possible solutions are discussed, both for operation and plant design purposes. The conclusion of this study is that MBRs are another option to consider for water reuse, being advantageous in terms of both implementation and operational costs, when compared with WWTPs followed by ART, when considering flow capacities above 10000 m3.d-1.

Evaluación estocástica de huecos de tensión en sistemas eléctricos: estudio de sensibilidad, estimación de índices y localización óptima de medidores

I. GENERALIDADES 1.1. Introducción Entre los diversos tipos de perturbaciones eléctricas, los huecos de tensión son considerados el problema de calidad de suministro más frecuente en los sistemas eléctricos. Este fenómeno es originado por un aumento extremo de la corriente en el sistema, causado principalmente por cortocircuitos o maniobras inadecuadas en la red. Este tipo de perturbación eléctrica está caracterizado básicamente por dos parámetros: tensión residual y duración. Típicamente, se considera que el hueco se produce cuando la tensión residual alcanza en alguna de las fases un valor entre 0.01 a 0.9 pu y tiene una duración de hasta 60 segundos. Para un usuario final, el efecto más relevante de un hueco de tensión es la interrupción o alteración de la operación de sus equipos, siendo los dispositivos de naturaleza electrónica los principalmente afectados (p. ej. ordenador, variador de velocidad, autómata programable, relé, etc.). Debido al auge tecnológico de las últimas décadas y a la búsqueda constante de automatización de los procesos productivos, el uso de componentes electrónicos resulta indispensable en la actualidad. Este hecho, lleva a que los efectos de los huecos de tensión sean más evidentes para el usuario final, provocando que su nivel de exigencia de la calidad de energía suministrada sea cada vez mayor. De forma general, el estudio de los huecos de tensión suele ser abordado bajo dos enfoques: en la carga o en la red. Desde el punto de vista de la carga, se requiere conocer las características de sensibilidad de los equipos para modelar su respuesta ante variaciones súbitas de la tensión del suministro eléctrico. Desde la perspectiva de la red, se busca estimar u obtener información adecuada que permita caracterizar su comportamiento en términos de huecos de tensión. En esta tesis, el trabajo presentado se encuadra en el segundo aspecto, es decir, en el modelado y estimación de la respuesta de un sistema eléctrico de potencia ante los huecos de tensión. 1.2. Planteamiento del problema A pesar de que los huecos de tensión son el problema de calidad de suministro más frecuente en las redes, hasta la actualidad resulta complejo poder analizar de forma adecuada este tipo de perturbación para muchas compañías del sector eléctrico. Entre las razones más comunes se tienen: - El tiempo de monitorización puede llegar a ser de varios años para conseguir una muestra de registros de huecos estadísticamente válida. - La limitación de recursos económicos para la adquisición e instalación de equipos de monitorización de huecos. - El elevado coste operativo que implica el análisis de los datos de los medidores de huecos de tensión instalados. - La restricción que tienen los datos de calidad de energía de las compañías eléctricas. Es decir, ante la carencia de datos que permitan analizar con mayor detalle los huecos de tensión, es de interés de las compañías eléctricas y la academia poder crear métodos fiables que permitan profundizar en el estudio, estimación y supervisión de este fenómeno electromagnético. Los huecos de tensión, al ser principalmente originados por eventos fortuitos como los cortocircuitos, son el resultado de diversas variables exógenas como: (i) la ubicación de la falta, (ii) la impedancia del material de contacto, (iii) el tipo de fallo, (iv) la localización del fallo en la red, (v) la duración del evento, etc. Es decir, para plantear de forma adecuada cualquier modelo teórico sobre los huecos de tensión, se requeriría representar esta incertidumbre combinada de las variables para proveer métodos realistas y, por ende, fiables para los usuarios. 1.3. Objetivo La presente tesis ha tenido como objetivo el desarrollo diversos métodos estocásticos para el estudio, estimación y supervisión de los huecos de tensión en los sistemas eléctricos de potencia. De forma específica, se ha profundizado en los siguientes ámbitos: - En el modelado realista de las variables que influyen en la caracterización de los huecos. Esto es, en esta Tesis se ha propuesto un método que permite representar de forma verosímil su cuantificación y aleatoriedad en el tiempo empleando distribuciones de probabilidad paramétricas. A partir de ello, se ha creado una herramienta informática que permite estimar la severidad de los huecos de tensión en un sistema eléctrico genérico. - Se ha analizado la influencia la influencia de las variables de entrada en la estimación de los huecos de tensión. En este caso, el estudio se ha enfocado en las variables de mayor divergencia en su caracterización de las propuestas existentes. - Se ha desarrollado un método que permite estima el número de huecos de tensión de una zona sin monitorización a través de la información de un conjunto limitado de medidas de un sistema eléctrico. Para ello, se aplican los principios de la estadística Bayesiana, estimando el número de huecos de tensión más probable de un emplazamiento basándose en los registros de huecos de otros nudos de la red. - Plantear una estrategia para optimizar la monitorización de los huecos de tensión en un sistema eléctrico. Es decir, garantizar una supervisión del sistema a través de un número de medidores menor que el número de nudos de la red. II. ESTRUCTURA DE LA TESIS Para plantear las propuestas anteriormente indicadas, la presente Tesis se ha estructurado en seis capítulos. A continuación, se describen brevemente los mismos. A manera de capítulo introductorio, en el capítulo 1, se realiza una descripción del planteamiento y estructura de la presente tesis. Esto es, se da una visión amplia de la problemática a tratar, además de describir el alcance de cada capítulo de la misma. En el capítulo 2, se presenta una breve descripción de los fundamentos y conceptos generales de los huecos de tensión. Los mismos, buscan brindar al lector de una mejor comprensión de los términos e indicadores más empleados en el análisis de severidad de los huecos de tensión en las redes eléctricas. Asimismo, a manera de antecedente, se presenta un resumen de las principales características de las técnicas o métodos existentes aplicados en la predicción y monitorización óptima de los huecos de tensión. En el capítulo 3, se busca fundamentalmente conocer la importancia de las variables que determinen la frecuencia o severidad de los huecos de tensión. Para ello, se ha implementado una herramienta de estimación de huecos de tensión que, a través de un conjunto predeterminado de experimentos mediante la técnica denominada Diseño de experimentos, analiza la importancia de la parametrización de las variables de entrada del modelo. Su análisis, es realizado mediante la técnica de análisis de la varianza (ANOVA), la cual permite establecer con rigor matemático si la caracterización de una determinada variable afecta o no la respuesta del sistema en términos de los huecos de tensión. En el capítulo 4, se propone una metodología que permite predecir la severidad de los huecos de tensión de todo el sistema a partir de los registros de huecos de un conjunto reducido de nudos de dicha red. Para ello, se emplea el teorema de probabilidad condicional de Bayes, el cual calcula las medidas más probables de todo el sistema a partir de la información proporcionada por los medidores de huecos instalados. Asimismo, en este capítulo se revela una importante propiedad de los huecos de tensión, como es la correlación del número de eventos de huecos de tensión en diversas zonas de las redes eléctricas. En el capítulo 5, se desarrollan dos métodos de localización óptima de medidores de huecos de tensión. El primero, que es una evolución metodológica del criterio de observabilidad; aportando en el realismo de la pseudo-monitorización de los huecos de tensión con la que se calcula el conjunto óptimo de medidores y, por ende, en la fiabilidad del método. Como una propuesta alternativa, se emplea la propiedad de correlación de los eventos de huecos de tensión de una red para plantear un método que permita establecer la severidad de los huecos de todo el sistema a partir de una monitorización parcial de dicha red. Finalmente, en el capítulo 6, se realiza una breve descripción de las principales aportaciones de los estudios realizados en esta tesis. Adicionalmente, se describen diversos temas a desarrollar en futuros trabajos. III. RESULTADOS En base a las pruebas realizadas en las tres redes planteadas; dos redes de prueba IEEE de 24 y 118 nudos (IEEE-24 e IEEE-118), además del sistema eléctrico de la República del Ecuador de 357 nudos (EC-357), se describen los siguientes puntos como las observaciones más relevantes: A. Estimación de huecos de tensión en ausencia de medidas: Se implementa un método estocástico de estimación de huecos de tensión denominado PEHT, el cual representa con mayor realismo la simulación de los eventos de huecos de un sistema a largo plazo. Esta primera propuesta de la tesis, es considerada como un paso clave para el desarrollo de futuros métodos del presente trabajo, ya que permite emular de forma fiable los registros de huecos de tensión a largo plazo en una red genérica. Entre las novedades más relevantes del mencionado Programa de Estimación de Huecos de Tensión (PEHT) se tienen: - Considerar el efecto combinado de cinco variables aleatorias de entrada para simular los eventos de huecos de tensión en una pseudo-monitorización a largo plazo. Las variables de entrada modeladas en la caracterización de los huecos de tensión en el PEHT son: (i) coeficiente de fallo, (ii) impedancia de fallo, (iii) tipo de fallo, (iv) localización del fallo y (v) duración. - El modelado estocástico de las variables de entrada impedancia de fallo y duración en la caracterización de los eventos de huecos de tensión. Para la parametrización de las variables mencionadas, se realizó un estudio detallado del comportamiento real de las mismas en los sistemas eléctricos. Asimismo, se define la función estadística que mejor representa la naturaleza aleatoria de cada variable. - Considerar como variables de salida del PEHT a indicadores de severidad de huecos de uso común en las normativas, como es el caso de los índices: SARFI-X, SARFI-Curve, etc. B. Análisis de sensibilidad de los huecos de tensión: Se presenta un estudio causa-efecto (análisis de sensibilidad) de las variables de entrada de mayor divergencia en su parametrización entre las referencias relacionadas a la estimación de los huecos de tensión en redes eléctricas. De forma específica, se profundiza en el estudio de la influencia de la parametrización de las variables coeficiente de fallo e impedancia de fallo en la predicción de los huecos de tensión. A continuación un resumen de las conclusiones más destacables: - La precisión de la variable de entrada coeficiente de fallo se muestra como un parámetro no influyente en la estimación del número de huecos de tensión (SARFI-90 y SARFI-70) a largo plazo. Es decir, no se requiere de una alta precisión del dato tasa de fallo de los elementos del sistema para obtener una adecuada estimación de los huecos de tensión. - La parametrización de la variable impedancia de fallo se muestra como un factor muy sensible en la estimación de la severidad de los huecos de tensión. Por ejemplo, al aumentar el valor medio de esta variable aleatoria, se disminuye considerablemente la severidad reportada de los huecos en la red. Por otra parte, al evaluar el parámetro desviación típica de la impedancia de fallo, se observa una relación directamente proporcional de este parámetro con la severidad de los huecos de tensión de la red. Esto es, al aumentar la desviación típica de la impedancia de fallo, se evidencia un aumento de la media y de la variación interanual de los eventos SARFI-90 y SARFI-70. - En base al análisis de sensibilidad desarrollado en la variable impedancia de fallo, se considera muy cuestionable la fiabilidad de los métodos de estimación de huecos de tensión que omiten su efecto en el modelo planteado. C. Estimación de huecos de tensión en base a la información de una monitorización parcial de la red: Se desarrolla un método que emplea los registros de una red parcialmente monitorizada para determinar la severidad de los huecos de todo el sistema eléctrico. A partir de los casos de estudio realizados, se observa que el método implementado (PEHT+MP) posee las siguientes características: - La metodología propuesta en el PEHT+MP combina la teoría clásica de cortocircuitos con diversas técnicas estadísticas para estimar, a partir de los datos de los medidores de huecos instalados, las medidas de huecos de los nudos sin monitorización de una red genérica. - El proceso de estimación de los huecos de tensión de la zona no monitorizada de la red se fundamenta en la aplicación del teorema de probabilidad condicional de Bayes. Es decir, en base a los datos observados (los registros de los nudos monitorizados), el PEHT+MP calcula de forma probabilística la severidad de los huecos de los nudos sin monitorización del sistema. Entre las partes claves del procedimiento propuesto se tienen los siguientes puntos: (i) la creación de una base de datos realista de huecos de tensión a través del Programa de Estimación de Huecos de Tensión (PEHT) propuesto en el capítulo anterior; y, (ii) el criterio de máxima verosimilitud empleado para estimar las medidas de huecos de los nudos sin monitorización de la red evaluada. - Las predicciones de medidas de huecos de tensión del PEHT+MP se ven potenciadas por la propiedad de correlación de los huecos de tensión en diversas zonas de un sistema eléctrico. Esta característica intrínseca de las redes eléctricas limita de forma significativa la respuesta de las zonas fuertemente correlacionadas del sistema ante un eventual hueco de tensión. Como el PEHT+MP está basado en principios probabilísticos, la reducción del rango de las posibles medidas de huecos se ve reflejado en una mejor predicción de las medidas de huecos de la zona no monitorizada. - Con los datos de un conjunto de medidores relativamente pequeño del sistema, es posible obtener estimaciones precisas (error nulo) de la severidad de los huecos de la zona sin monitorizar en las tres redes estudiadas. - El PEHT+MP se puede aplicar a diversos tipos de indicadores de severidad de los huecos de tensión, como es el caso de los índices: SARFI-X, SARFI-Curve, SEI, etc. D. Localización óptima de medidores de huecos de tensión: Se plantean dos métodos para ubicar de forma estratégica al sistema de monitorización de huecos en una red genérica. La primera propuesta, que es una evolución metodológica de la localización óptima de medidores de huecos basada en el criterio de observabilidad (LOM+OBS); y, como segunda propuesta, un método que determina la localización de los medidores de huecos según el criterio del área de correlación (LOM+COR). Cada método de localización óptima de medidores propuesto tiene un objetivo concreto. En el caso del LOM+OBS, la finalidad del método es determinar el conjunto óptimo de medidores que permita registrar todos los fallos que originen huecos de tensión en la red. Por otro lado, en el método LOM+COR se persigue definir un sistema óptimo de medidores que, mediante la aplicación del PEHT+MP (implementado en el capítulo anterior), sea posible estimar de forma precisa las medidas de huecos de tensión de todo el sistema evaluado. A partir del desarrollo de los casos de estudio de los citados métodos de localización óptima de medidores en las tres redes planteadas, se describen a continuación las observaciones más relevantes: - Como la generación de pseudo-medidas de huecos de tensión de los métodos de localización óptima de medidores (LOM+OBS y LOM+COR) se obtienen mediante la aplicación del algoritmo PEHT, la formulación del criterio de optimización se realiza en base a una pseudo-monitorización realista, la cual considera la naturaleza aleatoria de los huecos de tensión a través de las cinco variables estocásticas modeladas en el PEHT. Esta característica de la base de datos de pseudo-medidas de huecos de los métodos LOM+OBS y LOM+COR brinda una mayor fiabilidad del conjunto óptimo de medidores calculado respecto a otros métodos similares en la bibliografía. - El conjunto óptimo de medidores se determina según la necesidad del operador de la red. Esto es, si el objetivo es registrar todos los fallos que originen huecos de tensión en el sistema, se emplea el criterio de observabilidad en la localización óptima de medidores de huecos. Por otra parte, si se plantea definir un sistema de monitorización que permita establecer la severidad de los huecos de tensión de todo el sistema en base a los datos de un conjunto reducido de medidores de huecos, el criterio de correlación resultaría el adecuado. De forma específica, en el caso del método LOM+OBS, basado en el criterio de observabilidad, se evidenciaron las siguientes propiedades en los casos de estudio realizados: - Al aumentar el tamaño de la red, se observa la tendencia de disminuir el porcentaje de nudos monitorizados de dicho sistema. Por ejemplo, para monitorizar los fallos que originan huecos en la red IEEE-24, se requiere monitorizar el 100\% de los nudos del sistema. En el caso de las redes IEEE-118 y EC-357, el método LOM+OBS determina que con la monitorización de un 89.5% y 65.3% del sistema, respectivamente, se cumpliría con el criterio de observabilidad del método. - El método LOM+OBS permite calcular la probabilidad de utilización del conjunto óptimo de medidores a largo plazo, estableciendo así un criterio de la relevancia que tiene cada medidor considerado como óptimo en la red. Con ello, se puede determinar el nivel de precisión u observabilidad (100%, 95%, etc.) con el cual se detectarían los fallos que generan huecos en la red estudiada. Esto es, al aumentar el nivel de precisión de detección de los fallos que originan huecos, se espera que aumente el número de medidores requeridos en el conjunto óptimo de medidores calculado. - El método LOM+OBS se evidencia como una técnica aplicable a todo tipo de sistema eléctrico (radial o mallado), el cual garantiza la detección de los fallos que originan huecos de tensión en un sistema según el nivel de observabilidad planteado. En el caso del método de localización óptima de medidores basado en el criterio del área de correlación (LOM+COR), las diversas pruebas realizadas evidenciaron las siguientes conclusiones: - El procedimiento del método LOM+COR combina los métodos de estimación de huecos de tensión de capítulos anteriores (PEHT y PEHT+MP) con técnicas de optimización lineal para definir la localización óptima de los medidores de huecos de tensión de una red. Esto es, se emplea el PEHT para generar los pseudo-registros de huecos de tensión, y, en base al criterio planteado de optimización (área de correlación), el LOM+COR formula y calcula analíticamente el conjunto óptimo de medidores de la red a largo plazo. A partir de la información registrada por este conjunto óptimo de medidores de huecos, se garantizaría una predicción precisa de la severidad de los huecos de tensión de todos los nudos del sistema con el PEHT+MP. - El método LOM+COR requiere un porcentaje relativamente reducido de nudos del sistema para cumplir con las condiciones de optimización establecidas en el criterio del área de correlación. Por ejemplo, en el caso del número total de huecos (SARFI-90) de las redes IEEE-24, IEEE-118 y EC-357, se calculó un conjunto óptimo de 9, 12 y 17 medidores de huecos, respectivamente. Es decir, solamente se requeriría monitorizar el 38\%, 10\% y 5\% de los sistemas indicados para supervisar los eventos SARFI-90 en toda la red. - El método LOM+COR se muestra como un procedimiento de optimización versátil, el cual permite reducir la dimensión del sistema de monitorización de huecos de redes eléctricas tanto radiales como malladas. Por sus características, este método de localización óptima permite emular una monitorización integral del sistema a través de los registros de un conjunto pequeño de monitores. Por ello, este nuevo método de optimización de medidores sería aplicable a operadores de redes que busquen disminuir los costes de instalación y operación del sistema de monitorización de los huecos de tensión. ABSTRACT I. GENERALITIES 1.1. Introduction Among the various types of electrical disturbances, voltage sags are considered the most common quality problem in power systems. This phenomenon is caused by an extreme increase of the current in the network, primarily caused by short-circuits or inadequate maneuvers in the system. This type of electrical disturbance is basically characterized by two parameters: residual voltage and duration. Typically, voltage sags occur when the residual voltage, in some phases, reaches a value between 0.01 to 0.9 pu and lasts up to 60 seconds. To an end user, the most important effect of a voltage sags is the interruption or alteration of their equipment operation, with electronic devices the most affected (e.g. computer, drive controller, PLC, relay, etc.). Due to the technology boom of recent decades and the constant search for automating production processes, the use of electronic components is essential today. This fact makes the effects of voltage sags more noticeable to the end user, causing the level of demand for a quality energy supply to be increased. In general, the study of voltage sags is usually approached from one of two aspects: the load or the network. From the point of view of the load, it is necessary to know the sensitivity characteristics of the equipment to model their response to sudden changes in power supply voltage. From the perspective of the network, the goal is to estimate or obtain adequate information to characterize the network behavior in terms of voltage sags. In this thesis, the work presented fits into the second aspect; that is, in the modeling and estimation of the response of a power system to voltage sag events. 1.2. Problem Statement Although voltage sags are the most frequent quality supply problem in electrical networks, thistype of disturbance remains complex and challenging to analyze properly. Among the most common reasons for this difficulty are: - The sag monitoring time, because it can take up to several years to get a statistically valid sample. - The limitation of funds for the acquisition and installation of sag monitoring equipment. - The high operating costs involved in the analysis of the voltage sag data from the installed monitors. - The restrictions that electrical companies have with the registered power quality data. That is, given the lack of data to further voltage sag analysis, it is of interest to electrical utilities and researchers to create reliable methods to deepen the study, estimation and monitoring of this electromagnetic phenomenon. Voltage sags, being mainly caused by random events such as short-circuits, are the result of various exogenous variables such as: (i) the number of faults of a system element, (ii) the impedance of the contact material, (iii) the fault type, (iv) the fault location, (v) the duration of the event, etc. That is, to properly raise any theoretical model of voltage sags, it is necessary to represent the combined uncertainty of variables to provide realistic methods that are reliable for users. 1.3. Objective This Thesis has been aimed at developing various stochastic methods for the study, estimation and monitoring of voltage sags in electrical power systems. Specifically, it has deepened the research in the following areas: - This research furthers knowledge in the realistic modeling of the variables that influence sag characterization. This thesis proposes a method to credibly represent the quantification and randomness of the sags in time by using parametric probability distributions. From this, a software tool was created to estimate the severity of voltage sags in a generic power system. - This research also analyzes the influence of the input variables in the estimation of voltage sags. In this case, the study has focused on the variables of greatest divergence in their characterization of the existing proposals. - A method was developed to estimate the number of voltage sags of an area without monitoring through the information of a limited set of sag monitors in an electrical system. To this end, the principles of Bayesian statistics are applied, estimating the number of sags most likely to happen in a system busbar based in records of other sag network busbars. - A strategy was developed to optimize the monitorization of voltage sags on a power system. Its purpose is to ensure the monitoring of the system through a number of monitors lower than the number of busbars of the network assessed. II. THESIS STRUCTURE To describe in detail the aforementioned proposals, this Thesis has been structured into six chapters. Below is are brief descriptions of them: As an introductory chapter, Chapter 1, provides a description of the approach and structure of this thesis. It presents a wide view of the problem to be treated, in addition to the description of the scope of each chapter. In Chapter 2, a brief description of the fundamental and general concepts of voltage sags is presented to provide to the reader a better understanding of the terms and indicators used in the severity analysis of voltage sags in power networks. Also, by way of background, a summary of the main features of existing techniques or methods used in the prediction and optimal monitoring of voltage sags is also presented. Chapter 3 essentially seeks to know the importance of the variables that determine the frequency or severity of voltage sags. To do this, a tool to estimate voltage sags is implemented that, through a predetermined set of experiments using the technique called Design of Experiments, discusses the importance of the parameters of the input variables of the model. Its analysis is interpreted by using the technique of analysis of variance (ANOVA), which provides mathematical rigor to establish whether the characterization of a particular variable affects the system response in terms of voltage sags or not. In Chapter 4, a methodology to predict the severity of voltage sags of an entire system through the sag logs of a reduced set of monitored busbars is proposed. For this, the Bayes conditional probability theorem is used, which calculates the most likely sag severity of the entire system from the information provided by the installed monitors. Also, in this chapter an important property of voltage sags is revealed, as is the correlation of the voltage sags events in several zones of a power system. In Chapter 5, two methods of optimal location of voltage sag monitors are developed. The first one is a methodological development of the observability criteria; it contributes to the realism of the sag pseudo-monitoring with which the optimal set of sag monitors is calculated and, therefore, to the reliability of the proposed method. As an alternative proposal, the correlation property of the sag events of a network is used to raise a method that establishes the sag severity of the entire system from a partial monitoring of the network. Finally, in Chapter 6, a brief description of the main contributions of the studies in this Thesis is detailed. Additionally, various themes to be developed in future works are described. III. RESULTS. Based on tests on the three networks presented, two IEEE test networks of 24 and 118 busbars (IEEE-24 and IEEE-118) and the electrical system of the Republic of Ecuador (EC-357), the following points present the most important observations: A. Estimation of voltage sags in the absence of measures: A stochastic estimation method of voltage sags, called PEHT, is implemented to represent with greater realism the long-term simulation of voltage sags events in a system. This first proposal of this thesis is considered a key step for the development of future methods of this work, as it emulates in a reliable manner the voltage sag long-term records in a generic network. Among the main innovations of this voltage sag estimation method are the following: - Consideration of the combined effect of five random input variables to simulate the events of voltage sags in long-term monitoring is included. The input variables modeled in the characterization of voltage sags on the PEHT are as follows: (i) fault coefficient, (ii) fault impedance, (iii) type of fault, (iv) location of the fault, and (v) fault duration. - Also included is the stochastic modeling of the input variables of fault impedance and duration in the characterization of the events of voltage sags. For the parameterization of these variables, a detailed study of the real behavior in power systems is developed. Also, the statistical function best suited to the random nature of each variable is defined. - Consideration of sag severity indicators used in standards as PEHT output variables, including such as indices as SARFI-X, SARFI-Curve, etc. B. Sensitivity analysis of voltage sags: A cause-effect study (sensitivity analysis) of the input variables of greatest divergence between reference parameterization related to the estimation of voltage sags in electrical networks is presented. Specifically, it delves into the study of the influence of the parameterization of the variables fault coefficient and fault impedance in the voltage sag estimation. Below is a summary of the most notable observations: - The accuracy of the input variable fault coefficient is shown as a non-influential parameter in the long-term estimation of the number of voltage sags (SARFI-90 and SARFI-70). That is, it does not require a high accuracy of the fault rate data of system elements for a proper voltage sag estimation. - The parameterization of the variable fault impedance is shown to be a very sensitive factor in the estimation of the voltage sag severity. For example, by increasing the average value of this random variable, the reported sag severity in the network significantly decreases. Moreover, in assessing the standard deviation of the fault impedance parameter, a direct relationship of this parameter with the voltage sag severity of the network is observed. That is, by increasing the fault impedance standard deviation, an increase of the average and the interannual variation of the SARFI-90 and SARFI-70 events is evidenced. - Based on the sensitivity analysis developed in the variable fault impedance, the omission of this variable in the voltage sag estimation would significantly call into question the reliability of the responses obtained. C. Voltage sag estimation from the information of a network partially monitored: A method that uses the voltage sag records of a partially monitored network for the sag estimation of all the power system is developed. From the case studies performed, it is observed that the method implemented (PEHT+MP) has the following characteristics: - The methodology proposed in the PEHT+MP combines the classical short-circuit theory with several statistical techniques to estimate, from data the of the installed sag meters, the sag measurements of unmonitored busbars of a generic power network. - The estimation process of voltage sags of the unmonitored zone of the network is based on the application of the conditional probability theorem of Bayes. That is, based on the observed data (monitored busbars records), the PEHT+MP calculates probabilistically the sag severity at unmonitored system busbars. Among the key parts of the proposed procedure are the following: (i) the creation of a realistic data base of voltage sags through of the sag estimation program (PEHT); and, (ii) the maximum likelihood criterion used to estimate the sag indices of system busbars without monitoring. - The voltage sag measurement estimations of PEHT+MP are potentiated by the correlation property of the sag events in power systems. This inherent characteristic of networks significantly limits the response of strongly correlated system zones to a possible voltage sag. As the PEHT+MP is based on probabilistic principles, a reduction of the range of possible sag measurements is reflected in a better sag estimation of the unmonitored area of the power system. - From the data of a set of monitors representing a relatively small portion of the system, to obtain accurate estimations (null error) of the sag severity zones without monitoring is feasible in the three networks studied. - The PEHT+MP can be applied to several types of sag indices, such as: SARFI-X, SARFI-Curve, SEI, etc. D. Optimal location of voltage sag monitors in power systems: Two methods for strategically locating the sag monitoring system are implemented for a generic network. The first proposal is a methodological development of the optimal location of sag monitors based on the observability criterion (LOM + OBS); the second proposal is a method that determines the sag monitor location according to the correlation area criterion (LOM+COR). Each proposed method of optimal location of sag monitors has a specific goal. In the case of LOM+OBS, the purpose of the method is to determine the optimal set of sag monitors to record all faults that originate voltage sags in the network. On the other hand, the LOM+COR method attempts to define the optimal location of sag monitors to estimate the sag indices in all the assessed network with the PEHT+MP application. From the development of the case studies of these methods of optimal location of sag monitors in the three networks raised, the most relevant observations are described below: - As the generation of voltage sag pseudo-measurements of the optimal location methods (LOM+OBS and LOM+COR) are obtained by applying the algorithm PEHT, the formulation of the optimization criterion is performed based on a realistic sag pseudo-monitoring, which considers the random nature of voltage sags through the five stochastic variables modeled in PEHT. This feature of the database of sag pseudo-measurements of the LOM+OBS and LOM+COR methods provides a greater reliability of the optimal set of monitors calculated when compared to similar methods in the bibliography. - The optimal set of sag monitors is determined by the network operator need. That is, if the goal is to record all faults that originate from voltage sags in the system, the observability criterion is used to determine the optimal location of sag monitors (LOM+OBS). Moreover, if the objective is to define a monitoring system that allows establishing the sag severity of the system from taken from information based on a limited set of sag monitors, the correlation area criterion would be appropriate (LOM+COR). Specifically, in the case of the LOM+OBS method (based on the observability criterion), the following properties were observed in the case studies: - By increasing the size of the network, there was observed a reduction in the percentage of monitored system busbars required. For example, to monitor all the faults which cause sags in the IEEE-24 network, then 100% of the system busbars are required for monitoring. In the case of the IEEE-118 and EC-357 networks, the method LOM+OBS determines that with monitoring 89.5 % and 65.3 % of the system, respectively, the observability criterion of the method would be fulfilled. - The LOM+OBS method calculates the probability of using the optimal set of sag monitors in the long term, establishing a relevance criterion of each sag monitor considered as optimal in the network. With this, the level of accuracy or observability (100%, 95%, etc.) can be determined, with which the faults that caused sags in the studied network are detected. That is, when the accuracy level for detecting faults that cause sags in the system is increased, a larger number of sag monitors is expected when calculating the optimal set of monitors. - The LOM + OBS method is demonstrated to be a technique applicable to any type of electrical system (radial or mesh), ensuring the detection of faults that cause voltage sags in a system according to the observability level raised. In the case of the optimal localization of sag monitors based on the criterion of correlation area (LOM+COR), several tests showed the following conclusions: - The procedure of LOM+COR method combines the implemented algorithms of voltage sag estimation (PEHT and PEHT+MP) with linear optimization techniques to define the optimal location of the sag monitors in a network. That is, the PEHT is used to generate the voltage sag pseudo-records, and, from the proposed optimization criterion (correlation area), the LOM+COR formulates and analytically calculates the optimal set of sag monitors of the network in the long term. From the information recorded by the optimal set of sag monitors, an accurate prediction of the voltage sag severity at all the busbars of the system is guaranteed with the PEHT+MP. - The LOM + COR method is shown to be a versatile optimization procedure, which reduces the size of the sag monitoring system both at radial as meshed grids. Due to its characteristics, this optimal location method allows emulation of complete system sag monitoring through the records of a small optimal set of sag monitors. Therefore, this new optimization method would be applicable to network operators that looks to reduce the installation and operation costs of the voltage sag monitoring system.

Influencia de las restricciones medioambientales en el sector eléctrico

El objetivo de esta tesis es la caracterización de la generación térmica representativa de la existente en la realidad, para posteriormente proceder a su modelización y simulación integrándolas en una red eléctrica tipo y llevar a cabo estudios de optimización multiobjetivo económico medioambiental. Para ello, en primera instancia se analiza el contexto energético y eléctrico actual, y más concretamente el peninsular, en el que habiendo desaparecido las centrales de fuelóleo, sólo quedan ciclos combinados y centrales de carbón de distinto rango. Seguidamente se lleva a cabo un análisis de los principales impactos medioambientales de las centrales eléctricas basadas en combustión, representados sobre todo por sus emisiones de CO2, SO2 y NOx, de las medidas de control y mitigación de las mismas y de la normativa que les aplica. A continuación, a partir de las características de los combustibles y de la información de los consumos específicos, se caracterizan los grupos térmicos frente a las funciones relevantes que definen su comportamiento energético, económico y medioambiental, en términos de funciones de salida horarias dependiendo de la carga. Se tiene en cuenta la posibilidad de desnitrificación y desulfuración. Dado que las funciones objetivo son múltiples, y que están en conflicto unas con otras, se ha optado por usar métodos multiobjetivo que son capaces de identificar el contorno de puntos óptimos o frente de Pareto, en los que tomando una solución no existe otra que lo mejore en alguna de las funciones objetivo sin empeorarlo en otra. Se analizaron varios métodos de optimización multiobjetivo y se seleccionó el de las ε constraint, capaz de encontrar frentes no convexos y cuya optimalidad estricta se puede comprobar. Se integró una representación equilibrada de centrales de antracita, hulla nacional e importada, lignito y ciclos combinados en la red tipo IEEE-57, en la que se puede trabajar con siete centrales sin distorsionar demasiado las potencias nominales reales de los grupos, y se programó en Matlab la resolución de flujos óptimos de carga en alterna con el método multiobjetivo integrado. Se identifican los frentes de Pareto de las combinaciones de coste y cada uno de los tres tipos de emisión, y también el de los cuatro objetivos juntos, obteniendo los resultados de costes óptimos del sistema para todo el rango de emisiones. Se valora cuánto le cuesta al sistema reducir una tonelada adicional de cualquier tipo de emisión a base de desplazarse a combinaciones de generación más limpias. Los puntos encontrados aseguran que bajo unas determinadas emisiones no pueden ser mejorados económicamente, o que atendiendo a ese coste no se puede reducir más allá el sistema en lo relativo a emisiones. También se indica cómo usar los frentes de Pareto para trazar estrategias óptimas de producción ante cambios horarios de carga. ABSTRACT The aim of this thesis is the characterization of electrical generation based on combustion processes representative of the actual power plants, for the latter modelling and simulation of an electrical grid and the development of economic- environmental multiobjective optimization studies. In this line, the first step taken is the analysis of the current energetic and electrical framework, focused on the peninsular one, where the fuel power plants have been shut down, and the only ones remaining are coal units of different types and combined cycle. Then it is carried out an analysis of the main environmental impacts of the thermal power plants, represented basically by the emissions of CO2, SO2 y NOx, their control and reduction measures and the applicable regulations. Next, based on the combustibles properties and the information about the units heat rates, the different power plants are characterized in relation to the outstanding functions that define their energy, economic and environmental behaviour, in terms of hourly output functions depending on their load. Optional denitrification and desulfurization is considered. Given that there are multiple objectives, and that they go in conflictive directions, it has been decided the use of multiobjective techniques, that have the ability of identifying the optimal points set, which is called the Pareto front, where taken a solution there will be no other point that can beat the former in an objective without worsening it in another objective. Several multiobjective optimization methods were analysed and pondered, selecting the ε constraint technique, which is able to find no convex fronts and it is opened to be tested to prove the strict Pareto optimality of the obtained solutions. A balanced representation of the thermal power plants, formed by anthracite, lignite, bituminous national and imported coals and combined cycle, was integrated in the IEEE-57 network case. This system was selected because it deals with a total power that will admit seven units without distorting significantly the actual size of the power plants. Next, an AC optimal power flow with the multiobjective method implemented in the routines was programmed. The Pareto fronts of the combination of operative costs with each of the three emissions functions were found, and also the front of all of them together. The optimal production costs of the system for all the emissions range were obtained. It is also evaluated the cost of reducing an additional emission ton of any of the emissions when the optimal production mix is displaced towards cleaner points. The obtained solutions assure that under a determined level of emissions they cannot be improved economically or, in the other way, at a determined cost it cannot be found points of lesser emissions. The Pareto fronts are also applied for the search of optimal strategic paths to follow the hourly load changes.

La Ordenación del Territorio en las Ciudades Globales Europeas: El caso de Madrid

En la Comunidad de Madrid el modelo de ocupación del territorio en las dos últimas décadas ha obedecido a factores de oferta del mercado y no a las necesidades de la población, ello provoca un consumo de suelo y de recursos que conducen a una sobrexplotación insostenible. Las metrópolis globales están experimentando rápidas e intensas transformaciones, basadas en los paradigmas emergentes de la globalización, la gobernanza, la metropolizacion y la dispersión de las actividades en el territorio y a través de ellos se abordan los planes de Londres, París y las tentativas de Madrid. La globalización provoca la pérdida de soberanía de las administraciones publicas y la competitividad entre las ciudades globales en Europa, Londres, Paris y Madrid, son centros de poder, de concentración y crecimiento donde se produce la dualización del espacio y donde la desigualdad participa de la restructuración urbana, concentración de pobreza frente a espacios de la nueva clase emergente en donde dominan los sectores de servicios y las tecnologías de la información. Frente al desarrollo urbano neoliberal de regulación a través del mercado y basada en criterios de eficiencia de la Nueva Gestión Pública, se vislumbra la posibilidad de que la sociedad se administre a si misma por medio de acciones voluntarias y responsables que promuevan los intereses colectivos mediante el reconocimiento de su propia identidad, introduciendo el concepto de gobernanza. Frente, a la explotación del territorio por parte de la sociedad extractiva que genera corrupcion, se propone un modelo de cooperación público-privada basado en la confianza mutua, un marco regulador estable, la transparencia y la información a cuyo flujo más homogéneo contribuirán sin duda las TICs. En todo este proceso, las regiones metropolitanas en Europa se erigen como motores del crecimiento, donde los límites administrativos son superados, en un territorio cada vez más extendido y donde los gobiernos locales tienen que organizarse mediante un proceso de cooperación en la provisión de servicios que ayuden a evitar los desequilibrios territoriales. El fenómeno de la dispersión urbana en desarrollos de baja densidad, los centros comerciales periféricos, la expulsión hacia la periferia de las actividades de menor valor añadido y la concentración de funciones directivas en el centro, conducen a una fragmentación del territorio en islas dependientes del automóvil y a procesos de exclusión social por la huida de las rentas altas y la expulsión de las rentas bajas de los centros urbanos. Se crean fragmentos monofuncionales y discontinuos, apoyados en las autovías, lugares carentes de identidad y generadores de despilfarro de recursos y una falta de sostenibilidad ambiental, económica y social. El estudio de la cultura de la planificación en Europa ayuda a comprender los diferentes enfoques en la ordenación del territorio y el proceso de convergencia entre las diferentes regiones. Los documentos de la UE se basan en la necesidad de la competitividad para el crecimiento europeo y la cohesión social y en relación al territorio en los desarrollos policéntricos, la resolución del dualismo campo-ciudad, el acceso equilibrado a las infraestructuras, la gestión prudente de la naturaleza, el patrimonio y el fomento de la identidad. Se proponen dos niveles de estudio uno actual, los últimos planes de Londres y Paris y el otro la evolución de las tentativas de planes en la Región madrileña siempre en relación a los paradigmas emergentes señalados y su reflejo en los documentos. El Plan de Londres es estratégico, con una visión a largo plazo, donde se confiere un gran interés al proceso, al papel del alcalde como líder y su adaptación a las circunstancias cambiantes, sujeto a las incertidumbres de una ciudad global. El desarrollo del mismo se concibe a través de la colaboración y cooperación entre las administraciones y actores. La estructura del documento es flexible, establece orientaciones y guías indicativas, para la redacción de los planes locales, no siendo las mismas vinculantes y con escasa representación grafica. El Plan de París es más un plan físico, similar al de otros centros europeos, trabaja sobre los sectores y sobre los territorios, con información extensa, con características de “Plan Latino” por la fuerza de la expresión gráfica, pero al mismo tiempo contiene una visión estratégica. Es vinculante en sus determinaciones y normativas, se plantea fomentar, pero también prohibir. Ambos planes tratan la competitividad internacional de sus centros urbanos, la igualdad social, la inclusión de todos los grupos sociales y la vivienda como una cuestión de dignidad humana. Londres plantea la gobernanza como cooperación entre sector público-privado y la necesaria cooperación con las regiones limítrofes, en París las relaciones están más institucionalizadas resaltando la colaboración vertical entre administraciones. Ambos plantean la densificación de nodos servidos por transporte público, modos blandos y el uso los TODs y la preservación de la infraestructura verde jerarquizada, la potenciación de la red azul y la mejora del paisaje de las periferias. En las “tentativas” de planes territoriales de Madrid se constata que estuvieron sujetas a los ciclos económicos. El primer Documento las DOT del año 1984, no planteaba crecimiento, ni económico ni demográfico, a medio plazo y por ello no proponía una modificación del modelo radio concéntrico. Se trataba de un Plan rígido volcado en la recuperación del medio rural, de la ciudad, el dimensionamiento de los crecimientos en función de las dotaciones e infraestructuras existentes. Aboga por la intervención de la administración pública y la promoción del pequeño comercio. Destaca el desequilibrio social en función de la renta, la marginación de determinados grupos sociales, el desequilibrio residencia/empleo y la excesiva densidad. Incide en la necesidad de viviendas para los más desfavorecidos mediante el alquiler, la promoción suelo público y la promoción del ferrocarril para dar accesibilidad al espacio central. Aboga por el equipamiento de proximidad y de pequeño tamaño, el tratamiento paisajístico de los límites urbanos de los núcleos y el control de las actividades ilegales señalando orientaciones para el planeamiento urbano. Las Estrategias (1989) contienen una visión: la modificación del modelo territorial, mediante la intervención pública a través de proyectos. Plantea la reestructuración económica del territorio, la reconversión del aparato productivo, la deslocalización de actividades de escaso valor añadido y una mayor ubicuidad de la actividad económica. Incide en la difusión de la centralidad hacia el territorio del sur, equilibrándolo con el norte, tratando de recomponer empleo y residencia, integrando al desarrollo económico las periferias entre sí y con el centro. Las actuaciones de transporte consolidarían las actuaciones, modificando el modelo radio concéntrico facilitando la movilidad mediante la red de cercanías y la intermodalidad. El plan se basaba en el liderazgo del Consejero, no integrando sectores como el medio ambiente, ni estableciendo un documento de seguimiento de las actuaciones que evaluara los efectos de las políticas y su aportación al equilibrio territorial, a través de los proyectos realizados. El Documento Preparatorio de las Bases (1995), es más de un compendio o plan de planes, recoge análisis y propuestas de los documentos anteriores y de planes sectoriales de otros departamentos. Presenta una doble estructura: un plan físico integrador clásico, que abarca los sectores y territorios, y recoge las Estrategias previas añadiendo puntos fuertes, como el malestar urbano y la rehabilitación el centro. Plantea la consecución del equilibrio ambiental mediante el crecimiento de las ciudades existentes, la vertebración territorial basada en la movilidad y en la potenciación de nuevas centralidades, la mejora de la habitabilidad y rehabilitación integral del Centro Urbano de Madrid, y la modernización del tejido productivo existente. No existe una idea-fuerza que aglutine todo el documento, parte del reconocimiento de un modelo existente concentrado y congestivo, un centro urbano dual y dos periferias al este y sur con un declive urbano y obsolescencia productiva y al oeste y norte con una dispersión que amenaza al equilibrio medioambiental. Señala como aspectos relevantes, la creciente polarización y segregación social, la deslocalización industrial, la aparición de las actividades de servicios a las empresas instaladas en las áreas metropolitanas, y la dispersión de las actividades económicas en el territorio por la banalización del uso del automóvil. Se plantea el reto de hacer ciudad de la extensión suburbana y su conexión con el sistema metropolitano, mediante una red de ciudades integrada y complementaria, en búsqueda de un mayor equilibrio y solidaridad territorial. Las Bases del PRET (1997) tenían como propósito iniciar el proceso de concertación en que debe basarse la elaboración del Plan. Parte de la ciudad mediterránea compacta, y diversa, y de la necesidad de que las actividades económicas, los servicios y la residencia estén en proximidad, resolviéndolo mediante una potente red de transporte público que permitiese una accesibilidad integrada al territorio. El flujo de residencia hacia la periferia, con un modelo ajeno de vivienda unifamiliar y la concentración del empleo en el centro producen desequilibrio territorial. Madrid manifiesta siempre apostó por la densificación del espacio central urbanizado, produciendo su congestión, frente al desarrollo de nuevos suelos que permitieran su expansión territorial. Precisa que es necesario preservar los valores de centralidad de Madrid, como generador de riqueza, canalizando toda aquella demanda de centralidad, hacia espacios más periféricos. El problema de la vivienda no lo ve solo como social, sino como económico, debido a la pérdida de empleos que supone su paralización. Observa ya los crecimientos residenciales en el borde de la region por el menor valor del suelo. Plantea como la política de oferta ha dado lugar a un modelo de crecimiento fragmentado, desequilibrado, desestructurado, con fuertes déficits dotacionales y de equipamiento, que inciden en la segregación espacial de las rentas, agravando el proceso de falta de identidad morfológica y de desarraigo de los valores urbanos. El plan señalaba que la presión sobre el territorio creaba su densificación por las limitaciones de espacio, Incidía en limitar el peso de la intervención pública, no planteando propuestas de cooperación público-privado. La mayor incoherencia estriba en que los objetivos eran innovadores y coinciden en su mayoría con las propuestas estudiadas de Londres o Paris, pero se intentan implementar a través de un cambio hacia un modelo reticulado homogéneo, expansivo sobre el territorio, que supone un consumo de suelo y de infraestructuras para solucionar un problema inexistente, la gestión de la densidad. Durante las dos últimas décadas en ausencia de un plan regional, la postura neoliberal fue la de un exclusivo control de legalidad del planeamiento, los municipios entraron en un proceso de competencia para aprovechar las iniciales ventajas económicas de los crecimientos detectados, que proporcionaban una base económica “sólida” a unos municipios con escasos recursos en sus presupuestos municipales. La legislación se modifica a requerimiento de grupos interesados, no existiendo un marco estable. Se pierde la figura del plan no solo a nivel regional, si no en los sectores y el planeamiento municipal donde los municipios tiende a basarse en modificaciones puntuales con la subsiguiente pérdida del modelo urbanístico. La protección ambiental se estructura mediante un extenso nivel de figuras, con diversidad de competencias que impide su efectiva protección y control. Este proceso produce un despilfarro en la ocupación del suelo, apoyada en las infraestructuras viarias, y un crecimiento disperso y de baja densidad, cada vez más periférico, produciéndose una segmentación social por dualización del espacio en función de niveles de renta. Al amparo del boom inmobiliario, se produce una falta de política social de vivienda pública, más basada en la dinamización del mercado con producción de viviendas para rentas medias que en políticas de alquiler para determinados grupos concentrándose estas en los barrios desfavorecidos y en la periferia sur. Se produce un incremento de la vivienda unifamiliar, muchas veces amparada en políticas públicas, la misma se localiza en el oeste principalmente, en espacios de valor como el entorno del Guadarrama o con viviendas más baratas por la popularización de la tipología en la frontera de la Región. El territorio se especializa a modo de islas monofuncionales, las actividades financieras y de servicios avanzados a las empresas se localizan en el norte y oeste próximo, se pierde actividad industrial que se dispersa más al sur, muchas veces fuera de la región. Se incrementan los grandes centros comerciales colgados de las autovías y sin población en su entorno. Todo este proceso ha provocado una pérdida de utilización del transporte público y un aumento significativo del uso del vehículo privado. En la dos últimas décadas se ha producido en la región de Madrid desequilibrio territorial y segmentación social, falta de implicación de la sociedad en el territorio, dispersión del crecimiento y un incremento de los costes ambientales, sociales y económicos, situación, que solo, a través del uso racional del territorio se puede reconducir, apoyado en una planificación integrada sensible y participativa. ABSTRACT In Madrid the model of land occupation in the past two decades has been driven by market supply factors rather than the needs of the population. This results in a consumption of land and resources that leads to unsustainable overexploitation. Addressing this issue must be done through sensitive and participatory integrated planning. Global cities are experiencing rapid and intense change based on the emerging paradigms of globalization, governance, metropolization and the dispersion of activities in the territory. Through this context, a closer look will be taken at the London and Paris plans as well as the tentative plans of Madrid. Globalization causes the loss of state sovereignty and the competitiveness among global cities in Europe; London, Paris and Madrid. These are centres of power, concentration and growth where the duality of space is produced, and where inequality plays a part in urban restructuration. There are concentrated areas of poverty versus areas with a new emerging class where the services sector and information technologies are dominant. The introduction of ICTs contributes to a more homogeneous flow of information leading, us to the concept of governance. Against neoliberal urban development based on free market regulations and efficiency criteria as established by the “New Public Management”, emerge new ways where society administers itself through voluntary and responsible actions to promote collective interests by recognizing their own identity. A new model of public-private partnerships surfaces that is based on mutual trust, transparency, information and a stable regulatory framework in light of territorial exploitation by the “extractive society” that generates corruption. Throughout this process, European metropolitan regions become motors of growth where administrative boundaries are overcome in an ever expanding territory where government is organized through cooperative processes to provide services that protect against regional imbalances. Urban sprawl or low-density development as seen in peripheral shopping centres, the off-shoring of low added-value activities to the periphery, and the concentration of business and top management functions in the centre, leads to a fragmentation of the territory in automobile dependent islands and a process of social exclusion brought on by the disappearance of high incomes. Another effect is the elimination of low income populations from urban centres. In consequence, discontinuous expansions and mono-functional places that lack identity materialize supported by a highway network and high resource consumption. Studying the culture of urban planning in Europe provides better insight into different approaches to spatial planning and the process of convergence between different regions. EU documents are based on the need of competitiveness for European growth and social cohesion. In relation to polycentric development territory they are based on a necessity to solve the dualism between field and city, balanced access to infrastructures, prudent management of nature and solidifying heritage and identity Two levels of study unfold, the first being the current plans of London and Île-de-France and the second being the evolution of tentative plans for the Madrid region as related to emerging paradigms and how this is reflected in documents. The London Plan is strategic with a long-term vision that focuses on operation, the role of the mayor as a pivotal leader, and the adaptability to changing circumstances brought on by the uncertainties of a global city. Its development is conceived through collaboration and cooperation between governments and stakeholders. The document structure is flexible, providing guidance and indicative guidelines on how to draft local plans so they are not binding, and it contains scarce graphic representation. The Plan of Paris takes on a more physical form and is similar to plans of other European centres. It emphasizes sectors and territories, using extensive information, and is more characteristic of a “Latin Plan” as seen in its detailed graphic expression. However, it also contains a strategic vision. Binding in its determinations and policy, it proposes advancement but also prohibition. Both plans address the international competitiveness of urban centres, social equality, inclusion of all social groups and housing as issues of human dignity. London raises governance and cooperation between public and private sector and the need for cooperation with neighbouring regions. In Paris, the relations are more institutionalized highlighting vertical collaboration between administrations. Both propose nodes of densification served by public transportation, soft modes and the use of TOD, the preservation of a hierarchical green infrastructure, and enhancing the landscape in urban peripheries. The tentative territorial plans for the Madrid region provide evidence that they were subject to economic cycles. The first document of master guidelines (1984) does not address either economic or demographic growth in the mid term and therefore does not propose the modification of the radio-concentric model. It is a rigid plan focused on rural and urban recovery and the dimensioning of growth that depends on endowments and infrastructures. It advocates government intervention and promotes small business. The plan emphasizes social imbalance in terms of income, marginalization of certain social groups, the imbalance of residence/employment and excessive density. It stresses the need for social rent housing for the underprivileged, promotes public land, and the supports rail accessibility to the central area. It backs facilities of proximity and small size, enhancing the landscaping of city borders, controlling illegal activities and draws out guidelines for urban planning. The strategies (1989) contain a vision: Changing the territorial model through public intervention by means of projects. They bring to light economic restructuring of territory, the reconversion of the productive apparatus, relocation of low value-added activities, and greater ubiquity of economic activity. They also propose the diffusion of centrality towards southern territories, balancing it with the north in an attempt to reset employment and residence that integrates peripheral economic development both in the periphery and the centre. Transport would consolidate the project, changing the radius-concentric model and facilitating mobility through a commuter and inter-modality network. The plan derives itself from the leadership of the minister and does not integrate sectors such as environment. It also does not incorporate the existence of a written document that monitors performance to evaluate the effects of policies and their contribution to the territorial balance. The Preparatory Document of the Bases, (1995) is more a compendium, or plan of plans, that compiles analysis and proposals from previous documents and sectorial plans from other departments. It has a dual structure: An integrating physical plan covering the sectors and territories that includes the previous strategies while adding some strengths. One such point is the urban discomfort and the rehabilitation of the centre. It also poses the achievement of environmental balance through the growth of existing cities, the territorial linking based on mobility, strengthening new centres, improving the liveability and comprehensive rehabilitation of downtown Madrid, and the modernization of the existing production network. There is no one powerful idea that binds this document. This is due to the recognition of an existing concentrate and congestive model, a dual urban centre, two eastern and southern suburbs suffering from urban decay, and an obsolescent productive north and west whose dispersion threatens the environmental balance. Relevant aspects the document highlights are increasing polarization and social segregation, industrial relocation, the emergence of service activities to centralized companies in metropolitan areas and the dispersion of economic activities in the territory by the trivialization of car use. It proposes making the city from the suburban sprawl and its connection to the metropolitan system through a network of integrated and complementary cities in search of a better balance and territorial solidarity. The Bases of PRET (1997) aims to start the consultation process that must underpin the development of the plan. It stems from a compact and diverse Mediterranean city along with the need for economic activities, services and residences that are close. To resolve the issue, it presents a powerful network of public transport that allows integrated accessibility to the territory. The flow of residence to the periphery based on a foreign model of detached housing and an employment concentration in the centre produces territorial imbalance. Madrid always opted for the densification of the central space, producing its congestion, against the development of new land that would allow its territorial expansion. The document states that the necessity to preserve the values of the housing problem is not only viewed as social, but also economic due to the loss of jobs resulting from their paralysis. It notes the residential growth in the regional border due to the low price of land and argues that the policy of supply has led to a fragmented model of growth that is unbalanced, unstructured, with strong infrastructure and facility deficits that affect the spatial segregation of income and aggravate the lack of morphological identity, uprooting urban values. The pressure on the territory caused its densification due to space limitation; the proposed grid model causes land consumption and infrastructure to solve a non-problem, density. Focusing on limiting the weight of public intervention, it does not raise proposals for public-private cooperation. The biggest discrepancy is that the targets were innovative and mostly align with the proposals in London and Paris. However, it proposes to be implemented through a shift towards a uniform gridded model that is expansive over territory. During the last two decades, due to the absence of a regional plan, a neoliberal stance held exclusive control of the legality of urban planning. The municipalities entered a competition process to take advantage of initial economic benefits of such growth. This provided a “solid” economic base for some municipalities with limited resources in their municipal budgets. The law was amended without a legal stable framework at the request of stakeholders. The character of the plan is lost not only regionally, but also in the sectors and municipal planning. This tends to be based on specific changes with the loss of an urban model. Environmental protection is organized through an extensive number of protection figures with diverse competencies that prevent its effective protection. This process squanders the use of the land, backed by increasing road infrastructure, dispersed occupations with low-density growth causing a social segmentation due to space duality based on income levels. During the housing boom, there is a reduction in social public housing policy mostly due to a boost in the market of housing production for average incomes than in rental policies for needy social groups that focus on disadvantaged neighbourhoods and southern suburbs. As a result, there is an increase in single-family housing, often protected by public policy. This is located primarily in the west in areas of high environmental value such as Guadarrama. There is also cheaper housing due to the popularization of typology in the border region. There, territory works as a mono-functional islands. Financial activities and advanced services for companies are located to the north and west where industrial activity is lost as it migrates south, often outside the region. The number of large shopping centres hanging off the highway infrastructure with little to no surrounding population increases. This process leads to the loss of dependency on public transport and a significant increase in the use of private vehicles. The absence of regional planning has produced more imbalance, more social segmentation, more dispersed growth and a lot of environmental, social and economic costs that can only be redirected through rational territorial.

Un nuevo sistema de gobernanza para afrontar los retos del siglo XXI en la educación universitaria en Perú basado en el modelo de análisis de políticas

Un nuevo sistema de gobernanza para afrontar los retos del siglo XXI en la educación universitaria en Perú basado en el modelo de análisis de políticas, surge de observar el efecto de la competencia en los mercados, de la distribución de los escasos recursos según productividad y rendimiento, y de la gestión ineficiente de las universidades ya que estos parámetros están cambiando los criterios de confianza y legitimidad del sistema universitario en Perú. Las universidades se perciben más como instituciones del sector público, mientras que los servicios que ofrecen deben más bien contribuir a la modernización de la sociedad emergente y a la economía del conocimiento. Las reformas universitarias- iniciadas en los años 80 - han estado inspiradas en las organizaciones universitarias exitosas que han logrado modificar su gobernanza y van dirigidas a transformar ciertas instituciones burocráticas en organizaciones capaces de desempeñar la función de actores en esta competición global por los recursos y los mejores talentos. En este contexto, la universidad peruana se enfrenta a dos grandes desafíos: el de adaptarse a las nuevas perspectivas mundiales, y el poder dar mejor respuesta a las demandas, necesidades y expectativas de la sociedad. Un cambio en el sistema de gobernanza para la educación superior universitaria dará una solución integral a estos desafíos permitiéndole enfrentar los problemas de la universidad para su desarrollo e inserción en las corrientes mundiales. La metodología planteada en la investigación es cualitativa parte del análisis de la realidad como un TODO, sin reducirlos a sus partes integrantes, con la interpretación de los hechos, buscando entender las variables que intervienen. Se propone una política para la educación universitaria en Perú que se permeabilice a la sociedad, cambiando el modelo de planificación de un modelo de reforma social a un modelo de análisis de políticas, donde el Estado Peruano actúe como único responsable de responder a la sociedad demandante como su representante legal, y con unos organismo externo e independiente que siente las bases de la práctica, como se está haciendo en muchos modelos universitarios del mundo. Esta investigación presenta una primera fase conceptual, que aborda la evolución histórica de las universidades en el Perú, analizando y clarificando las fuerzas impulsoras a través del tiempo y distinguir las principales líneas que le imprimen dirección y sentido a los cambios de una realidad educativa universitaria. Así mismo, en esta fase se hace un análisis de la situación actual de las universidades en el Perú para llegar a determinar en qué situación se encuentra y si está preparada para enfrentar los retos de la educación universitaria mundial, para esto se analizan los modelos universitarios de mayor prestigio en el mundo. El marco teórico anterior permite sentar, en una segunda fase de la investigación, las bases científicas del modelo que se propone: el modelo de planificación de análisis de políticas para el sistema universitario peruano. Este modelo de ámbito público propuesto para la educación universitaria peruana basa su estrategia en un modelo de planificación con un objetivo común: “Mejorar la calidad de la educación superior universitaria peruana con el fin de aumentar la empleabilidad y la movilidad de los ciudadanos así como la competitividad internacional de la educación universitaria en Perú”, y con unas líneas de acción concretadas en cuatro objetivos específicos: 1) competencias (genéricas y específicas de las áreas temáticas); 2) enfoques de enseñanza, aprendizaje y evaluación; 3) créditos académicos; 4) calidad de los programa. Así como los fundamentos metodológicos del modelo de análisis de políticas, utilizado como estructura política, teniendo en cuenta las características básicas del modelo: a) Planificación desde arriba; b) Se centra en la toma de decisiones; c) Separación entre conocimiento experto y decisión; d) El estudio de los resultados orienta el proceso decisor. Finalmente, se analiza una fase de validación del modelo propuesto para la educación superior universitaria peruana, con los avances ya realizados en Perú en temas de educación superior, como es, el actual contexto de la nueva Ley Universitaria N°30220 promulgada el 8 de julio de 2014, la creación del SUNEDU y la reorganización del SINEACE, que tienen como propósito atender la crisis universitaria centrada en tres ejes principales incluidos en la ley, considerados como bases para una reforma. Primero, el Estado asume la rectoría de las políticas educativas en todos los niveles educativos. El segundo aspecto consiste en instalar un mecanismo de regulación de la calidad que junto con la reestructuración de aquellos otros existentes debieran sentar las bases para que las familias y estudiantes tengan la garantía pública de que el servicio que se ofrece, sin importar sus características particulares, presenten un mínimo común de calidad y un tercer aspecto es que la ley se reafirma en que la universidad es un espacio de construcción de conocimiento basado en la investigación y la formación integral. Las finalidades, la estructura y organización, las formas de graduación, las características del cuerpo docente, la obligatoriedad por los estudios generales, etc., indican que la reflexión académica es el centro articulador de la vida universitaria. Esta validación también se ha confrontado con los resultados de las entrevistas cualitativas a juicio de experto que se han realizado a rectores de universidades públicas y privadas así como a rectores miembros de la ex ANR, miembros de organizaciones como CONCYTEC, IEP, CNE, CONEAU, ICACIT e investigadores en educación superior, con la finalidad de analizar la sostenibilidad del modelo propuesto en el tiempo. Los resultados evidencian, que en el sistema universitario peruano se puede implementar un cambio hacía un modelo de educación superior universitaria, con una política educativa que se base en un objetivo común claramente definido, un calendario para lograrlo y un conjunto objetivos específicos, con un cambio de estructura política de reforma social a un modelo de análisis de políticas. Así mismo se muestran los distintos aspectos que los interesados en la educación superior universitaria deben considerar, si se quiere ocupar un espacio en el futuro y si interesa que la universidad peruana pueda contribuir para que la sociedad se forje caminos posibles a través de una buena docencia que se refleje en su investigación, con alumnos internacionales, sobre todo, en los postgrados; con un investigación que se traduzca en publicaciones, patentes, etc., de impacto mundial, con relevancia en la sociedad porque contribuye a su desarrollo, concretándose en trabajos de muy diversos tipos, promovidos junto con empresas, gobiernos en sus diversos niveles, instituciones públicas o privadas, etc., para que aporten financiación a la universidad. ABSTRACT A new system of governance to meet the challenges of the twenty-first century university education in Peru based on the model of policy analysis, comes to observe the effect of market competition, distribution of scarce resources according to productivity and performance, and inefficient management of universities as these parameters are changing the criteria of trust and legitimacy of the university system in Peru. Universities are perceived more as public sector institutions, while the services provided should rather contribute to the modernization of society and the emerging knowledge economy. The-university reforms initiated in the 80s - have been inspired by successful university organizations that have succeeded in changing its governance and as attempting to transform certain bureaucratic institutions into organizations that act as actors in this global competition for resources and top talent. In this context, the Peruvian university faces two major challenges: to adapt to the new global outlook, and to better respond to the demands, needs and expectations of society. A change in the system of governance for university education give a comprehensive solution to address these challenges by allowing the problems of the university development and integration into global flows. The methodology proposed in this research is qualitative part of the analysis of reality as a whole, without reducing them to their constituent parts, with the interpretation of the facts, seeking to understand the variables involved. a policy for university education in Peru that permeabilizes society is proposed changing the planning model of a model of social reform a model of policy analysis, where the Peruvian State to act as the sole responsible for responding to the applicant as its legal representative, and with external and independent body that provides the basis of practice, as is being done in many university models in the world. This research presents an initial conceptual phase, which deals with the historical development of universities in Peru, analyzing and clarifying the driving forces over time and distinguish the main lines that give direction and meaning to changes in university educational reality. Also, at this stage an analysis of the current situation of universities in Peru is done to be able to determine what the situation is and whether it is prepared to meet the challenges of the global higher education, for this university models are analyzed most prestigious in the world. The above theoretical framework allows to lay in a second phase of research, the scientific basis of the model proposed: the planning model of policy analysis for the Peruvian university system. This proposed model of public sphere for the Peruvian college bases its strategy on a planning model with a common goal: "To improve the quality of the Peruvian university education in order to enhance the employability and mobility of citizens and the international competitiveness of higher education in Peru ", and lines of action materialized in four specific objectives: 1) competences (generic and specific subject areas); 2) approaches to teaching, learning and assessment; 3) credits; 4) quality of the program. As well as the methodological foundations of policy analysis model, used as political structure, taking into account the basic characteristics of the model: a) Planning from above; b) focuses on decision making; c) Separation between expertise and decision; d) The study of the results process guides the decision maker. Finally, a validation phase of the proposed Peruvian university higher education, with the progress already made in Peru on issues of higher education model is analyzed, as is the current context of the new University Law No. 30220 promulgated on July 8 2014, the creation of SUNEDU and reorganization of SINEACE, which are intended to serve the university crisis centered on three main areas included in the law, considered as the basis for reform. First, the State assumes the stewardship of education policies at all educational levels. The second aspect is to install a mechanism for regulating the quality along with the restructuring of those existing ones should lay the foundation for families and students to guarantee that public service is offered, regardless of their individual characteristics, are of common minimum quality and a third aspect is that the law reaffirms that the university is building a space of research-based knowledge and comprehensive training. The aims, structure and organization, forms of graduation, faculty characteristics, the requirement for the general studies, etc., indicate that the academic reflection is the coordinating center of university life. This validation has also been confronted with the results of qualitative interviews with expert judgment that has been made to directors of public and private universities as well as leading members of the former ANR members of organizations like CONCYTEC, IEP, CNE, CONEAU, ICACIT and researchers in higher education, in order to analyze the sustainability of the proposed model in time. The results show, that the Peruvian university system can implement a change to a model of university education, an educational policy based on clearly defined common goal, a timetable for achieving specific objectives set and, with a change social policy structure to a model of reform policy analysis. It also shows the various aspects that those interested in university education should consider, if you want to occupy a space in the future and if interested in the Peruvian university can contribute to society possible paths is forged through research good teaching, international students, especially in graduate programs; with research that results in publications, patents, etc., global impact, relevance to society because it contributes to their development taking shape in very different types of jobs, promoted with businesses, governments at various levels, public institutions or private, etc., to provide funding to the university.

Criterios técnicos del proyecto con módulos tridimensionales ligeros: las casas del Solar Decathlon 2005 y 2007

Este trabajo se ocupa de la construcción modular ligera de viviendas unifamiliares, más concretamente aborda el problema de la definición constructiva de las mismas, habida cuenta de lo poco conocido y publicado de este aspecto en particular. Dado que la construcción es fruto de la evolución, resulta de gran importancia el estudio de los antecedentes para comprender la situación actual, por ello para documentar como corresponde el estado de la técnica y de la investigación se estudiaron los antecedentes desde sus primeras manifestaciones a finales del siglo XIX hasta nuestros días. Contrariamente a las profecías de Le Corbusier y otros, la industrialización no ha llegado a la construcción ni en la forma ni en la medida que era de esperar a principios del siglo XX. Sin embargo y a pesar del relativo “fracaso” de la industrialización en convertirse en la forma mayoritaria de producir edificios, lo cierto es que algunos sistemas altamente industrializados, como lo es la construcción modular ligera, han logrado un lugar en el mercado, que en algunos países resulta cuanto menos significativo. Delimitar el estado de la técnica y la situación actual es crucial en este trabajo, toda vez que la construcción industrializada la realizan empresas, y situarse al margen de las mismas y de su producción, nos guste o no, resulta contrario al sentido común. De este modo se han identificado y documentado ejemplos como el de EE.UU. y Japón, entre otros, que resultan muy ilustrativos tanto desde la evolución como del estado actual. Del estado de la técnica y la investigación también resulta la escasez de publicación de detalles constructivos específicos de la construcción modular ligera. Es obvio que los fabricantes intentan blindarse mediante el secreto industrial, logrando que las soluciones constructivas más interesantes queden fuertemente protegidas dentro del conocimiento reservado de la empresa. De este modo un sistema que alcanza grados de prefabricación del 95%, tan atractivo e interesante para el arquitecto queda reservado al conocimiento de unos pocos dentro de las empresas. La búsqueda de mayor información sobre estos sistemas encuentra un filón indiscutible en los proyectos de las casas del concurso Solar Decathlon. En efecto, debido a las condiciones particulares de este concurso, las casas que compiten deben ser instaladas en un plazo corto, por lo que en su mayoría recurren al método de construcción modular ligera, para lograr correctamente este objetivo. Adicionalmente todos los planos de proyecto incluidos los de detalle, así como memorias de especificaciones técnicas, quedan colgadas en la Web, a libre disposición del público. De este modo se ha considerado interesante, conveniente y útil, aprovechar como fuente documental de este trabajo, aparte de lo obtenido en el estado de la técnica y la investigación, los proyectos de las casas de los concursos 2005 y 2007, que fueron las dos últimas ediciones celebradas cuando se inició esta tesis. De modo similar a esta carencia de detalles publicados se observa igualmente una falta de investigación y de metodologías adecuadas a la misma sobre soluciones y detalles constructivos propios de la construcción modular ligera. Por eso y ante la dificultad de manejar adecuadamente una información disponible pero farragosa, este trabajo ha dedicado una parte importante de su esfuerzo a la creación de una metodología adecuada a este tipo de situación. Hay que destacar que cada proyecto puede constar fácilmente de 60 a casi 200 planos, sin contar las memorias técnicas y otros documentos, tales como galerías de imágenes, etc. Por otra parte resulta útil establecer esta metodología, no solo para esta tesis, sino para futuros trabajos de investigación sobre el tema, toda vez que con posterioridad a 2007 se han celebrado nuevas ediciones del concurso con su correspondiente volumen de información disponible. La metodología del análisis de los proyectos se basa en el diseño y creación de siete fichas tipo que resumen los aspectos fundamentales del proyecto desde el punto de vista constructivo, permitiendo de este modo su rápida visualización y comprensión sin pretender exhaustividad, ya que en caso de querer profundizar en el detalle de la información siempre está el proyecto original para ello. Tras estudiar la información obtenida de los proyectos de las casas de concurso, se contrastan y discuten los resultados para obtener conocimientos de interés para el objetivo propuesto en la tesis. Se comparan los resultados procedentes del estado de la técnica y de la investigación y se obtienen las conclusiones correspondientes. De este modo ha sido posible identificar una serie de criterios técnicos de proyecto de viviendas unifamiliares realizadas mediante construcción modular ligera, que además se organizan en varios niveles, por lo que el resultado es un conjunto de criterios como germen de una futura guía o manual. Como conclusiones fundamentales de la tesis hay que destacar las metodológicas, que habilitan la extensión de este estudio a otros trabajos y la aportación original al conocimiento con la definición de una serie de criterios técnicos de proyecto de viviendas realizadas mediante construcción modular ligera, que además de mejorar esta parte del saber constructivo serán de gran ayuda a los arquitectos de cara a la reducción de errores, que a menudo derivan en mayores costes y plazos, cuando no directamente al abandono del sistema constructivo. El trabajo de la tesis se estructura en siete capítulos a saber: Capítulo 1: Introducción, donde se explica el tema de la tesis, el objetivo principal, las limitaciones y se aportan algunas definiciones. Capítulo 2: Estado de la técnica y la investigación, dentro del cual se presentan los antecedentes desde sus inicios pasando por la primera y segunda mitad del siglo XX y finalizando con el estado actual que recorre los sistemas de EE.UU, Japón, Europa, Escandinavia, centro Europa, Francia, España y algunos ejemplos de Latinoamérica. En el estado de la investigación se presentan las publicaciones tanto en revistas científicas indexadas en el JCR, como publicaciones no indexadas en las que se muestran artículos científicos, comunicaciones a congresos, documentación sobre el concurso Solar Decathlon, libros específicos y libros genéricos sobre construcción modular ligera, tesis doctorales tanto generales como específicas sobre el concurso Solar Decathlon, documentos de idoneidad técnica, páginas Web del concurso Solar Decathlon y finalmente páginas Web de empresas de construcción modular ligera y patentes. También se expresan las conclusiones parciales del capítulo así también como la justificación y los objetivos particulares. Capítulo 3: Metodología, se expone en primer lugar el planteamiento del problema, para luego desarrollar los métodos utilizados para el estudio y clasificación del transporte y de la organización modular, la relación entre la organización modular y distribución espacial, el diseño y contenido de las fichas resumen de los 38 proyectos presentados al SD2005 y SD2007, así también como la información consultada para su realización. Se explica asimismo como se realizaron las tablas comparativas partiendo de la información de las fichas. Finalmente se expresa la manera en que se trató el estudio particular de la junta entre módulos. Capítulo 4: Discusión de resultados, dónde en primer lugar se presenta la clasificación y las estrategias del transporte así también como una clasificación de la organización modular, en segundo lugar se estudian las relaciones que existen entre el sistema modular y la organización espacial. A partir de aquí se muestra el estudio de la estructura de todas las casas del SD2005 y SD2007, según el tipo y material de las zapatas, mostrando tanto tablas cuantitativas como tablas gráficas con fotos. De la misma manera se tratan los forjados, los pilares y las vigas y las cubiertas. Se estudia además el cerramiento opaco y acristalado, la cubierta y el forjado según las capas que lo componen. En el caso de las instalaciones se estudian las que son especiales, descartando las normales en este tipo de casas, como son los paneles fotovoltaicos, placas térmicas o tubos de vacío y los sistemas de almacenamiento de energía, como las baterías, presentando tablas numéricas y gráficas con fotos. El transporte se analiza según corresponda al traslado de la vivienda o al transporte de apoyo, según el tipo y la cantidad utilizado. Con respecto al montaje se diferencia en si se usó grúa o no, y en el caso de no utilizarse se muestran los métodos alternativos. Con respecto a la exploración de la organización modular se presentan la cantidad de módulos que utilizó cada casa, así como también la cuantificación de los sistemas híbridos como son elementos lineales 1D, paneles 2D. Por último se muestra el estudio detallado de la junta entre módulos 3D. Finalmente se realiza la propuesta de un conjunto de criterios técnicos de proyecto organizado en cuatro niveles: 1º nivel de criterios generales, 2º nivel sobre sistemas constructivos, 3º nivel de detalles constructivos y el 4º nivel llamado logística obras previas, transporte y montaje. Capítulo 5: Conclusiones y líneas futuras de investigación, se exponen las conclusiones generales, metodológicas, documentales y por último las de construcción modular. Finalmente se realiza una propuesta de líneas futuras de investigación. Capítulo 6: Bibliografía. Capítulo 7: Anexos, en el que se presentan todas las fichas resumen de las casas realizadas por el autor de esta tesis. Además se incluyen los casos concretos de Voisin en Francia y la TVA (Tennessee Valley Authority) en EE.UU., así como referencias de manuales genéricos de construcción ligera, medidas de transporte en España e información sobre estadísticas de viviendas en la Unión Europea. ABSTRACT This paper deals with Light Modular Construction of houses, and specifically addresses the problem of the constructive definition of the same, given how little known and published this subject has been. Since building construction is the result of evolution, it is of great importance to study its background for understanding the current situation, therefore to document the state of the art and research, its history was studied from its origins dating to the end nineteenth century to our days. Contrary to the prophecies of Le Corbusier and others, industrialization has not reached the construction neither in the form nor to the extent that it was expected in the early twentieth century. However, despite the relative "failure" of industrialization to become the major form of production for buildings, the fact is that some highly industrialized systems, such as the so called Lightweight Modular Construction, have achieved a place in the market, which in some countries is at least significant. To outline the state of the art and the current situation is crucial in this work, since industrialized construction is carried out by companies, and to step away from them and their production, whether we like it or not, it is contrary to common sense. So that, several cases have been identified and documented, such as the US and Japan examples, among others, which are very illustrative both from evolution and the current status. The state of the art and research shows also a shortage of publication of specific construction details of light modular construction. Obviously, manufacturers try to shield themselves by trade secret, making the most interesting constructive solutions remain heavily protected within the reserved knowledge of the company, so a system that reaches levels of 95% prefabrication, so attractive and interesting for the architect It is reserved to the knowledge of a few people inside the companies. The search for more information on these systems finds an invaluable reef in the projects of the Solar Decathlon houses. Indeed, due to the particular conditions of this contest, houses competing must be installed in a short time, so mostly turn to modular construction methods for this purpose to achieve properly this goal. Additionally all levels of project, including detailed and technical specifications reports are published on the Web, freely available to the general public. Thus it was considered interesting, convenient and useful to take advantage as a documentary source of this work, apart from what it were obtained in the state of the art and research, the projects of the houses of the 2005 and 2007 contests, which were the last two editions already held before this thesis was started. Similar to this lack of published details it is also observed a lack of research and methodologies adapted to the solutions and construction details of lightweight modular construction. So that, and facing the difficulty of adequately manage the available but bulky information, this work has devoted a significant part of its effort to create an appropriate methodology for this type of situation. It is noteworthy that each project can easily consist of 60 to almost 200 blueprints, not including technical reports and other documents, such as photo galleries, etc. The methodology of the analysis of the projects is based on the design and creation of seven record sheets that summarize key aspects of the project from a construction point of view, thus allowing quick watching and understanding of the project, without claiming completeness, always keeping for further information the blueprints themselves. After studying the information obtained from the projects of the competition houses, the results are compared and discussed to obtain relevant knowledge according to the objective proposed in the thesis. The results from the state of the art and research are also compared and the conclusions so obtained make possible to identify a number of technical design criteria for single family homes made using lightweight modular construction, which also have been organized at various levels, so the result is a set of criteria as a seed for a future guide or manual. Among the main conclusions of the thesis must be noted the methodological ones, that enable the extension of this study to other works and are an original contribution to knowledge with the definition of a number of technical criteria for housing projects made by light modular construction, what in addition to improving this part of the constructive knowledge will be of great help for the architects to reduce errors that often result in higher costs and delays, if not in abandonment of the construction system itself. The work of the thesis is divided into seven chapters as follows: Chapter 1: Introduction, where the topic of the thesis, the main objective, limitations and the provided definitions is explained. Chapter 2: State of the art and research, within which history is presented from the beginning through the first and second half of the twentieth century and ending with the current systems, that spans from the USA to Japan, Europe, Scandinavia, Central Europe, France, Spain and some Latin American examples. In the state of research publications are presented both on scientific journals indexed in the JCR, and non-indexed publications in which scientific articles, conference papers, information about the Solar Decathlon competition, generic and specific books on light modular construction, articles both general and specific on the Solar Decathlon competition, technical approval documents, dissertations, the Solar Decathlon Web pages and finally lightweight modular construction companies Web pages and patents. The partial conclusions of the chapter as well as the rationale and specific objectives are also expressed. Chapter 3: Methodology first of all exposes the problem statement and then develops the methods used for the study and classification of transportation and modular organization, the relationship between the modular organization and spatial distribution, design and content summary records of the 38 projects submitted to the SD2005 and SD2007, as well as information consulted for its realization. It explains equally how the comparative tables based on information from the chips were made. Finally, the way the particular study of the joint between modules is carried out is also treated. Chapter 4: Discussion, first sorting a classification of transport strategies as well as of modular organization, secondly the relationship between the modular system and the spatial organization studied is presented. From then on, the study of the structure of every house Moreover, to establish this methodology is useful not only for this thesis, but for future research on the subject, since after 2007 there have been held new editions of the contest with a corresponding volume of information available. shown in the SD2005 and SD2007 contests, depending on the type and material of the shoe, showing both quantitative tables as graphic boards with pictures is carried out. Similarly slabs, columns and beams and roofs are treated. Furthermore, the opaque and transparent façades, as well as roof and floor enclosure, according to the layers that compose them are studied. In the case of facilities there have been only addressed that which are of a special type, discarding that considered usual in this type of houses such as photovoltaic panels, thermal panels or vacuum tubes and energy storage systems such as batteries, presenting numerical and graphical tables with photos .The transportation is analyzed depending on it is used to move the house or for additional support, depending on the type and quantity of items used. Regarding assembly it has been made a difference if crane is or not used and if not, what the alternative methods are. With respect to the exploration of the modular organization, the amount of modules used in each house is presented, as well as the quantification of hybrid systems such as linear members as well as 1D, 2D panels. Finally, it has been carried out the detailed study of the joint between 3D modules. Finally it is proposed a set of technical criteria organized into four levels, 1st level of general criteria, 2nd level on building systems, 3rd level construction details and 4th level called previous works and logistics, transportation and assembly. Chapter 5: Conclusions and future research, where general, methodological, documentary and finally modular construction findings are presented. A proposal for further research is done. Chapter 6: Bibliography. Chapter 7: Annexes, in which all the record sheets of houses made by the author of this thesis are presented. Besides the specific cases of Voisin in France and TVA (Tennessee Valley Authority) in the USA, as well as general reference manuals on lightweight construction, transportation dimensions in Spain, and information on housing statistics in the European Union are included.