Desarrollo de un sistema automático de medida para el control del consumo en sistemas empotrados

El Grupo de Diseño Electrónico y Microelectrónico de la Universidad Politécnica de Madrid -GDEM- se dedica, entre otras cosas, al estudio y mejora del consumo en sistemas empotrados. Es en este lugar y sobre este tema donde el proyecto a exponer ha tomado forma y desarrollo. Según un artículo de la revista online Revista de Electrónica Embebida, un sistema empotrado o embebido es aquel “sistema controlado por un microprocesador y que gracias a la programación que incorpora o que se le debe incorporar, realiza una función específica para la que ha sido diseñado, integrando en su interior la mayoría de los elementos necesarios para realizar dicho función”. El porqué de estudiar sobre este tema responde a que, cada vez, hay mayor presencia de sistemas empotrados en nuestra vida cotidiana. Esto es debido a que se está tendiendo a dotar de “inteligencia” a todo lo que puedan hacer nuestra vida un poco más fácil. Nos podemos encontrar dichos sistemas en fábricas, oficinas de atención a los ciudadanos, sistemas de seguridad de hogar, relojes, móviles, lavadoras, hornos, aspiradores y un largo etcétera en cualquier aparato que nos podamos imaginar. A pesar de sus grandes ventajas, aún hay grandes inconvenientes. El mayor problema que supone a día de hoy es la autonomía del mismo sistema, ya que hablamos de aparatos que muchas veces están alimentados por baterías -para ayudar a su portabilidad–. Por esto, se está intentando dotar a dichos sistemas de una capacidad de ahorro de energía y toma de decisiones que podrían ayudar a duplicar la autonomía de dicha batería. Un ejemplo claro son los Smartphones de hoy en día, unos aparatos casi indispensables que pueden tener una autonomía de un día. Esto es poco práctico para el usuario en caso de viajes, trabajo u otras situaciones en las que se le dé mucho uso y no pueda tener acceso a una red eléctrica. Es por esto que surge la necesidad de investigar, sin necesidad de mejorar el hardware del sistema, una manera de mejorar esta situación. Este proyecto trabajará en esa línea creando un sistema automático de medida el cual generará las corrientes que servirán como entrada para verificar el sistema de adquisición que junto con la tarjeta Beagle Board permitirá la toma de decisiones en relación con el consumo de energía. Para realizar este sistema, nos ayudaremos de diferentes herramientas que podremos encontrar en el laboratorio del GDEM, como la fuente de alimentación Agilent y la Beagle Board –como principales herramientas de trabajo- . El objetivo principal será la simulación de unas señales que, después de pasar un proceso de conversión y tratado, harán la función de representación del consumo de cada una de las partes que pueden formar un sistema empotrado genérico. Por lo tanto, podemos decir que el sistema hará la funcionalidad de un banco de pruebas que ayudará a simular dicho consumo para que el microprocesador del sistema pueda llegar a tomar alguna decisión. ABSTRACT. The Electronic and Microelectronic Design Group of Universidad Politécnica de Madrid -GDEM- is in charge, between other issues, of improving the embedded system’s consumption. It is in this place and about this subject where the exposed project has taken shape and development. According to an article from de online magazine Revista de Electronica Embebida, an embedded system is “the one controlled by a microprocessor and, thanks to the programing that it includes, it carries out a specific function what it has been designed for, being integrated in it the most necessary elements for realizing the already said function”. The because of studying this subject, answers that each time there is more presence of the embedded system in our daily life. This is due to the tendency of providing “intelligence” to all what can make our lives easier. We can find this kind of systems in factories, offices, security systems, watchers, mobile phones, washing machines, ovens, hoovers and, definitely, in all kind of machines what we can think of. Despite its large vantages, there are still some inconveniences. Nowadays, the most important problem is the autonomy of the system itself when machines that have to be supplied by batteries –making easier the portability-. Therefore, this project is going after a save capacity of energy for the system as well as being able to take decisions in order to duplicate batteries’ autonomy. Smartphones are a clear example. They are a very successful product but the autonomy is just one day. This is not practical for users, at all, if they have to travel, to work or to do any activity that involves a huge use of the phone without a socket nearby. That is why the need of investigating a way to improve this situation. This project is working on this line, creating an automatic system that will generate the currents for verifying the acquisition system that, with the beagle board, will help taking decisions regarding the energy’s consumption. To carry out this system, we need different tools that we can find in the laboratory of the group previously mentioned, like power supply Agilent and the Beagle Board – as main working tools –. The main goal is the simulation of some signals that, after a conversion process, will represent de consumption of each of the parts in the embedded generic system. Therefore, the system will be a testing ground that simulate the consumption, once sent to the processor, to be processed and so the microprocessor system might take some decision.

Gestión de la información en redes de sensores inalámbricos

La gestión del conocimiento (KM) es el proceso de recolectar datos en bruto para su análisis y filtrado, con la finalidad de obtener conocimiento útil a partir de dichos datos. En este proyecto se pretende hacer un estudio sobre la gestión de la información en las redes de sensores inalámbricos como inicio para sentar las bases para la gestión del conocimiento en las mismas. Las redes de sensores inalámbricos (WSN) son redes compuestas por sensores (también conocidos como motas) distribuidos sobre un área, cuya misión es monitorizar una o varias condiciones físicas del entorno. Las redes de sensores inalámbricos se caracterizan por tener restricciones de consumo para los sensores que utilizan baterías, por su capacidad para adaptarse a cambios y ser escalables, y también por su habilidad para hacer frente a fallos en los sensores. En este proyecto se hace un estudio sobre la gestión de la información en redes de sensores inalámbricos. Se comienza introduciendo algunos conceptos básicos: arquitectura, pila de protocolos, topologías de red, etc.… Después de esto, se ha enfocado el estudio hacia TinyDB, el cual puede ser considerado como parte de las tecnologías más avanzadas en el estado del arte de la gestión de la información en redes de sensores inalámbricos. TinyDB es un sistema de procesamiento de consultas para extraer información de una red de sensores. Proporciona una interfaz similar a SQL y permite trabajar con consultas contra la red de sensores inalámbricos como si se tratara de una base de datos tradicional. Además, TinyDB implementa varias optimizaciones para manejar los datos eficientemente. En este proyecto se describe también la implementación de una sencilla aplicación basada en redes de sensores inalámbricos. Las motas en la aplicación son capaces de medir la corriente a través de un cable. El objetivo de esta aplicación es monitorizar el consumo de energía en diferentes zonas de un área industrial o doméstico, utilizando redes de sensores inalámbricas. Además, se han implementado las optimizaciones más importantes que se han aprendido en el análisis de la plataforma TinyDB. Para desarrollar esta aplicación se ha utilizado como sensores la plataforma open-source de creación de prototipos electrónicos Arduino, y el ordenador de placa reducida Raspberry Pi como coordinador. ABSTRACT. Knowledge management (KM) is the process of collecting raw data for analysis and filtering, to get a useful knowledge from this data. In this project the information management in wireless sensor networks is studied as starting point before knowledge management. Wireless sensor networks (WSN) are networks which consists of sensors (also known as motes) distributed over an area, to monitor some physical conditions of the environment. Wireless sensor networks are characterized by power consumption constrains for sensors which are using batteries, by the ability to be adaptable to changes and to be scalable, and by the ability to cope sensor failures. In this project it is studied information management in wireless sensor networks. The document starts introducing basic concepts: architecture, stack of protocols, network topology… After this, the study has been focused on TinyDB, which can be considered as part of the most advanced technologies in the state of the art of information management in wireless sensor networks. TinyDB is a query processing system for extracting information from a network of sensors. It provides a SQL-like interface and it lets us to work with queries against the wireless sensor network like if it was a traditional database. In addition, TinyDB implements a lot of optimizations to manage data efficiently. In this project, it is implemented a simple wireless sensor network application too. Application’s motes are able to measure amperage through a cable. The target of the application is, by using a wireless sensor network and these sensors, to monitor energy consumption in different areas of a house. Additionally, it is implemented the most important optimizations that we have learned from the analysis of TinyDB platform. To develop this application it is used Arduino open-source electronics prototyping platform as motes, and Raspberry Pi single-board computer as coordinator.

Vehicle to vehicle energy exchange in smart grid applications

This paper presents a novel vehicle to vehicle energy exchange market (V2VEE) between electric vehicles (EVs) for decreasing the energy cost to be paid by some users whose EVs must be recharged during the day to fulfil their daily scheduled trips and also reducing the impact of charging on the electric grid. EVs with excess of energy in their batteries can transfer this energy among other EVs which need charge during their daily trips. These second type of owners can buy the energy directly to the electric grid or they can buy the energy from other EV at lower price. An aggregator is responsible for collecting all information among vehicles located in the same area at the same time and make possible this energy transfer.

Characterisation of the operation & maintenance phase in PV rural electrification programmes

Con 1.300 millones de personas en el mundo sin acceso a la electricidad (la mayoría en entornos rurales de países empobrecidos), la energía solar fotovoltaica constituye una solución viable técnica y económicamente para electrificar las zonas más remotas del planeta donde las redes eléctricas convencionales no llegan. Casi todos los países en el mundo han desarrollado algún tipo de programa de electrificación fotovoltaica rural durante los últimos 40 años, principalmente los países más pobres, donde a través de diferentes modelos de financiación, se han instalado millones de sistemas solares domiciliarios (pequeños sistemas fotovoltaicos para uso doméstico). Durante este largo período, se han ido superando muchas barreras, como la mejora de la calidad de los sistemas fotovoltaicos, la reducción de costes, la optimización del diseño y del dimensionado de los sistemas, la disponibilidad financiera para implantar programas de electrificación rural, etc. Gracias a esto, la electrificación rural descentralizada ha experimentado recientemente un salto de escala caracterizada por la implantación de grandes programas con miles de sistemas solares domiciliarios e integrando largos períodos de mantenimiento. Muchos de estos grandes programas se están llevando a cabo con limitado éxito, ya que generalmente parten de supuestos e hipótesis poco contrastadas con la realidad, comprometiendo así un retorno económico que permita el desarrollo de esta actividad a largo plazo. En este escenario surge un nuevo reto: el de cómo garantizar la sostenibilidad de los grandes programas de electrificación rural fotovoltaica. Se argumenta que la principal causa de esta falta de rentabilidad es el imprevisto alto coste de la fase de operación y mantenimiento. Cuestiones clave tales como la estructura de costes de operación y mantenimiento o la fiabilidad de los componentes del sistema fotovoltaico no están bien caracterizados hoy en día. Esta situación limita la capacidad de diseñar estructuras de mantenimiento capaces de asegurar la sostenibilidad y la rentabilidad del servicio de operación y mantenimiento en estos programas. Esta tesis doctoral tiene como objetivo responder a estas cuestiones. Se ha realizado varios estudios sobre la base de un gran programa de electrificación rural fotovoltaica real llevado a cabo en Marruecos con más de 13.000 sistemas solares domiciliarios instalados. Sobre la base de este programa se ha hecho una evaluación en profundidad de la fiabilidad de los sistemas solares a partir de los datos de mantenimiento recogidos durante 5 años con más de 80.000 inputs. Los resultados han permitido establecer las funciones de fiabilidad de los equipos tal y como se comportan en condiciones reales de operación, las tasas de fallos y los tiempos medios hasta el fallo para los principales componentes del sistema, siendo este el primer caso de divulgación de resultados de este tipo en el campo de la electrificación rural fotovoltaica. Los dos principales componentes del sistema solar domiciliario, la batería y el módulo fotovoltaico, han sido analizados en campo a través de una muestra de 41 sistemas trabajando en condiciones reales pertenecientes al programa solar marroquí. Por un lado se ha estudiado la degradación de la capacidad de las baterías y por otro la degradación de potencia de los módulos fotovoltaicos. En el caso de las baterías, los resultados nos han permitido caracterizar la curva de degradación en capacidad llegando a obtener una propuesta de nueva definición del umbral de vida útil de las baterías en electrificación rural. También sobre la base del programa solar de Marruecos se ha llevado a cabo un estudio de caracterización de los costes reales de operación y mantenimiento a partir de la base de datos de contabilidad del programa registrados durante 5 años. Los resultados del estudio han permitido definir cuáles son costes que más incidencia tienen en el coste global. Se han obtenido los costes unitarios por sistema instalado y se han calculado los montantes de las cuotas de mantenimiento de los usuarios para garantizar la rentabilidad de la operación y mantenimiento. Finalmente, se propone un modelo de optimización matemática para diseñar estructuras de mantenimiento basado en los resultados de los estudios anteriores. La herramienta, elaborada mediante programación lineal entera mixta, se ha aplicado al programa marroquí con el fin de validar el modelo propuesto. ABSTRACT With 1,300 million people worldwide deprived of access to electricity (mostly in rural environments), photovoltaic solar energy has proven to be a cost‐effective solution and the only hope for electrifying the most remote inhabitants of the planet, where conventional electric grids do not reach because they are unaffordable. Almost all countries in the world have had some kind of rural photovoltaic electrification programme during the past 40 years, mainly the poorer countries, where through different organizational models, millions of solar home systems (small photovoltaic systems for domestic use) have been installed. During this long period, many barriers have been overcome, such as quality enhancement, cost reduction, the optimization of designing and sizing, financial availability, etc. Thanks to this, decentralized rural electrification has recently experienced a change of scale characterized by new programmes with thousands of solar home systems and long maintenance periods. Many of these large programmes are being developed with limited success, as they have generally been based on assumptions that do not correspond to reality, compromising the economic return that allows long term activity. In this scenario a new challenge emerges, which approaches the sustainability of large programmes. It is argued that the main cause of unprofitability is the unexpected high cost of the operation and maintenance of the solar systems. In fact, the lack of a paradigm in decentralized rural services has led to many private companies to carry out decentralized electrification programmes blindly. Issues such as the operation and maintenance cost structure or the reliability of the solar home system components have still not been characterized. This situation does not allow optimized maintenance structure to be designed to assure the sustainability and profitability of the operation and maintenance service. This PhD thesis aims to respond to these needs. Several studies have been carried out based on a real and large photovoltaic rural electrification programme carried out in Morocco with more than 13,000 solar home systems. An in‐depth reliability assessment has been made from a 5‐year maintenance database with more than 80,000 maintenance inputs. The results have allowed us to establish the real reliability functions, the failure rate and the main time to failure of the main components of the system, reporting these findings for the first time in the field of rural electrification. Both in‐field experiments on the capacity degradation of batteries and power degradation of photovoltaic modules have been carried out. During the experiments both samples of batteries and modules were operating under real conditions integrated into the solar home systems of the Moroccan programme. In the case of the batteries, the results have enabled us to obtain a proposal of definition of death of batteries in rural electrification. A cost assessment of the Moroccan experience based on a 5‐year accounting database has been carried out to characterize the cost structure of the programme. The results have allowed the major costs of the photovoltaic electrification to be defined. The overall cost ratio per installed system has been calculated together with the necessary fees that users would have to pay to make the operation and maintenance affordable. Finally, a mathematical optimization model has been proposed to design maintenance structures based on the previous study results. The tool has been applied to the Moroccan programme with the aim of validating the model.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Sistema autónomo para carga de baterías mediante una instalación fotovoltaica con aplicación directa al vehículo eléctrico y usos

La situación energética actual es insostenible y como consecuencia se plantea un escenario próximo orientado a conseguir un futuro energético sostenible que permita el desarrollo económico y el bienestar social. La situación ambiental actual está afectada directamente por la combustión de combustibles fósiles que en 2013 constituyeron el 81% de la energía primaria utilizada por el ser humano y son la principal fuente antropogénica de gases de efecto invernadero. Los informes del IPCC1, ponen de manifiesto que el cambio climático se ha consolidado durante los últimos años y en la conferencia de la ONU sobre cambio climático de París que se celebrará a finales de 2015, se pretende que los gobiernos suscriban un acuerdo universal para limitar las emisiones de gases de efecto invernadero y evitar que el incremento de la temperatura media global supere los 2°C. Por otra parte, en el interior de las ciudades es especialmente preocupante, por su efecto directo sobre la salud humana, el impacto ambiental producido por las emisiones de NOx que generan el transporte de personas y mercancías. El sector del transporte fue responsable en 2012 del 27,9% del consumo final de energía. Una vez expuesto el escenario energético y ambiental actual, en esta tesis, se analiza la eficiencia de un sistema autónomo fotovoltaico para la carga de baterías de vehículos eléctricos y el uso del mismo con otras cargas, con el objetivo de aprovechar al máximo la energía eléctrica generada y contribuir a la utilización de energía limpia que no produzca impacto ambiental. Como primer paso para el desarrollo de la tesis se hizo un estudio de trabajos previos comenzando por las primeras aplicaciones de la energía fotovoltaica en los vehículos solares para después pasar a trabajos más recientes enfocados al suministro de energía a los vehículos eléctricos. También se hizo este estudio sobre las metodologías de simulación en los sistemas fotovoltaicos y en el modelado de distintos componentes. Posteriormente se eligieron, dentro de la amplia oferta existente en el mercado, los componentes con características técnicas más adecuadas para este tipo de instalaciones y para las necesidades que se pretenden cubrir. A partir de los parámetros técnicos de los componentes elegidos para configurar la instalación autónoma y utilizando modelos contrastados de distintos componentes, se ha desarrollado un modelo de simulación en ordenador del sistema completo con el que se han hecho simulaciones con distintos modos de demanda de energía eléctrica, según los modos de carga disponibles en el vehículo eléctrico para corriente alterna monofásica de 230 V. También se han simulado distintos tamaños del generador fotovoltaico y del sistema de acumulación de energía eléctrica para poder determinar la influencia de estos parámetros en los balances energéticos del sistema. Utilizando recursos propios el doctorando ha realizado la instalación real de un sistema fotovoltaico que incluye sistema de acumulación e inversor en un edificio de su propiedad. Para la realización de la tesis, La Fundación de Fomento e Innovación Industrial (F2I2) ha facilitado al doctorando un dispositivo que permite realizar la alimentación del vehículo eléctrico en modo 2 (este modo emplea un adaptador que incorpora dispositivos de seguridad y se comunica con el vehículo permitiendo ajustar la velocidad de recarga) y que ha sido necesario para los trabajos desarrollados. Se ha utilizado la red eléctrica como sistema de apoyo de la instalación fotovoltaica para permitir la recarga en el modo 2 que requiere más potencia que la proporcionada por el sistema fotovoltaico instalado. Se han analizado mediante simulación distintos regímenes de carga que se han estudiado experimentalmente en la instalación realizada, a la vez que se han hecho ensayos que se han reproducido mediante simulación con los mismos valores de radiación solar y temperatura con objeto de contrastar el modelo. Se han comparado los resultados experimentales con los obtenidos mediante simulación con objeto de caracterizar el comportamiento del sistema de acumulación (energía eléctrica suministrada y tensión de salida en las baterías) y del generador fotovoltaico (energía eléctrica fotovoltaica suministrada). Por último, se ha realizado un estudio económico de la instalación autónoma fotovoltaica ejecutada y simulada. En el mismo se ha planteado la utilización de fondos propios (como realmente se ha llevado a cabo) y la utilización de financiación, para determinar dos posibles escenarios que pudieran ser de utilidad a un propietario de vehículo eléctrico. Se han comparado los resultados obtenidos en los dos escenarios propuestos del estudio económico del sistema, en cuanto a los parámetros de tiempo de retorno de la inversión, valor actual neto de la inversión y tasa interna de retorno de la misma. Las conclusiones técnicas obtenidas, permiten la utilización del sistema con los modos de carga ensayados y otro tipo de cargas que aprovechen la generación eléctrica del sistema. Las baterías ofrecen mejor comportamiento cuando el aporte fotovoltaico está presente, pero no considera adecuado la conexión de cargas elevadas a un sistema de acumulación de gel (plomo-acido) como el que se ha utilizado, debido al comportamiento de este tipo de baterías ante demandas de intensidad de corriente eléctrica elevadas. Por otra parte, el comportamiento de este tipo de baterías con valores de intensidad de corriente eléctrica inferiores a 10 A en ausencia de energía fotovoltaica, con el objetivo de utilizar la generación de energía eléctrica diaria acumulada en el sistema, sí resulta interesante y ofrece un buen comportamiento del sistema de acumulación. Las circunstancias actuales de mercado, que carece de sistemas de acumulación de litio con precios de compra interesantes, no han permitido poder experimentar este sistema de acumulación en la instalación autónoma fotovoltaica ejecutada, tampoco se ha podido obtener el favor de ningún fabricante para ello. Actualmente hay disponibles sistemas de acumulación en litio que no se comercializan en España y que serían adecuados para el sistema de acumulación de energía propuesto en este estudio, que deja abierta las puertas para futuros trabajos de investigación. Las conclusiones económicas obtenidas, rentabilizan el uso de una instalación autónoma fotovoltaica con consumo instantáneo, sin acumulación de energía eléctrica. El futuro de conexión a red por parte de estas instalaciones, cuando se regule, aportará un incentivo económico para rentabilizar con menos tiempo las instalaciones autónomas fotovoltaicas, esto también deja la puerta abierta a futuros trabajos de investigación. El sistema de acumulación de energía aporta el mayor peso económico de inversión en este tipo de instalaciones. La instalación estudiada aporta indicadores económicos que la hacen rentable, pero se necesitaría que los precios de acumulación de la energía en sistemas eficientes estén comprendidos entre 100-200 €/kWh para que el sistema propuesto en este trabajo resulte atractivo a un potencial propietario de un vehículo eléctrico. ABSTRACT The current energy situation is untenable; it poses a scenario next focused on reaching a sustainable energy future, to allow economic development and social welfare. The environmental current situation is affected directly by the combustion of fossil fuels that in 2013 constituted 81 % of the primary energy used by the human being and they are the principal source human of greenhouse gases. The reports of the IPCC2, they reveal that the climate change has consolidated during the last years and in the conference of the UNO on climate change of Paris that will be celebrated at the end of 2015, there is claimed that the governments sign a universal agreement to limit the emission of greenhouse gases and to prevent that the increase of the global average temperature overcomes them 2°C. On the other hand, inside the cities it is specially worrying, for his direct effect on the human health, the environmental impact produced by the NOx emissions that generate the persons' transport and goods. The sector of the transport was responsible in 2012 of 27,9 % of the final consumption of energy. Once exposed the scenario and present environmental energy, in this thesis, it has analyzed the efficiency of an autonomous photovoltaic system for charging electric vehicles, and the use of the same with other workloads, with the objective to maximize the electrical energy generated and contribute to the use of clean energy that does not produce environmental impact. Since the first step for the development of the thesis did to itself a study of previous works beginning for the first applications of the photovoltaic power in the solar vehicles later to go on to more recent works focused on the power supply to the electrical vehicles. Also this study was done on the methodologies of simulation in the photovoltaic systems and in the shaped one of different components. Later they were chosen, inside the wide existing offer on the market, the components with technical characteristics more adapted for this type of facilities and for the needs that try to cover. From the technical parameters of the components chosen to form the autonomous installation and using models confirmed of different components, a model of simulation has developed in computer of the complete system with which simulations have been done by different manners of demand of electric power, according to the available manners of load in the electrical vehicle for single-phase alternating current of 230 V. Also there have been simulated different sizes of the photovoltaic generator and of the system of accumulation of electric power to be able to determine the influence of these parameters in the energy balances of the system. Using own resources the PhD student has realized a real installation of a photovoltaic system that includes system of accumulation and investing in a building of his property. For the accomplishment of the thesis, The Foundation of Promotion and Industrial Innovation (F2I2) it has facilitated to the PhD student a device that allows to realize the supply of the electrical vehicle in way 2 (this way uses an adapter that incorporates safety devices and communicates with the vehicle allowing to fit the speed of recharges) and that has been necessary for the developed works. The electrical network has been in use as system of support of the photovoltaic installation for allowing it her recharges in the way 2 that more power needs that provided by the photovoltaic installed system. There have been analyzed by means of simulation different rate of load that have been studied experimentally in the realized installation, simultaneously that have done to themselves tests that have reproduced by means of simulation with the same values of solar radiation and temperature in order the model contrasted. The experimental results have been compared by the obtained ones by means of simulation in order to characterize the behavior of the system of accumulation (supplied electric power and tension of exit in the batteries) and of the photovoltaic generator (photovoltaic supplied electric power). Finally, there has been realized an economic study of the autonomous photovoltaic executed and simulated installation. In the same one there has appeared the utilization of own funds (since really it has been carried out) and the utilization of financing, to determine two possible scenes that could be of usefulness to an owner of electrical vehicle. There have been compared the results obtained in both scenes proposed of the economic study of the system, as for the parameters of time of return of the investment, current clear value of the investment and rate hospitalizes of return of the same one. The technical obtained conclusions, they make the utilization of the system viable with the manners of load tested and another type of loads of that they take advantage the electrical generation of the system. The batteries offer better behavior when the photovoltaic contribution is present, but he does not consider to be suitable the connection of loads risen up to a system of accumulation of gel (lead - acid) as the one that has been in use, due to the behavior of this type of batteries before demands of intensity of electrical current raised. On the other hand, the behavior of this type of batteries with low values of intensity of electrical current to 10 To in absence of photovoltaic power, with the aim to use the generation of daily electric power accumulated in the system, yes turns out to be interesting and offers a good behavior of the system of accumulation. The current circumstances of market, which lacks systems of accumulation of lithium with interesting purchase prices, have not allowed to be able to experience this system of accumulation in the autonomous photovoltaic executed installation, neither one could have obtained the favor of any manufacturer for it. Nowadays there are available systems of accumulation in lithium that is not commercialized in Spain and that they would be adapted for the system of accumulation of energy proposed in this study, which makes the doors opened for future works of investigation. The economic obtained conclusions; they make more profitable the use of an autonomous photovoltaic installation with instantaneous consumption, without accumulation of electric power. The future of connection to network on the part of these facilities, when it is regulated, will contribute an economic incentive to make profitable with less time the autonomous photovoltaic facilities, this also leaves the door opened for future works of investigation. The system of accumulation of energy contributes the major economic weight of investment in this type of facilities. The studied installation contributes economic indicators that make her profitable, but it would be necessary that the prices of accumulation of the energy in efficient systems are understood between 100-200 € in order that the system proposed in this work turns out to be attractive to a proprietary potential of an electrical vehicle.

Medida del consumo de energía en la descodificación de vídeos

Este proyecto se encuentra adscrito a la línea de investigación de optimización de consumo en terminales multimedia móviles que el Grupo de Diseño Electrónico y Microelectrónico (GDEM) de la UPM (Universidad Politécnica de Madrid) está llevando a cabo. Los sistemas empotrados móviles (Smartphone, Tablet,...) están alimentados con baterías. En este tipo de sistemas, una de las aplicaciones que más rápidamente consume energía es la descodificación de secuencias de vídeo. En este trabajo, queremos medir el consumo de energía de distintos descodificadores de vídeo para distintas secuencias, con el objetivo de entender mejor cómo se consume esta energía y poder encontrar diferentes métodos que lo reduzcan. Para ello comenzaremos describiendo nuestro entorno de trabajo, tanto el hardware como el software utilizado. Respeto al hardware cabe destacar el uso de una PandaBoard y un Smart Power de Odroid, entre otros muchos elementos utilizados, los cuales serán debidamente explicados en las siguientes páginas de este proyecto. Mientras que para el software destaca el uso de dos tipos de descodificadores uno CBP y otro PHP, los cuales serán descritos en profundidad en los siguientes capítulos de este documento. Este entorno de trabajo nos servirá para el estudio de las diferentes secuencias de vídeo, cuya codificación ha sido llevada en paralelo con otro proyecto que se está realizando en el grupo de GDEM de la UPM, y cuyo objetivo es el estudio de la calidad subjetiva durante la descodificación del mismo conjunto de secuencias de vídeo. Todas estas secuencias de vídeo han sido codificadas con diferentes parámetros de calidad y diversas estructuras de imágenes, para obtener así un banco de pruebas lo más amplio posible. Gracias a la obtención de estas secuencias de vídeo y utilizando nuestro entorno de trabajo, pasaremos a estudiar el consumo de energía que se produce al descodificar una a una todas las posibles secuencias de vídeo, dependiendo todo esto de su estructura de imágenes, su calidad y por supuesto, el descodificador utilizado en cada caso. Para terminar, se mostrará una comparativa entre los diferentes resultados obtenidos y se hará una discusión de estos, obteniendo en este caso, un resumen de los datos más significativos, así como las conclusiones más importantes obtenidas durante todo este trabajo. Al término de este proyecto y en unión con el estudio que se está llevando a cabo en paralelo sobre la calidad subjetiva, queda como línea futura de investigación encontrar el compromiso entre el consumo de energía de diferentes secuencias de vídeo y la calidad subjetiva de dichas secuencias. ABSTRACT. This project is assigned to the research line on consumption optimization in mobile multimedia terminals carried out by the Group of Electronic Design and Microelectronics (GDEM) of the Polytechnic University of Madrid (UPM). Embedded mobile systems (smartphones, tablets...) are powered by batteries. In such systems, one of the applications that more rapidly consumes power is the decoding of video streams. In this work, we measure the power consumption of different video decoders for different streams, in order to better understand how this energy is consumed and to find different methods to reduce it. To this end, we start by describing our working environment, both hardware and software used. As for the hardware, it is worth mentioning the use of PandaBoard and Smart Power Odroid, among many other elements, which will be duly explained in the following pages of this project. As for the software, we highlight the use of two types of decoders, CBP and PHP, which will be described in detail in the following chapters of this document. This working environment will help us to study different video streams, whose coding has been perfor-med in parallel under another project that is being carried out in the GDEM group of the UPM, and whose objective is the study of subjective quality for decoding the same set of video streams. All these video streams have been encoded with different quality parameters and image structures in order to obtain the widest set of samples. Thanks to the production of these video streams and the use of our working environment, we study the power consumption that occurs when decoding one by one all possible video streams, depending on the image structure, their quality and, of course, the decoder used in each case. Finally, we show a comparison between the different results and a discussion of these, obtaining a sum-mary of the most significant data and the main conclusions obtained during this project. Upon completion of this project and in conjunction with the project on the study of subjective quality that is being carried out in parallel, a future line of research could consist in finding the compromise between power consumption of different video streams and the subjective quality of these.

Trans arquitectura : imaginación, invención e individuación del objeto técnico arquitectónico : transferencia tecnológica desde la industria del transporte al proyecto arquitectónico (1900-1973)

Se presenta la tesis doctoral, titulada ‘TRANS Arquitectura. Imaginación, Invención e individuación del objeto tecnico arquitectónico. Transferencia tecnológica desde la Industria del Transporte al Proyecto de Arquitectura [1900-1973]'’, que aborda la relación entre la Arquitectura y el Objeto Técnico durante la Modernidad.1 La temática de la tesis gravita en torno a la cultura técnica, la cultura material y la historia de la Tecnología del siglo XX. Hipótesis Se sostiene aquí la existencia de unas arquitecturas que se definen como Objetos Técnicos. Para demostrarlo se estudia si éstas comparten las mismas propiedades ontológicas de los objetos técnicos. Industria y Arquitectura La historia de la Arquitectura Moderna es la historia de la Industria Moderna y sus instalaciones industriales, sus productos y artefactos o sus procedimientos y procesos productivos. Fábricas, talleres, acerías, astilleros, minas, refinerías, laboratorios, automóviles, veleros, aviones, dirigibles, transbordadores, estaciones espaciales, electrodomésticos, ordenadores personales, teléfonos móviles, motores, baterías, turbinas, aparejos, cascos, chassis, carrocerías, fuselajes, composites, materiales sintéticos, la cadena de montaje, la fabricación modular, la cadena de suministros, la ingeniería de procesos, la obsolescencia programada… Todos estos objetos técnicos evolucionan constantemente gracias al inconformismo de la imaginación humana, y como intermediarios que son, cambian nuestra manera de relacionarnos con el mundo. La Arquitectura, al igual que otros objetos técnicos, media entre el hombre y el mundo. Con el objetivo de reducir el ámbito tan vasto de la investigación, éste se ha filtrado a partir de varios parámetros y cualidades de la Industria, estableciendo un marco temporal, vinculado con un determinado modo de hacer, basado en la ciencia. El inicio del desarrollo industrial basado en el conocimiento científico se da desde la Segunda Revolución Industrial, por consenso en el último tercio del siglo XIX. Este marco centra el foco de la tesis en el proceso de industrialización experimentado por la Arquitectura desde entonces, y durante aproximadamente un siglo, recorriendo la Modernidad durante los 75 primeros años del siglo XX. Durante este tiempo, los arquitectos han realizado transferencias de imágenes, técnicas, procesos y materiales desde la Industria, que ha servido como fuente de conocimiento para la Arquitectura, y ha evolucionado como disciplina. Para poder abordar más razonablemente un periodo tan amplio, se ha elegido el sector industrial del transporte, que históricamente ha sido, no sólo fuente de inspiración para los Arquitectos, sino también fuente de transferencia tecnológica para la Arquitectura. Conjuntos técnicos como los astilleros, fábricas de automóviles o hangares de aviones, individuos técnicos como barcos, coches o aviones, y elementos técnicos como las estructuras que les dan forma y soporte, son todos ellos objetos técnicos que comparten propiedades con las arquitecturas que aquí se presentan. La puesta en marcha de la cadena móvil de montaje en 1913, se toma instrumentalmente como primer foco temporal desde el que relatar la evolución de numerosos objetos técnicos en la Primera Era de la Máquina; un segundo foco se sitúa en 19582, año de la creación de la Agencia Espacial norteamericana (NASA), que sirve de referencia para situar la Segunda Era de la Máquina. La mayoría de los objetos técnicos arquitectónicos utilizados para probar la hipótesis planteada, gravitan en torno a estas fechas, con un rango de más menos 25 años, con una clara intención de sincronizar el tiempo de la acción y el tiempo del pensamiento. Arquitectura y objeto técnico Los objetos técnicos han estado siempre relacionados con la Arquitectura. En el pasado, el mismo técnico que proyectaba y supervisaba una estructura, se ocupaba de inventar los ingenios y máquinas para llevarlas a cabo. Los maestros de obra, eran verdaderos ‘agentes de transferencia tecnológica’ de la Industria y su conocimiento relacionaba técnicas de fabricación de diferentes objetos técnicos. Brunelleschi inventó varia grúas para construir la cúpula de Santa Maria dei Fiori (ca.1461), seguramente inspirado por la reedición del tratado de Vitruvio, De Architectura (15 A.C.), cuyo último capítulo estaba dedicado a las máquinas de la arquitectura clásica romana, y citaba a inventores como Archimedes. El arquitecto florentino fue el primero en patentar un invento en 1421: una embarcación anfibia que serviría para transportar mármol de Carrara por el río Arno, para su obra en Florencia. J. Paxton. Crystal Palace. London 1851. Viga-columna. Robert McCormick. Cosechadora 1831. 2ª patente, 1845. La Segunda Revolución Industrial nos dejó un primitivo ejemplo moderno de la relación entre la Arquitectura y el objeto técnico. El mayor edificio industrializado hasta la fecha, el Crystal Palace de Londres, obra de Joseph Paxton, fue montado en Londres con motivo de la Gran Exposición sobre la Industria Mundial de 1851, y siempre estará asociado a la cosechadora McCormick, merecedora del Gran Premio del Jurado. De ambos objetos técnicos, podrían destacarse características similares, como su origen industrial, y ser el complejo resultado de un ensamblaje simple de elementos técnicos. Desde la entonces, el desarrollo tecnológico ha experimentado una aceleración continuada, dando lugar a una creciente especialización y separación del conocimiento sobre las técnicas antes naturalmente unidas. Este proceso se ha dado a expensas del conocimiento integrador y en detrimento de la promiscuidad entre la Industria y la Arquitectura. Este es, sin lugar a dudas, un signo consustancial a nuestro tiempo, que provoca un natural interés de los arquitectos y otros tecnólogos, por las transferencias, trans e inter-disciplinareidades que tratan de re-establecer los canales de relación entre los diferentes campos del conocimiento. La emergencia de objetos técnicos como los vehículos modernos a principios del siglo XX (el automóvil, el trasatlántico, el dirigible o el aeroplano) está relacionada directamente con la Arquitectura de la Primera Era de la Máquina. La fascinación de los arquitectos modernos por aquellas nuevas estructuras habitables, se ha mantenido durante más de un siglo, con diferente intensidad y prestando atención a unos objetos técnicos u otros, oscilando entre el dominio del valor simbólico de los vehículos como objetosimágenes, durante el periodo heroico de la Primera Era de la Máquina, y la mirada más inquisitiva durante la Segunda, que perseguía un conocimiento más profundo de la organización de los mismos y del sistema técnico en el que estaban incluidos. La relación homóloga que existe entre arquitecturas y vehículos, por su condición de estructuras habitables, es algo de sobra conocido desde que Le Corbusier utilizara aquellas imágenes de barcos, coches y aviones para ilustrar su manifiesto Vers une architecture, de 1923. Los vehículos modernos han sido los medios con los que transmitir los conceptos que ansiaban transformar las propiedades tradicionales de la Arquitectura, relativas a su factura, su habitabilidad, su duración, su funcionalidad o su estética. Destaca particularmente el caso del automóvil en las décadas de los años 30 y 50, y los vehículos del programa espacial en las décadas de los 60 y 70. El conocimiento y la documentación previa de estos hechos, fueron un buen indicio para identificar y confirmar que el sector industrial del transporte, era un especialmente trascendente y fértil proveedor de casos de transferencia tecnológica para la Arquitectura. La tradición Moderna inaugurada por Le Corbusier en los años 20, ha sido mantenida y defendida por una multitud de arquitectos modernos como Albert Frey, Richard Neutra, Ralph Soriano, Charles Eames o Craig Ellwood, cuyo trabajo, animado por el legado de anteriores tecnólogos como Bucky Fuller o Jean Prouvé, fue fundamental y referencia obligada para la siguiente generación de arquitectos como Cedric Price, Archigram, Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Jean Kaplicky o Richard Horden, entre otros. Todos ellos han contribuido a engrosar el imaginario del objeto técnico, aportando sus obras arquitectónicas. Estos arquitectos que aparecen repetidamente en el discurrir de la tesis, pertenecen a un mismo linaje, y son agrupados según una estructura ‘genealógica’, que se ha denominado ‘Estirpe Técnica’. Unidos por intereses comunes y similares enfoques o actitudes ante el proyecto de arquitectura, entendida como objeto Técnico, han operado mediante la práctica de la transferencia tecnológica, sin limitarse a las técnicas compositivas propias de la disciplina arquitectónica. Durante la investigación, se ha recopilado una selección de menciones explícitas -hechas por arquitectos- sobre otros objetos técnicos para referirse a la Arquitectura, mostrando las constantes y las variaciones de sus intereses a lo largo del siglo, lo que nos ha llevado a conclusiones como por ejemplo, que los conjuntos técnicos (fábricas de zepelines, aviones, automóviles o trasatlánticos) eran tomados por los arquitectos de la primera Modernidad, como un modelo imaginario, formal y compositivo, mientras que los de la Segunda Era de la Máquina los tomaban como modelo espacial y organizativo para la arquitectura. La mencionada estirpe de tecnólogos incluye líneas de descendencia conocidas, como: EiffelSuchovBehrens GropiusMiesLeCorbusierLodsProuve, en la Europa continental, o una rama británica como: LoudonPaxtonWilliamsStirlingGowan SmithsonsPriceArchigramFosterRogersPiano KaplickyHorden. También podemos encontrar conexiones intercontinentales como Fuller EamesRudolphFosterRogers, o ramificaciones menos previsibles como: LeRicolaisKahn PianoKaplicky, o LeCorbusierFreyLacaton Vassal… Seguramente muchos más merecerían incluirse en esta lista, y de hecho, la tesis asume la imposibilidad de incluirlo todo (por motivos prácticos) aunque contempla la posibilidad de ser ampliada en un futuro. Con lo aquí incluido, se pretende mostrar la continuidad en los enfoques, planteamientos y técnicas de proyectos aplicadas, de los que podemos deducir algunas conclusiones, como por ejemplo, que en los periodos inmediatamente posteriores a las dos Guerras Mundiales, aumentó la intensidad de aportaciones de nuevas imágenes de vehículos, al imaginario del objeto técnico utilizado por los arquitectos, a través de publicaciones y exposiciones. Hoy, cien años después de que Ford pusiera en marcha la cadena móvil de montaje, aún encontramos viva esta tradición en las palabras de un arquitecto, Richard Horden, cuyo trabajo porta consigo –como la información embebida en los elementos técnicos- toda una cultura técnica de una tradición moderna. Horden representa uno de los exponentes de la que he denominado estirpe de tecnólogos. Es por ello que he querido concluir la tesis con una entrevista, realizada en Mayo de 2015, en su estudio de Berkeley Square en Londres (ver Apéndices). Guías Para el desarrollo de la presente tesis, se ha tomado, como principal obra de referencia, otra tesis, titulada El modo de existencia de los objetos técnicos, leída y publicada en 1958 por el filósofo francés Gilbert Simondon [1924-89], dedicada a la ontología del objeto técnico. Esta obra enmarca el enfoque intelectual de la tesis, que entronca con la fenomenología, para movilizar una visión particular de la Arquitectura, a la que sirve como modelo de análisis ontológico para estudiar sus procesos de génesis, invención e individuación. Para el desarrollo de éstos, se ha utilizado como complemento bibliográfico, otra obra del mismo autor, titulada Imaginación e invención 1965-66. En cuanto a las fuentes historiográficas disciplinares, se ha elegido utilizar a Reyner P. Banham [1922-1988] y a Martin E. Pawley [1938-2008] como guías a través de la arquitectura del siglo XX. Sus crónicas sobre la Primera y Segunda Era de la Máquina3 y su obra crítica, han servido como índices desde los que reconstruir el imaginario del objeto técnico moderno, y del que aprovisionarse de proyectos y obras de Arquitectura como casos de estudio para la tesis. Estas obras han servido además como índices de otra bibliografía, que ha sido complementaria a la de éstos. Objetivos de la Tesis El principal objetivo de la tesis es demostrar la hipótesis: si una obra de arquitectura puede ser considerada un objeto técnico y bajo qué condiciones, construyendo un criterio que permita reconocer cuándo una obra de Arquitectura responde a la definición de objeto técnico. Otro objetivo es demostrar la importancia y potencia de la Transferencia tecnológica en el proceso evolutivo de la Arquitectura, y para ello se presentan ejemplos de una metodología de proyecto por ensamblaje, que Martin Pawley denominaba ‘Design by Assembly’. También es un objetivo el de reconstruir un Atlas del Imaginario del objeto técnico moderno, con el fin de conocer mejor las causas, razones y finalidades que llevaron a los arquitectos modernos a perseguir una arquitectura como objeto técnico. Este Atlas permite relacionar panópticamente los distintos objetos técnicos entre sí, revelando la verdadera importancia y trascendencia de aquéllos y las arquitecturas con las que se relacionan. En él, las arquitecturas vuelven a situarse en el contexto más extenso y complejo de la industria y la historia de la tecnología, al que siempre pertenecieron. De este modo, éstas son capaces de desvelar todo el conocimiento -en forma de información- que portan en su propio código ‘genético’, desplegando capítulos completos de cultura tecnológica, tan antigua como la Humanidad y en constante y creciente evolución. Estructura de la tesis Tras una Introducción en la que se presentan algunos de los conceptos principales que se instrumentalizan en la tesis sobre la ontología Simondoniana del objeto técnico y sobre la transferencia tecnológica aplicada al proyecto de Arquitectura, el texto principal de la tesis consta de tres partes: La primera se dedica a la Imaginación, una segunda parte a la Invención y una tercera a Individuación o evolución del objeto técnico. Se termina con una Discusión de la tesis y un apartado de Conclusiones. En la Introducción al objeto técnico, éste se define ontológicamente y se distinguen sus diferentes categorías (conjuntos técnicos, individuos técnicos y elementos técnicos). Se explica el proceso de génesis del objeto técnico y sus fases de imaginación, invención e individuación. También se presentan los conceptos de transducción, tecnicidad y sistema técnico, fundamentales para entender el concepto de transferencia tecnológica que se desarrollará después. La concretización, explica el modo particular de individuación y evolución de los objetos técnicos, un proceso por el que las diferentes partes de un objeto técnico, se integran y tienden hacia la propia convergencia. Aquí se comprueba la efectividad del concepto simondoniano de Transducción, como señal o información transmitida y transformada, y se relaciona con la Transferencia Tecnológica - un proceso sinergético, por el que un sector industrial se beneficia del desarrollo de otro sector- a la que se han referido explícitamente arquitectos e historiadores para explicar sus obras, durante la Segunda Era de la Máquina, y que es determinante para el desarrollo de la Industria. La transferencia tecnológica sería la transmisión del conjunto de conocimientos sobre la técnica, que incluyen su esfera fáctica, pero también la esfera sensible de la experiencia. En su aplicación a la arquitectura, las transferencias se han clasificado según tres tipos: Eidéticas, Tectónicas, Orgánicas. En la primera parte dedicada a la Imaginación del objeto técnico arquitectónico se realiza una reconstrucción ‘arqueológica’ –y parcial- del imaginario del objeto técnico moderno, con la intención de conocer mejor su génesis y la relación con otros objetos técnicos. Las fuentes de ese imaginario se buscan en las instalaciones de la Industria de principios de siglo XX, en particular en las fábricas de vehículos, con la finalidad de comprobar hasta qué punto, esos objetos técnicos fueron importantes para imaginar la Arquitectura moderna. La reconstrucción se continúa hasta la Segunda Era de la Máquina, cuando una nueva mirada más inquisitiva y precisa, se dirige a otras fábricas, vehículos y componentes, interesándose por sus cualidades materiales y organizativas. Transferencias Eidéticas, que operan desde un conocimiento intuitivo y son útiles para transmitir información sobre la esencia de un objeto técnico que sirve de fuente. Conceptos abstractos se transmiten por medio de las imágenes—objeto, para producir una transformación en su equivalente arquitectónico. Fruto de la investigación, se han detectado un grupo de conceptos que han sido objeto de transferencias tecnológicas de naturaleza eidética, provenientes del imaginario del objeto técnico moderno: FABRICADO, HABITABLE, FUNCIONAL, EFICIENTE, OBSOLESCENTE y BELLO. En la segunda parte dedicada a la Invención del objeto técnico arquitectónico, las transferencias también pueden ser Tectónicas, cuando lo que se transmite es una técnica constructiva o estructural aplicada mediante MATERIALES artificiales (como los metales, los composites como el ferrocemento, y el plywood, o las aleaciones como el aluminio) o mediante el ensamblaje de ESTRUCTURAS o partes componentes de otro objeto técnico, (como cascos, fuselajes, carrocerías o aparejos) y tiene como resultado la invención de un nuevo objeto técnico arquitectónico. En la tercera parte dedicada a la individuación, se abordan las transferencias ORGÁNICAS, lo que se transfiere es una técnica organizativa, aplicada a través de PROCEDIMIENTOS que definen la actividad del arquitecto como tecnólogo e inventor de objetos técnicos. Estos procedimientos tienen un efecto transformador en tres instituciones tradicionales para la Arquitectura: la Escuela, el Estudio y la Obra, y sus resultados se resumen en nuevos modelos de organización de la Educación de la Arquitectura, con la aparición de los Talleres de proyectos; nuevos modelos de organización del ejercicio de arquitecto: la Oficina técnica; nuevos modelos de organización del espacio, basados en la organización espacial de la Industria, que da lugar a patrones o Matrices espaciales; un nuevo modelo de organización del proyecto, que utiliza las herramientas gráficas de la industria y el ensamblaje como metodología; y un nuevo modelo de producción arquitectónica, basado en la Industrialización. Tras explicar los conceptos y la génesis del ensamblaje y el montaje, se presenta el proyecto por ensamblaje (Design by assembly) como un método que promueve la invención arquitectónica. Se demuestra utilizando algunos casos analizados en la tesis, en los que se ha realizado alguna transferencia conceptual, constructiva u organizativa. Tras analizar las arquitecturas estudiadas en la tesis, se ha utilizado el método genético propuesto por Simondon para comprender cada evolución particular, reconstruyendo las líneas genealógicas hasta sus ancestros, e identificando una serie de linajes genéticos, que corresponderían con los conjuntos técnicos estudiados en la tesis: el astillero, la fábrica de coches, y la fábrica de aeronaves: los Ancestros de la Modernidad. Los sistemas de organización espacial de estos conjuntos técnicos, están directamente relacionados con el objeto técnico que se produce en él. A partir de ellos se definen una serie de matrices operativas (MILL, SHOP, SHED), que sirven para hacer una taxonomía del objeto técnico arquitectónico. Esto se ejemplifica con algunos proyectos de Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Nicholas Grimshaw, Jean Kaplicky y Richard Horden. Tesis: Comprobación de la hipótesis Simondon definía ontológicamente el Objeto técnico como aquello de lo que existe génesis y que desarrolla una tendencia hacia la solidaridad y unidad. Para que una Arquitectura pueda ser reconocida como un Objeto técnico, se deben dar una serie de condiciones, en las sucesivas fases que intervienen en su modo de existencia: Imaginación. Estas arquitecturas remiten a un imaginario protagonizado por imágenes-objeto de otros objetos técnicos (conjuntos técnicos, individuos técnicos y elementos técnicos). Esas imágenes-objeto vehiculizan una transferencia eidética de los objetos técnicos que simbolizan. Invención. Estas arquitecturas son el resultado de transferencias tectónicas, que se producen durante el proceso de proyecto, mediante el ensamblaje de materiales, componentes o procedimientos, utilizados en la industria para la producción de otros objetos técnicos. Individuación. Estas arquitecturas evolucionan y se individualizan por concretización, un proceso por el que los objetos técnicos se organizan para seguir su tendencia hacia la integración de sus partes, con el fin de alcanzar la convergencia de funciones en una única estructura. Esta integración tiende hacia la naturalización del objeto técnico, mediante la inclusión simbiótica de sus medios naturales asociados. En este caso, veremos cómo se ha producido transferencias orgánicas, o lo que es lo mismo, cómo los objetos técnicos –en el nivel de los conjuntos técnicos- se han tomado como modelo de organización por la arquitectura. Tras comprobar que de ellas existe una génesis, que evoluciona por las fases de imaginación e invención y concretización, se analiza su imaginario, su materialidad, sus estructuras y su organización, con el fin de detectar patrones y principios organizativos comunes a otros objetos técnicos. Interés de la tesis Desde el comienzo del nuevo siglo, diversos autores han demostrado un renovado interés por definir qué es el proyecto, qué lo constituye para qué sirve. Las aproximaciones al tema provienen de la filosofía analítica (Galle, 2008) o de la filosofía de la tecnología (Verbeek, 2005; Vermaas, 2009) y a menudo versan sobre la relación entre diseño y la cultura material (Dorschel 2003, Boradkar 2010 o Preston 2012). Es importante indicar el reciente y también creciente interés suscitado por la obra del filósofo francés, Gilbert Simondon [1924-1989], reconocida por su importante contribución a la filosofía de la técnica y la fenomenología, y por la influencia en el pensamiento de filósofos como Gilles Deleuze, autor presente en multitud de tesis doctorales e investigaciones teóricas llevadas a cabo en las principales escuelas de Arquitectura de todo el mundo desde los años 90 hasta el presente. La reedición y traducción de la obra de Simondon (ing. 1980, esp. 2008) ha recibido la atención de filósofos actuales como Paolo Virno, Bruno Latour o Bernard Stiegler, que siguen recurriendo a su estudio y análisis para avanzar en su pensamiento, estando por tanto presente en el debate contemporáneo sobre la técnica. Tras su reciente traducción al español, el pensamiento de Simondon ha despertado un gran interés en América Latina, como demuestra la organización de varios congresos y simposios, así como la proliferación de publicaciones en torno a su obra y pensamiento. Las futuras traducciones del resto de sus principales obras, asegurarán una introducción cada vez mayor en la comunidad académica. Se ha procurado presentar una mirada alternativa de la Historia de la Arquitectura Moderna, utilizando como guía a un cronista como Reyner Banham. La Era de la Máquina se ha cruzado con la Mecanología y el “vitalismo técnico” de Simondon, obteniendo como resultado una interpretación fresca, renovada y optimista de algunas de las más importantes obras de Arquitectura del siglo XX, que seguro contribuirán al desarrollo de la del siglo XXI, inmerso ya en el cambio de paradigma hacia la sostenibilidad y la ecología. ABSTRACT 'TRANS architecture. Imagination, invention and technical individuation of the architectural technical object. Technology transfer from the Transport Industry to Architectural Design [1900- 1973]' is a thesis dealing with the relationship between Architecture and the Technical Object during Modernity5. The theme of the thesis revolves around the technical culture, material culture and the history of twentieth-century technology. Hypothesis Held here is the existence of some architectures defined as technical objects. A study has been developed to prove if those architectures share the ontological properties of a technical object. Industry and Architecture The history of Modern Architecture is also the history of modern industry and its facilities, its products and devices, its procedures and production processes. Factories, workshops, steel mills, shipyards, mines, refineries, laboratories, cars, yachts, airplanes, airships, shuttles, space stations, home appliances, personal computers, mobile phones, motors, batteries, turbines, rigs, hulls, chassis, bodies, fuselages , composites and synthetic materials, the assembly line, modular manufacturing, the supply chain, process engineering, the planned obsolescence ... All these technical objects are constantly evolving thanks to the inconsistency of the human imagination and, as our intermediates, keep changing our way of relating and being in the world. Architecture, alike other technical objects, mediates between man and the World. In order to frame the vast field of the research, it has been filtered according to various parameters and qualities of Industry, establishing also a time frame which is related to a particular science-based way of making. The start of an industrial development, based on scientific knowledge is given from the Second Industrial Revolution -by consensus on the last third of the nineteenth century. This frame puts the focus of the thesis in the process of industrialization experienced by the Architecture of at least one century, and tours through Modernity during the first 75 years of the twenieth century. During this time, architects have made transfers of images, techniques, processes and materials from Industry, serving as a source of knowledge and thus allowing Architecture to evolve as a discipline. To reasonably address the enormous scope of the thesis, the industrial sector of transportation has ben chosen. It is not only a historical source of inspiration for architects, but also a traditional source of technology transfer for Modern Architecture. Technical sets such as shipyards, automobile factories or aircraft hangars, technical individuals as boats, cars or planes, and technical elements like the structures shaping and supporting them, are all technical objects which share properties with the architectures here presented. The launch of the moving assembly line in 1913, is instrumentally taken as a first time focus, from which to describe the evolution of many technical objects in the First Machine Age; a second focus could be found in 19586, year of the creation of the North American Space Agency (NASA), serving as a reference to the Second Machine Age. Most architectural technical objects used to test the hypothesis, gravitate around this second focus, in a range of plus or minus 25 years, with a clear intention to synchronize the time for action and time of thought. Architecture and Technical Object Technical objects have always been related to Architecture. In the past, the same technician who planned and oversaw a building structure, invented the devices and machines to carry them out. The foremen were the true 'technology transfer agents' from Industry. Their knowledge naturally related different manufacturing techniques to make diverse technical objects. Brunelleschi invented various cranes to build the dome of Santa Maria dei Fiori in Florence (ca.1461). Probably inspired by the reedition of Vitruvius’ treaty De Architectura (15 BC), whose last chapter was dedicated to the machines of classical Roman architecture and quoted inventors as Archimedes, the florentine architect was the first to patent an invention in 1421: an amphibious craft serving as a means of transportation for Carrara marble along the Arno river. At the daw of the Second Industrial Revolution, whose development was based on the scientific knowledge, we find a primitive modern example of the relationship between Architecture and a Technical Object: The Crystal Palace, built in London for the Great Exhibition of 1851 World Industry and designed by Joseph Paxton, was the largest to date industrialized building, and it will be always associated with the McCormick Reaper, worthy of the Grand Jury’s Prize. Similar characteristics could be emphasized of both technical objects, such as their industrial origin and for being be the complex result of a simple assembly of technical elements. Since then, technological development has experienced a continued acceleration, resulting in an increasing specialization and separation of knowledge about techniques which were naturally attached in the past. This process has happened at the expense of an integrative knowledge and against promiscuity between Industry and Architecture. This is, undoubtedly, an inherent sign of our time, which causes the natural and interest of architects and other technicians about transfers, trans-disciplinarity and inter-disciplinarity, as a reaction to reestablish channels of relationships between these different fields of knowledge. The emergence of technical objects as modern vehicles in the early twentieth century (the car, the Ocean liner, the airship or the airplane) is directly related to the Architecture of the First Machine Age. Modern architects’ fascination for those new ‘inhabitable’ structures has been maintained for over a century, with different intensity and paying attention to one and other technical objets, ranging from the domain of the symbolic value of the vehicles as objectsimages, during heroic period of the First Machine Age, to the more inquisitive glance characterizing the Second Machine Age, which sought a deeper understanding of the organization of such objects and the technical system to which they belonged. The periods immediately following both World Wars, showed a concentrated effort to bring new images of vehicles to the imaginary of architects, by means of publications and exhibitions. The homologous relationship between architectures and vehicles, in their capacity as living structures, is something well known since Le Corbusier used the images of cars, boats and airplanes to illustrate his manifesto, Towards an architecture in 1923. Modern vehicles have been the means by which to convey the concepts eager to transform the traditional attributes of Architecture: those relating to its manufacture, habitability, duration, functionality or aesthetics. The automobile stands out during the 30s and 50s, and the new vehicles of the Space Program satnd in the 60s and 70s. The prior knowledge and documentation of these events were a good indication to identify the industrial sector of Transportation as one of especial importance and as a fertile provider of technology transfer cases for Architecture. The Modern tradition, inaugurated by Le Corbusier in the 20s, has been maintained and defended by a host of modern architects like Albert Frey, Richard Neutra, Ralph Soriano, Charles Eames and Craig Ellwood, whose work - inspired by the legacy of previous technologists as Bucky Fuller or Jean Prouvé- was fundamental and a mandatory reference for the next generation of architects like Cedric Price, Archigram, Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Jean and Richard Horden Kaplicky, among others. They have all contributed to increase the imaginary of the technical object, adding to it their architectural works. In the passage of the thesis, we repeatedly find a number of architects, who have been grouped according to a 'genealogical' structure, which has been called 'Technical Lineage'. Gathered by common interests and similar views or attitudes to the architectural design, understood as a technical object, they have operated through the practice of technology transfer, without limiting itself to specific compositional techniques of the architectural discipline. During the investigation, a selection of explicit references made by those architects, about other technical objects referring to their Architecture, has been compiled, showing constants and variations in their interests throughout the century, which has led to conclusions such as, having technicians sets (zeppelins factories, airships factories, car factories and shipyards) been taken by the architects of the first Modernity, as their main formal, compositional and imaginary models, while the Second Machine Age had taken them as a spatial and organizational model for their architecture. The above mentioned lineage of technologists includes weel-known ‘seed lines’ as: Eiffel- Suchov-Behrens, Gropius-Mies-LeCorbusier- Lods-Prouve, in continental Europe; British branches as Loudon-Paxton-Williams-Stirling- Gowan-Smithsons-Price-Archigram-Foster- Rogers-Piano-Kaplicky-Horden. And we could also find intercontinental connections as Fuller- Eames-Rudolph-Foster-Rogers, or other less predictable ramifications as LeRicolais-Kahn Piano-Kaplicky, or LeCorbusier-Frey-Lacaton & Vassal... Many more would surely deserve to be included in this list, and indeed, the thesis assumes the impossibility of including them all (for practical reasons) and even contemplates possible future extensions. The material included herein is to demonstrate the continuity in the approaches, statements and in the applied architectural design techniques, from which we can draw some conclusions. Today, one hundred years after Ford put up the moving assembly line, we still find this tradition alive in the words of the architect Richard Horden, whose work carries with it –as with the information embedded in every technical element- the whole techncial culture of a modern tradition. Horden is represented here as one of the exponents of what I have called the lineage of technologists. That is why I wanted to conclude the thesis with an interview to Richard Horden, held in May 2015 in his studio in London's Berkeley Square (see Appendices). Guides For the development of this thesis, another thesis, entitled: The mode of existence of technical objects, is taken as the main reference work. Read and published in 1958 by the French philosopher Gilbert Simondon [1924- 1989], it was dedicated to the ontology of the technical object. This work frames the intellectual approach of the thesis, which connects with phenomenology to mobilize a particular vision of Architecture. It is used as a model of ontological analysis to study its genesis, invention and evolutionary processes. To develop these, another work by the same author, titled Imagination and Invention (1965- 1966) has been used as a bibliographical complement. As for the disciplinary historical sources, Reyner P. Banham [1922-1988] and Martin E. Pawley [1938-2008] have been chosen as guides through the modern Architecture of the twentieth century. Their cronical reports on the First and Second Machine Age and their critical works have served as an index from which to reconstruct the imaginary of the modern technical object in the Machine Age7, and to stock up on projects and works of architecture, used as case studies for the thesis. These works have also been used as triggers for other literatures, which has been complementary to the former. Objectives of the Thesis The main objective of the thesis is to prove its hypothesis: if a work of architecture can be considered a technical object and under what conditions, building then a criterion for recognizing when a work of architecture meets the definition of a technical object. Another aim is to demonstrate the importance and power of Technology Transfer in the evolutionary process of Architecture, and to do it, some examples of a methodology for architectural design that Martin Pawley called 'Design by Assembly' are presented. It is also an objective to reconstruct an Atlas of the imaginary of the modern technical object, in order to better understand the causes, reasons and purposes that led modern architects to pursue architecture as a technical object. This Atlas allows to panoptically relate the various technical objects, revealing the true importance and significance of those and the architecture with whom they interact. Architectures are again at the largest and most complex industrial context and the history of technology, which always belonged. Thus, they are able to reveal all the knowledge-in the shape of information-carried in their own 'genetic' code, displaying full chapters of technological culture as old as mankind and constantly growing and evolving. Thesis: Proving the Hypothesis Simondon ontologically defined the technical object as ‘that of which genesis exists’ and that develops ‘a tendency towards solidarity and unity’. For an architecture to be recognized as a technical object, a number of conditions should be given, in the successive phases involved in their mode of existence: Imagination. These architectures refer to an imaginary featuring images-object other technical objects (technical sets, technical individuals and technical elements). These images are the means to an eidetic transfer of the technical objects which they symbolize. Invention. These architectures are the result of tectonic transfers, which occur during the architectural design process, by assembling materials, components or procedures used in industry for the production of other technical objects. Individuation. These architectures evolve and are individualized by ‘concretization’, a process leading to the full integration of its parts and aiming the full convergence of its functions into a single structure. This integration tends towards the naturalization of the technical object, by means of a symbiotic incorporation of their associated milieus. After checking if there is a genesis of them, which evolves through the phases of imagination and invention and concretization, their imaginary, materiality, structure and organization are analyzed in order to detect patterns and common organizational principles to other technical objects counterparts. Structure The main text of the thesis consists of three parts. Before there is an Introduction to the main concepts that are exploited in the thesis on ontology Simondonian technical object, and technology transfer applied to Architecture. Then a first part covers the Imaginary of the modern technical object, a second part is dedicated to the Invention and a third part to the individuation process The thesis ends with a section for the Discussion and the Conclusions. The Introduction to the technical object, this is ontologically defined and its different categories are distinguished. The process of genesis of the technical object and the phases of imagination, invention and indivuation are explained. Concepts as Transduction, Technicality and Technical system are presented for being fundamental to understand the concept of Technology Transfer that will take place later. The concretization is explained as the particular mode of individuation and evolution of technical objects, a process by which the different parts of a technical object, are integrated and begin a tendency towards a convergence in itself. The first part, dedicated to the Imagination of the architectural technical object presents a parcial "archaeological" reconstruction the imaginary of the modern technical object, intended to better understand its genesis and the relationship with other technical objects. The imaginary sources are searched in the premises of the Industry of the early twentieth century, and particularly in the factories of modern vehicles, in order to see, to what extent these technical objects were important to imagine modern architecture. The reconstruction is continued until the Second Machine Age, when a new, more inquisitive and precise gaze turns to other factories, other vehicles and other components and materials, inquiring now about their organizational qualities. The second part is devoted to the Invention of the architectural technical object. The effectiveness of the simondonian concept of Transduction is checked: a transmitted and transformed sign or information, which relates to Technology Transfer, a synergetic process by which an industrial sector benefits from the development of another sector, to which some architects and historians have explicitly referred to explain their works during Machine Age, and which is crucial for the development of the industry. Technology transfer would be the transmission of a set of information or knowledge about technique, including the factual sphere of technique, but also the sensitive sphere of experience. In their application to Architecture, these transfers have been classified according to three types: Eidetic, Tectonic and Organic. Eidetic Transfers operate from an intuitive knowledge and are useful for transmitting information about the essence of the technical object serving as a source. Abstract concepts are transmitted through the object-images to produce an equivalent transformation in Architecture. A group of concepts that have been the subject of technology transfers of eidetic nature, and have been originated in the imaginary of the modern technical object, have been detected as a result of the research: FABRICATED, INHABITABLE, FUNCTIONAL, EFFICIENT, OBSOLESCENT, and BEAUTIFUL. The transfers can also be Tectonic when, that which is transferred is a constructive or structural technique, applied through artificial MATERIALS such as metals, composites as the ferrocement, or plywood, or alloys such as aluminum; or by means of the assembly of STRUCTURES or parts of other technical objects such as hulls, fuselages, car bodies or rigs, resulting in the invention of a new architectural technical object. In the case of ORGANIC transfers, what is transferred is an organizational technique, applied by means of a set of PROCEDURES defining the activity of the architect as a technologist and inventor of technical objects. These procedures have a transformative effect on three traditional institutions for Architecture: the School, the Atelier and the Work, and the results are summarized in new models of organization of the Education of Architecture, with the onset of the Architectural Design Studios or workshops; new models of organization of the practice of architect: the technical office; and new models of space organization, based on the spatial organization of the industry, resulting in spatial patterns or spatial matrices; a new model of organization of the project, which uses graphical tools and industrail protocols as the assembly as a methodology; a new model of architectural production based on the industrialization. After explaining the concepts and the genesis of assembly and montage, Design by assembly is presented as a method that promotes architectural invention, and is shown using some case studies analyzed in the thesis, in which there has been made some conceptual, constructive or organizational transfer. After analyzing the architectures studied in the thesis, genetic method proposed by Simondon was used to understand every particular evolution, reconstructing their genealogical lines up to their ancestors, identifying a series of genetic lineages, which correspond to the technical sets studied in the thesis : the shipyard, the car factory, and aircraft factory. The real ancestors of Modernity. The spatial organization systems of these technical sets are directly related to the technical object that is fabricated within them. From that point, a number of operational matrices are defined (MILL, SHOP, SHED) and used to make a taxonomy of the architectural technical object. This is exemplified by some projects by architects as Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Nicholas Grimshaw, Jean and Richard Horden Kaplicky. Interest of the thesis Since the beginning of the new century, several authors have shown a renewed interest in defining what a project is, how it is constituted and what it is for. The approaches to the subject are brought from analytic philosophy (Galle, 2008) or from the philosophy of technology (Verbeek, 2005; Vermaas, 2009) and they often speak about the relationship between design and material culture (Dorschel 2003, 2010 or Preston Boradkar 2012). It is also important to note the recent and growing interest in the work of French philosopher Gilbert Simondon [1924-1989], mainly known for its important contribution to the philosophy of technology and phenomenology of the technical object, and the influence on the thinking of contemporary philosophers as Paolo Virno, Bruno Latour or Gilles Deleuze, being the latter a author present in many doctoral theses and theoretical research conducted at major architecture schools around the world since the 90s to the present. The republication and translation of the work of Simondon (eng. 1980, spn. 2008) has received the attention from current philosophers such as Bernard Stiegler who continues to use its study and analysis to advance his thinking, thus being present in the contemporary debate about the technique. After its recent translation into Spanish, the thought of Simondon has aroused great interest in Latin America, as evidenced by the organization of various conferences and symposia, as well as the proliferation of publications about his work and thought8. Future translations of the rest of his major works, will ensure increased introduction in the academic community. Efforts have been made to present an alternative view of the History of Modern Architecture, using a reporter as Reyner P.Banham as a guide. The Machine Age intersects Simondon’s mechanology and his "technical vitalism", resulting in a fresh, renewed and optimistic interpretation of some of the most important works of Architecture of the twentieth century, which will surely contribute to the development of this century’s Architecture, already immersed in the paradigm shift towards sustainability and ecology.

Development of a fuzzy control based self-adaptive system for energy saving in constrained networks for the Internet of Things

Las redes del futuro, incluyendo las redes de próxima generación, tienen entre sus objetivos de diseño el control sobre el consumo de energía y la conectividad de la red. Estos objetivos cobran especial relevancia cuando hablamos de redes con capacidades limitadas, como es el caso de las redes de sensores inalámbricos (WSN por sus siglas en inglés). Estas redes se caracterizan por estar formadas por dispositivos de baja o muy baja capacidad de proceso y por depender de baterías para su alimentación. Por tanto la optimización de la energía consumida se hace muy importante. Son muchas las propuestas que se han realizado para optimizar el consumo de energía en este tipo de redes. Quizás las más conocidas son las que se basan en la planificación coordinada de periodos de actividad e inactividad, siendo una de las formas más eficaces para extender el tiempo de vida de las baterías. La propuesta que se presenta en este trabajo se basa en el control de la conectividad mediante una aproximación probabilística. La idea subyacente es que se puede esperar que una red mantenga la conectividad si todos sus nodos tienen al menos un número determinado de vecinos. Empleando algún mecanismo que mantenga ese número, se espera que se pueda mantener la conectividad con un consumo energético menor que si se empleara una potencia de transmisión fija que garantizara una conectividad similar. Para que el mecanismo sea eficiente debe tener la menor huella posible en los dispositivos donde se vaya a emplear. Por eso se propone el uso de un sistema auto-adaptativo basado en control mediante lógica borrosa. En este trabajo se ha diseñado e implementado el sistema descrito, y se ha probado en un despliegue real confirmando que efectivamente existen configuraciones posibles que permiten mantener la conectividad ahorrando energía con respecto al uso de una potencia de transmisión fija. ABSTRACT. Among the design goals for future networks, including next generation networks, we can find the energy consumption and the connectivity. These two goals are of special relevance when dealing with constrained networks. That is the case of Wireless Sensors Networks (WSN). These networks consist of devices with low or very low processing capabilities. They also depend on batteries for their operation. Thus energy optimization becomes a very important issue. Several proposals have been made for optimizing the energy consumption in this kind of networks. Perhaps the best known are those based on the coordinated planning of active and sleep intervals. They are indeed one of the most effective ways to extend the lifetime of the batteries. The proposal presented in this work uses a probabilistic approach to control the connectivity of a network. The underlying idea is that it is highly probable that the network will have a good connectivity if all the nodes have a minimum number of neighbors. By using some mechanism to reach that number, we hope that we can preserve the connectivity with a lower energy consumption compared to the required one if a fixed transmission power is used to achieve a similar connectivity. The mechanism must have the smallest footprint possible on the devices being used in order to be efficient. Therefore a fuzzy control based self-adaptive system is proposed. This work includes the design and implementation of the described system. It also has been validated in a real scenario deployment. We have obtained results supporting that there exist configurations where it is possible to get a good connectivity saving energy when compared to the use of a fixed transmission power for a similar connectivity.

Ultra high temperature latent heat energy storage and thermophotovoltaic energy conversion

A conceptual energy storage system design that utilizes ultra high temperature phase change materials is presented. In this system, the energy is stored in the form of latent heat and converted to electricity upon demand by TPV (thermophotovoltaic) cells. Silicon is considered in this study as PCM (phase change material) due to its extremely high latent heat (1800 J/g or 500 Wh/kg), melting point (1410 C), thermal conductivity (~25 W/mK), low cost (less than $2/kg or $4/kWh) and abundance on earth. The proposed system enables an enormous thermal energy storage density of ~1 MWh/m3, which is 10e20 times higher than that of lead-acid batteries, 2e6 times than that of Li-ion batteries and 5e10 times than that of the current state of the art LHTES systems utilized in CSP (concentrated solar power) applications. The discharge efficiency of the system is ultimately determined by the TPV converter, which theoretically can exceed 50%. However, realistic discharge efficiencies utilizing single junction TPV cells are in the range of 20e45%, depending on the semiconductor bandgap and quality, and the photon recycling efficiency. This concept has the potential to achieve output electric energy densities in the range of 200-450 kWhe/m3, which is comparable to the best performing state of the art Lithium-ion batteries.

Estudio, ensamblaje, caracterización y ensayos de dos modelos reales de RPA

Un dron o un RPA (del inglés, Remote Piloted Aircraft) es un vehículo aéreo no tripulado capaz de despegar, volar y aterrizar de forma autónoma, semiautónoma o manual, siempre con control remoto. Además, toda aeronave de estas características debe ser capaz de mantener un nivel de vuelo controlado y sostenido. A lo largo de los años, estos aparatos han ido evolución tanto en aplicaciones como en su estética y características físicas, siempre impulsado por los requerimientos militares en cada momento. Gracias a este desarrollo, hoy en día los drones son uno más en la sociedad y desempeñan tareas que para cualquier ser humano serían peligrosas o difíciles de llevar a cabo. Debido a la reciente proliferación de los RPA, los gobiernos de los distintos países se han visto obligados a redactar nuevas leyes y/o modificar las ya existentes en relación a los diferentes usos del espacio aéreo para promover la convivencia de estas aeronaves con el resto de vehículos aéreos. El objeto principal de este proyecto es ensamblar, caracterizar y configurar dos modelos reales de dron: el DJI F450 y el TAROT t810. Para conseguir un montaje apropiado a las aplicaciones posteriores que se les va a dar, antes de su construcción se ha realizado un estudio individualizado en detalle de cada una de las partes y módulos que componen estos vehículos. Adicionalmente, se ha investigado acerca de los distintos tipos de sistemas de transmisión de control remoto, vídeo y telemetría, sin dejar de lado las baterías que impulsarán al aparato durante sus vuelos. De este modo, es sabido que los RPA están compuestos por distintos módulos operativos: los principales, todo aquel módulo para que el aparato pueda volar, y los complementarios, que son aquellos que dotan a cada aeronave de características adicionales y personalizadas que lo hacen apto para diferentes usos. A lo largo de este proyecto se han instalado y probado diferentes módulos adicionales en cada uno de los drones, además de estar ambos constituidos por distintos bloques principales, incluyendo el controlador principal: NAZA-M Lite instalado en el dron DJI F450 y NAZA-M V2 incorporado en el TAROT t810. De esta forma se ha podido establecer una comparativa real acerca del comportamiento de éstos, tanto de forma conjunta como de ambos controladores individualmente. Tras la evaluación experimental obtenida tras diversas pruebas de vuelo, se puede concluir que ambos modelos de controladores se ajustan a las necesidades demandadas por el proyecto y sus futuras aplicaciones, siendo más apropiada la elección del modelo M Lite por motivos estrictamente económicos, ya que su comportamiento en entornos recreativos es similar al modelo M V2. ABSTRACT. A drone or RPA (Remote Piloted Aircraft) is an unmanned aerial vehicle that is able to take off, to fly and to land autonomously, semi-autonomously or manually, always connected via remote control. In addition, these aircrafts must be able to keep a controlled and sustained flight level. Over the years, the applications for these devices have evolved as much as their aesthetics and physical features both boosted by the military needs along time. Thanks to this development, nowadays drones are part of our society, executing tasks potentially dangerous or difficult to complete by humans. Due to the recent proliferation of RPA, governments worldwide have been forced to draft legislation and/or modify the existing ones about the different uses of the aerial space to promote the cohabitation of these aircrafts with the rest of the aerial vehicles. The main objective of this project is to assemble, to characterize and to set-up two real drone models: DJI F450 and TAROT t810. Before constructing the vehicles, a detailed study of each part and module that composes them has been carried out, in order to get an appropriate structure for their expected uses. Additionally, the different kinds of remote control, video and telemetry transmission systems have been investigated, including the batteries that will power the aircrafts during their flights. RPA are made of several operative modules: main modules, i.e. those which make the aircraft fly, and complementary modules, that customize each aircraft and equip them with additional features, making them suitable for a particular use. Along this project, several complementary modules for each drone have been installed and tested. Furthermore, both are built from different main units, including the main controller: NAZA-M Lite installed on DJI F450 and NAZA-M V2 on board of TAROT t810. This way, it has been possible to establish an accurate comparison, related to the performance of both models, not only jointly but individually as well. After several flight tests and an experimental evaluation, it can be concluded that both main controller models are suitable for the requirements fixed for the project and the future applications, being more appropriate to choose the M Lite model strictly due to economic reasons, as its performance in recreational environment is similar to the M V2.

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.

Analysis and Design Considerations of an Electric Vehicle Powertrain regarding Energy Efficiency and Magnetic Field Exposure

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.