Enhancing regression models for complex systems using evolutionary techniques for feature engineering

This work proposes an automatic methodology for modeling complex systems. Our methodology is based on the combination of Grammatical Evolution and classical regression to obtain an optimal set of features that take part of a linear and convex model. This technique provides both Feature Engineering and Symbolic Regression in order to infer accurate models with no effort or designer's expertise requirements. As advanced Cloud services are becoming mainstream, the contribution of data centers in the overall power consumption of modern cities is growing dramatically. These facilities consume from 10 to 100 times more power per square foot than typical office buildings. Modeling the power consumption for these infrastructures is crucial to anticipate the effects of aggressive optimization policies, but accurate and fast power modeling is a complex challenge for high-end servers not yet satisfied by analytical approaches. For this case study, our methodology minimizes error in power prediction. This work has been tested using real Cloud applications resulting on an average error in power estimation of 3.98%. Our work improves the possibilities of deriving Cloud energy efficient policies in Cloud data centers being applicable to other computing environments with similar characteristics.

Improving engineering students' communication competence: designing innovative learning strategies

This research presents an innovative and formal educational initiative that is aimed at enhancing the development of engineering students’ specific competencies when studying Engineering Project Management subject. The framework of the experience combines theoretical concepts, the development of a real-case project carried out by multidisciplinary groups of three different universities, the use of software web 2.0 tools, and group and individual assignments of students that play different roles (project managers and team members). Under this scenario, this paper focuses on monitoring the communication competence in the ever growing Project Management virtual environment. Factors such as corporal language, technical means, stage, and management specific vocabulary among others have been considered in order to assess the students’ performance on this issue. As a main contribution, the paper introduces an ad-hoc rubric that, based on previous investigations, has been adapted and tested to this specific context. Additionally, the research conducted has provided some interesting findings that suggest further actions to improve and better define future rubrics, oriented to communication or even other competencies. As specific Project Management subject concerns, it has been detected that students playing the role of Project Managers strengthen their competencies more than those ones that play the role of Team Members. It has also been detected that students have more difficulty assimilating concepts related to risk and quality management. However those concepts related with areas of knowledge like scope, time or cost have been better assimilated by the students.

Corporate social responsibility in portfolio selection: A "goal games" against nature approach

Nowadays, there is an uprising social pressure on big companies to incorporate into their decision-making process elements of the so-called social responsibility. Among the many implications of this fact, one relevant one is the need to include this new element in classic portfolio selection models. This paper meets this challenge by formulating a model that combines goal programming with "goal games" against nature in a scenario where the social responsibility is defined through the introduction of a battery of sustainability indicators amalgamated into a synthetic index. In this way, we have obtained an efficient model that only implies solving a small number of linear programming problems. The proposed approach has been tested and illustrated by using a case study related to the selection of securities in international markets.

Integrated approach to foreign language in the building engineering degree at the Universidad Politécnica Madrid

The European Union has been promoting linguistic diversity for many years as one of its main educational goals. This is an element that facilitates student mobility and student exchanges between different universities and countries and enriches the education of young undergraduates. In particular,a higher degree of competence in the English language is becoming essential for engineers, architects and researchers in general, as English has become the lingua franca that opens up horizons to internationalisation and the transfer of knowledge in today’s world. Many experts point to the Integrated Approach to Contents and Foreign Languages System as being an option that has certain benefits over the traditional method of teaching a second language that is exclusively based on specific subjects. This system advocates teaching the different subjects in the syllabus in a language other than one’s mother tongue, without prioritising knowledge of the language over the subject. This was the idea that in the 2009/10 academic year gave rise to the Second Language Integration Programme (SLI Programme) at the Escuela Arquitectura Tecnica in the Universidad Politecnica Madrid (EUATM-UPM), just at the beginning of the tuition of the new Building Engineering Degree, which had been adapted to the European Higher Education Area (EHEA) model. This programme is an interdisciplinary initiative for the set of subjects taught during the semester and is coordinated through the Assistant Director Office for Educational Innovation. The SLI Programme has a dual goal; to familiarise students with the specific English terminology of the subject being taught, and at the same time improve their communication skills in English. A total of thirty lecturers are taking part in the teaching of eleven first year subjects and twelve in the second year, with around 120 students who have voluntarily enrolled in a special group in each semester. During the 2010/2011 academic year the degree of acceptance and the results of the SLI Programme are being monitored. Tools have been designed to aid interdisciplinary coordination and to analyse satisfaction, such as coordination records and surveys. The results currently available refer to the first semester of the year and are divided into specific aspects of the different subjects involved and into general aspects of the ongoing experience.

Emotions and the Engineering of Adaptiveness in Complex Systems

A major challenge in the engineering of complex and critical systems is the management of change, both in the system and in its operational environment. Due to the growing of complexity in systems, new approaches on autonomy must be able to detect critical changes and avoid their progress towards undesirable states. We are searching for methods to build systems that can tune the adaptability protocols. New mechanisms that use system-wellness requirements to reduce the influence of the outer domain and transfer the control of uncertainly to the inner one. Under the view of cognitive systems, biological emotions suggests a strategy to configure value-based systems to use semantic self-representations of the state. A method inspired by emotion theories to causally connect to the inner domain of the system and its objectives of wellness, focusing on dynamically adapting the system to avoid the progress of critical states. This method shall endow the system with a transversal mechanism to monitor its inner processes, detecting critical states and managing its adaptivity in order to maintain the wellness goals. The paper describes the current vision produced by this work-in-progress.

Strengthening and measuring project management competences of engineering students

Since 2010 the Industrial Engineering School at Universidad Politécnica de Madrid (ETSII UPM) has its Plan Study accredited by ABET. Since then a big motivation has been promoted from the management team encouraging teachers to work on the measurement and strengthening of student¿s competences. Generic skills or behavior acquired significant importance in the workplace, particularly in relation to project management. Because of this, and framed within the requirements of the European Higher Education Area (EHEA), the curriculum of the new degrees are being developed under the competence-based learning. This situation leads to the need to have a clear measurement tool skills as a basis for developing them within the curriculum. A group of multidisciplinary teachers have been working together during two years to design measuring instruments valid for engineering students.

PRISMA: Model-driven development of aspect-oriented software architectures

This summary presents a methodology for supporting the development of AOSAs following the MDD paradigm. This new methodology is called PRISMA and allows the code generation from models which specify functional and non-functional requirements.

Histograms of oriented gradients for fast on-board vehicle verification

Histograms of Oriented Gradients (HoGs) provide excellent results in object detection and verification. However, their demanding processing requirements bound their applicability in some critical real-time scenarios, such as for video-based on-board vehicle detection systems. In this work, an efficient HOG configuration for pose-based on-board vehicle verification is proposed, which alleviates both the processing requirements and required feature vector length without reducing classification performance. The impact on classification of some critical configuration and processing parameters is in depth analyzed to propose a baseline efficient descriptor. Based on the analysis of its cells contribution to classification, new view-dependent cell-configuration patterns are proposed, resulting in reduced descriptors which provide an excellent balance between performance and computational requirements, rendering higher verification rates than other works in the literature.

A framework for mixed-criticality partitioned real-time embedded systems

Los sistemas empotrados son cada día más comunes y complejos, de modo que encontrar procesos seguros, eficaces y baratos de desarrollo software dirigidos específicamente a esta clase de sistemas es más necesario que nunca. A diferencia de lo que ocurría hasta hace poco, en la actualidad los avances tecnológicos en el campo de los microprocesadores de los últimos tiempos permiten el desarrollo de equipos con prestaciones más que suficientes para ejecutar varios sistemas software en una única máquina. Además, hay sistemas empotrados con requisitos de seguridad (safety) de cuyo correcto funcionamiento depende la vida de muchas personas y/o grandes inversiones económicas. Estos sistemas software se diseñan e implementan de acuerdo con unos estándares de desarrollo software muy estrictos y exigentes. En algunos casos puede ser necesaria también la certificación del software. Para estos casos, los sistemas con criticidades mixtas pueden ser una alternativa muy valiosa. En esta clase de sistemas, aplicaciones con diferentes niveles de criticidad se ejecutan en el mismo computador. Sin embargo, a menudo es necesario certificar el sistema entero con el nivel de criticidad de la aplicación más crítica, lo que hace que los costes se disparen. La virtualización se ha postulado como una tecnología muy interesante para contener esos costes. Esta tecnología permite que un conjunto de máquinas virtuales o particiones ejecuten las aplicaciones con unos niveles de aislamiento tanto temporal como espacial muy altos. Esto, a su vez, permite que cada partición pueda ser certificada independientemente. Para el desarrollo de sistemas particionados con criticidades mixtas se necesita actualizar los modelos de desarrollo software tradicionales, pues estos no cubren ni las nuevas actividades ni los nuevos roles que se requieren en el desarrollo de estos sistemas. Por ejemplo, el integrador del sistema debe definir las particiones o el desarrollador de aplicaciones debe tener en cuenta las características de la partición donde su aplicación va a ejecutar. Tradicionalmente, en el desarrollo de sistemas empotrados, el modelo en V ha tenido una especial relevancia. Por ello, este modelo ha sido adaptado para tener en cuenta escenarios tales como el desarrollo en paralelo de aplicaciones o la incorporación de una nueva partición a un sistema ya existente. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar la tecnología actual de desarrollo de sistemas particionados con criticidades mixtas. Para ello, se ha diseñado e implementado un entorno dirigido específicamente a facilitar y mejorar los procesos de desarrollo de esta clase de sistemas. En concreto, se ha creado un algoritmo que genera el particionado del sistema automáticamente. En el entorno de desarrollo propuesto, se han integrado todas las actividades necesarias para desarrollo de un sistema particionado, incluidos los nuevos roles y actividades mencionados anteriormente. Además, el diseño del entorno de desarrollo se ha basado en la ingeniería guiada por modelos (Model-Driven Engineering), la cual promueve el uso de los modelos como elementos fundamentales en el proceso de desarrollo. Así pues, se proporcionan las herramientas necesarias para modelar y particionar el sistema, así como para validar los resultados y generar los artefactos necesarios para el compilado, construcción y despliegue del mismo. Además, en el diseño del entorno de desarrollo, la extensión e integración del mismo con herramientas de validación ha sido un factor clave. En concreto, se pueden incorporar al entorno de desarrollo nuevos requisitos no-funcionales, la generación de nuevos artefactos tales como documentación o diferentes lenguajes de programación, etc. Una parte clave del entorno de desarrollo es el algoritmo de particionado. Este algoritmo se ha diseñado para ser independiente de los requisitos de las aplicaciones así como para permitir al integrador del sistema implementar nuevos requisitos del sistema. Para lograr esta independencia, se han definido las restricciones al particionado. El algoritmo garantiza que dichas restricciones se cumplirán en el sistema particionado que resulte de su ejecución. Las restricciones al particionado se han diseñado con una capacidad expresiva suficiente para que, con un pequeño grupo de ellas, se puedan expresar la mayor parte de los requisitos no-funcionales más comunes. Las restricciones pueden ser definidas manualmente por el integrador del sistema o bien pueden ser generadas automáticamente por una herramienta a partir de los requisitos funcionales y no-funcionales de una aplicación. El algoritmo de particionado toma como entradas los modelos y las restricciones al particionado del sistema. Tras la ejecución y como resultado, se genera un modelo de despliegue en el que se definen las particiones que son necesarias para el particionado del sistema. A su vez, cada partición define qué aplicaciones deben ejecutar en ella así como los recursos que necesita la partición para ejecutar correctamente. El problema del particionado y las restricciones al particionado se modelan matemáticamente a través de grafos coloreados. En dichos grafos, un coloreado propio de los vértices representa un particionado del sistema correcto. El algoritmo se ha diseñado también para que, si es necesario, sea posible obtener particionados alternativos al inicialmente propuesto. El entorno de desarrollo, incluyendo el algoritmo de particionado, se ha probado con éxito en dos casos de uso industriales: el satélite UPMSat-2 y un demostrador del sistema de control de una turbina eólica. Además, el algoritmo se ha validado mediante la ejecución de numerosos escenarios sintéticos, incluyendo algunos muy complejos, de más de 500 aplicaciones. ABSTRACT The importance of embedded software is growing as it is required for a large number of systems. Devising cheap, efficient and reliable development processes for embedded systems is thus a notable challenge nowadays. Computer processing power is continuously increasing, and as a result, it is currently possible to integrate complex systems in a single processor, which was not feasible a few years ago.Embedded systems may have safety critical requirements. Its failure may result in personal or substantial economical loss. The development of these systems requires stringent development processes that are usually defined by suitable standards. In some cases their certification is also necessary. This scenario fosters the use of mixed-criticality systems in which applications of different criticality levels must coexist in a single system. In these cases, it is usually necessary to certify the whole system, including non-critical applications, which is costly. Virtualization emerges as an enabling technology used for dealing with this problem. The system is structured as a set of partitions, or virtual machines, that can be executed with temporal and spatial isolation. In this way, applications can be developed and certified independently. The development of MCPS (Mixed-Criticality Partitioned Systems) requires additional roles and activities that traditional systems do not require. The system integrator has to define system partitions. Application development has to consider the characteristics of the partition to which it is allocated. In addition, traditional software process models have to be adapted to this scenario. The V-model is commonly used in embedded systems development. It can be adapted to the development of MCPS by enabling the parallel development of applications or adding an additional partition to an existing system. The objective of this PhD is to improve the available technology for MCPS development by providing a framework tailored to the development of this type of system and by defining a flexible and efficient algorithm for automatically generating system partitionings. The goal of the framework is to integrate all the activities required for developing MCPS and to support the different roles involved in this process. The framework is based on MDE (Model-Driven Engineering), which emphasizes the use of models in the development process. The framework provides basic means for modeling the system, generating system partitions, validating the system and generating final artifacts. The framework has been designed to facilitate its extension and the integration of external validation tools. In particular, it can be extended by adding support for additional non-functional requirements and support for final artifacts, such as new programming languages or additional documentation. The framework includes a novel partitioning algorithm. It has been designed to be independent of the types of applications requirements and also to enable the system integrator to tailor the partitioning to the specific requirements of a system. This independence is achieved by defining partitioning constraints that must be met by the resulting partitioning. They have sufficient expressive capacity to state the most common constraints and can be defined manually by the system integrator or generated automatically based on functional and non-functional requirements of the applications. The partitioning algorithm uses system models and partitioning constraints as its inputs. It generates a deployment model that is composed by a set of partitions. Each partition is in turn composed of a set of allocated applications and assigned resources. The partitioning problem, including applications and constraints, is modeled as a colored graph. A valid partitioning is a proper vertex coloring. A specially designed algorithm generates this coloring and is able to provide alternative partitions if required. The framework, including the partitioning algorithm, has been successfully used in the development of two industrial use cases: the UPMSat-2 satellite and the control system of a wind-power turbine. The partitioning algorithm has been successfully validated by using a large number of synthetic loads, including complex scenarios with more that 500 applications.

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

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

Laboratorios virtuales y docencia de la automática en la formación tecnológica de base

Recientemente, ha surgido un interés por aprender a programar, debido a las oportunidades profesionales que da este tipo de estudios universitarios. Es fácil de entender porque el número de trabajos para programadores e ingenieros informáticos está creciendo rápidamente. Por otro lado, un amplio grupo de psicólogos opinan que el pensamiento computacional es una destreza fundamental para cualquiera, no sólo para los ingenieros informáticos. Para leer, escribir y realizar operaciones aritméticas, deberíamos utilizar el pensamiento computacional y por lo tanto, para desarrollar todas las habilidades analíticas de los niños. Es necesario cambiar los requerimientos de las destrezas necesarias para trabajar, los nuevos trabajadores necesitarán destrezas más sofisticadas en ciencias, matemáticas, ingeniería y tecnología. Consecuentemente, los contenidos sobre Tecnología de la Información tales como electrónica, programación, robótica y control se incrementan en la educación tecnológica en enseñanza secundaria. El desarrollo y utilización de los Laboratorios Virtuales de Control y Robótica ayuda a alcanzar este objetivo. Nos vamos a centrar en control y robótica porque un proyecto de control y robótica incluye contenidos de otras tecnologías tales como electrónica, programación, … Se ha implementado un sitio web con Laboratorios Virtuales de Control y Robótica. En este trabajo, se muestran seis grupos de laboratorios virtuales para la enseñanza del control y la robótica a niveles preuniversitarios. Estos laboratorios virtuales han sido usados para la docencia de alumnos de enseñanza secundaria. Las estadísticas del proceso de enseñanza-aprendizaje permiten validar ciertos aspectos de dicho trabajo. Se describen dichos laboratorios y la mejora del aprendizaje en cuanto a conocimientos procedimentales y conceptuales, así como la mejora de la interactividad respecto al aprendizaje con análogas aplicaciones con objetivos de aprendizaje idénticos, pero careciendo de la componente de laboratorio virtual. Se explican algunas de las experiencias realizadas con los alumnos. Los resultados sugieren, que dentro de la educación tecnológica de la educación secundaria, los laboratorios virtuales pueden ser explotados como un efectivo y motivacional entorno de aprendizaje. ABSTRACT Recently, there has been a surge of interest in learning to code, focusing especially on career opportunities. It is easy to understand why: the number of jobs for programmers and computer scientists is growing rapidly. On the other hand, the psychologists think that computational thinking is a fundamental skill for everyone, not just for computer scientists. To reading, writing, and arithmetic, we should add computational thinking to every child’s analytical ability. It is necessary to change workforce requirements mean that new workers will need ever more sophisticated skills in science, mathematics, engineering and technology. Consequently, the contents about Information Technology as well as electronics, coding, robotics and control increase in Technology Education in High School . The development and utilization of the Virtual Laboratories of Control and Robotics help to achieve this goal. We focus on control and robotics because a control and robotics project includes other technologies contents like electronics, coding,... A web site with Virtual Laboratories of Control and Robotics was implemented. In this work, six groups of virtual laboratories for teaching control and robotics in preuniversity level are shown. These Virtual Laboratories were used for teaching students at high school. The statistics of teaching-learning process allow to check some issues of this work. The laboratories, the improvement of learning (concepts and procedures) and interactivity are described and are compared to similar applications. They share identical learning objectives but they lack the virtual laboratory aspect. Some experiences with students are explained too. The results suggest that within high school technology education, virtual laboratories can be exploited as effective and motivational learning environments.

Co-simulation Methodologies for Hybrid and Electric Vehicle Dynamics

In recent decades, full electric and hybrid electric vehicles have emerged as an alternative to conventional cars due to a range of factors, including environmental and economic aspects. These vehicles are the result of considerable efforts to seek ways of reducing the use of fossil fuel for vehicle propulsion. Sophisticated technologies such as hybrid and electric powertrains require careful study and optimization. Mathematical models play a key role at this point. Currently, many advanced mathematical analysis tools, as well as computer applications have been built for vehicle simulation purposes. Given the great interest of hybrid and electric powertrains, along with the increasing importance of reliable computer-based models, the author decided to integrate both aspects in the research purpose of this work. Furthermore, this is one of the first final degree projects held at the ETSII (Higher Technical School of Industrial Engineers) that covers the study of hybrid and electric propulsion systems. The present project is based on MBS3D 2.0, a specialized software for the dynamic simulation of multibody systems developed at the UPM Institute of Automobile Research (INSIA). Automobiles are a clear example of complex multibody systems, which are present in nearly every field of engineering. The work presented here benefits from the availability of MBS3D software. This program has proven to be a very efficient tool, with a highly developed underlying mathematical formulation. On this basis, the focus of this project is the extension of MBS3D features in order to be able to perform dynamic simulations of hybrid and electric vehicle models. This requires the joint simulation of the mechanical model of the vehicle, together with the model of the hybrid or electric powertrain. These sub-models belong to completely different physical domains. In fact the powertrain consists of energy storage systems, electrical machines and power electronics, connected to purely mechanical components (wheels, suspension, transmission, clutch…). The challenge today is to create a global vehicle model that is valid for computer simulation. Therefore, the main goal of this project is to apply co-simulation methodologies to a comprehensive model of an electric vehicle, where sub-models from different areas of engineering are coupled. The created electric vehicle (EV) model consists of a separately excited DC electric motor, a Li-ion battery pack, a DC/DC chopper converter and a multibody vehicle model. Co-simulation techniques allow car designers to simulate complex vehicle architectures and behaviors, which are usually difficult to implement in a real environment due to safety and/or economic reasons. In addition, multi-domain computational models help to detect the effects of different driving patterns and parameters and improve the models in a fast and effective way. Automotive designers can greatly benefit from a multidisciplinary approach of new hybrid and electric vehicles. In this case, the global electric vehicle model includes an electrical subsystem and a mechanical subsystem. The electrical subsystem consists of three basic components: electric motor, battery pack and power converter. A modular representation is used for building the dynamic model of the vehicle drivetrain. This means that every component of the drivetrain (submodule) is modeled separately and has its own general dynamic model, with clearly defined inputs and outputs. Then, all the particular submodules are assembled according to the drivetrain configuration and, in this way, the power flow across the components is completely determined. Dynamic models of electrical components are often based on equivalent circuits, where Kirchhoff’s voltage and current laws are applied to draw the algebraic and differential equations. Here, Randles circuit is used for dynamic modeling of the battery and the electric motor is modeled through the analysis of the equivalent circuit of a separately excited DC motor, where the power converter is included. The mechanical subsystem is defined by MBS3D equations. These equations consider the position, velocity and acceleration of all the bodies comprising the vehicle multibody system. MBS3D 2.0 is entirely written in MATLAB and the structure of the program has been thoroughly studied and understood by the author. MBS3D software is adapted according to the requirements of the applied co-simulation method. Some of the core functions are modified, such as integrator and graphics, and several auxiliary functions are added in order to compute the mathematical model of the electrical components. By coupling and co-simulating both subsystems, it is possible to evaluate the dynamic interaction among all the components of the drivetrain. ‘Tight-coupling’ method is used to cosimulate the sub-models. This approach integrates all subsystems simultaneously and the results of the integration are exchanged by function-call. This means that the integration is done jointly for the mechanical and the electrical subsystem, under a single integrator and then, the speed of integration is determined by the slower subsystem. Simulations are then used to show the performance of the developed EV model. However, this project focuses more on the validation of the computational and mathematical tool for electric and hybrid vehicle simulation. For this purpose, a detailed study and comparison of different integrators within the MATLAB environment is done. Consequently, the main efforts are directed towards the implementation of co-simulation techniques in MBS3D software. In this regard, it is not intended to create an extremely precise EV model in terms of real vehicle performance, although an acceptable level of accuracy is achieved. The gap between the EV model and the real system is filled, in a way, by introducing the gas and brake pedals input, which reflects the actual driver behavior. This input is included directly in the differential equations of the model, and determines the amount of current provided to the electric motor. For a separately excited DC motor, the rotor current is proportional to the traction torque delivered to the car wheels. Therefore, as it occurs in the case of real vehicle models, the propulsion torque in the mathematical model is controlled through acceleration and brake pedal commands. The designed transmission system also includes a reduction gear that adapts the torque coming for the motor drive and transfers it. The main contribution of this project is, therefore, the implementation of a new calculation path for the wheel torques, based on performance characteristics and outputs of the electric powertrain model. Originally, the wheel traction and braking torques were input to MBS3D through a vector directly computed by the user in a MATLAB script. Now, they are calculated as a function of the motor current which, in turn, depends on the current provided by the battery pack across the DC/DC chopper converter. The motor and battery currents and voltages are the solutions of the electrical ODE (Ordinary Differential Equation) system coupled to the multibody system. Simultaneously, the outputs of MBS3D model are the position, velocity and acceleration of the vehicle at all times. The motor shaft speed is computed from the output vehicle speed considering the wheel radius, the gear reduction ratio and the transmission efficiency. This motor shaft speed, somehow available from MBS3D model, is then introduced in the differential equations corresponding to the electrical subsystem. In this way, MBS3D and the electrical powertrain model are interconnected and both subsystems exchange values resulting as expected with tight-coupling approach.When programming mathematical models of complex systems, code optimization is a key step in the process. A way to improve the overall performance of the integration, making use of C/C++ as an alternative programming language, is described and implemented. Although this entails a higher computational burden, it leads to important advantages regarding cosimulation speed and stability. In order to do this, it is necessary to integrate MATLAB with another integrated development environment (IDE), where C/C++ code can be generated and executed. In this project, C/C++ files are programmed in Microsoft Visual Studio and the interface between both IDEs is created by building C/C++ MEX file functions. These programs contain functions or subroutines that can be dynamically linked and executed from MATLAB. This process achieves reductions in simulation time up to two orders of magnitude. The tests performed with different integrators, also reveal the stiff character of the differential equations corresponding to the electrical subsystem, and allow the improvement of the cosimulation process. When varying the parameters of the integration and/or the initial conditions of the problem, the solutions of the system of equations show better dynamic response and stability, depending on the integrator used. Several integrators, with variable and non-variable step-size, and for stiff and non-stiff problems are applied to the coupled ODE system. Then, the results are analyzed, compared and discussed. From all the above, the project can be divided into four main parts: 1. Creation of the equation-based electric vehicle model; 2. Programming, simulation and adjustment of the electric vehicle model; 3. Application of co-simulation methodologies to MBS3D and the electric powertrain subsystem; and 4. Code optimization and study of different integrators. Additionally, in order to deeply understand the context of the project, the first chapters include an introduction to basic vehicle dynamics, current classification of hybrid and electric vehicles and an explanation of the involved technologies such as brake energy regeneration, electric and non-electric propulsion systems for EVs and HEVs (hybrid electric vehicles) and their control strategies. Later, the problem of dynamic modeling of hybrid and electric vehicles is discussed. The integrated development environment and the simulation tool are also briefly described. The core chapters include an explanation of the major co-simulation methodologies and how they have been programmed and applied to the electric powertrain model together with the multibody system dynamic model. Finally, the last chapters summarize the main results and conclusions of the project and propose further research topics. In conclusion, co-simulation methodologies are applicable within the integrated development environments MATLAB and Visual Studio, and the simulation tool MBS3D 2.0, where equation-based models of multidisciplinary subsystems, consisting of mechanical and electrical components, are coupled and integrated in a very efficient way.

Proposal of a trust and reputation model to provide recommendation in open quality oriented environments

El auge y penetración de las nuevas tecnologías junto con la llamada Web Social están cambiando la forma en la que accedemos a la medicina. Cada vez más pacientes y profesionales de la medicina están creando y consumiendo recursos digitales de contenido clínico a través de Internet, surgiendo el problema de cómo asegurar la fiabilidad de estos recursos. Además, un nuevo concepto está apareciendo, el de pervasive healthcare o sanidad ubicua, motivado por pacientes que demandan un acceso a los servicios sanitarios en todo momento y en todo lugar. Este nuevo escenario lleva aparejado un problema de confianza en los proveedores de servicios sanitarios. Las plataformas de eLearning se están erigiendo como paradigma de esta nueva Medicina 2.0 ya que proveen un servicio abierto a la vez que controlado/supervisado a recursos digitales, y facilitan las interacciones y consultas entre usuarios, suponiendo una buena aproximación para esta sanidad ubicua. En estos entornos los problemas de fiabilidad y confianza pueden ser solventados mediante la implementación de mecanismos de recomendación de recursos y personas de manera confiable. Tradicionalmente las plataformas de eLearning ya cuentan con mecanismos de recomendación, si bien están más enfocados a la recomendación de recursos. Para la recomendación de usuarios es necesario acudir a mecanismos más elaborados como son los sistemas de confianza y reputación (trust and reputation) En ambos casos, tanto la recomendación de recursos como el cálculo de la reputación de los usuarios se realiza teniendo en cuenta criterios principalmente subjetivos como son las opiniones de los usuarios. En esta tesis doctoral proponemos un nuevo modelo de confianza y reputación que combina evaluaciones automáticas de los recursos digitales en una plataforma de eLearning, con las opiniones vertidas por los usuarios como resultado de las interacciones con otros usuarios o después de consumir un recurso. El enfoque seguido presenta la novedad de la combinación de una parte objetiva con otra subjetiva, persiguiendo mitigar el efecto de posibles castigos subjetivos por parte de usuarios malintencionados, a la vez que enriquecer las evaluaciones objetivas con información adicional acerca de la capacidad pedagógica del recurso o de la persona. El resultado son recomendaciones siempre adaptadas a los requisitos de los usuarios, y de la máxima calidad tanto técnica como educativa. Esta nueva aproximación requiere una nueva herramienta para su validación in-silico, al no existir ninguna aplicación que permita la simulación de plataformas de eLearning con mecanismos de recomendación de recursos y personas, donde además los recursos sean evaluados objetivamente. Este trabajo de investigación propone pues una nueva herramienta, basada en el paradigma de programación orientada a agentes inteligentes para el modelado de comportamientos complejos de usuarios en plataformas de eLearning. Además, la herramienta permite también la simulación del funcionamiento de este tipo de entornos dedicados al intercambio de conocimiento. La evaluación del trabajo propuesto en este documento de tesis se ha realizado de manera iterativa a lo largo de diferentes escenarios en los que se ha situado al sistema frente a una amplia gama de comportamientos de usuarios. Se ha comparado el rendimiento del modelo de confianza y reputación propuesto frente a dos modos de recomendación tradicionales: a) utilizando sólo las opiniones subjetivas de los usuarios para el cálculo de la reputación y por extensión la recomendación; y b) teniendo en cuenta sólo la calidad objetiva del recurso sin hacer ningún cálculo de reputación. Los resultados obtenidos nos permiten afirmar que el modelo desarrollado mejora la recomendación ofrecida por las aproximaciones tradicionales, mostrando una mayor flexibilidad y capacidad de adaptación a diferentes situaciones. Además, el modelo propuesto es capaz de asegurar la recomendación de nuevos usuarios entrando al sistema frente a la nula recomendación para estos usuarios presentada por el modo de recomendación predominante en otras plataformas que basan la recomendación sólo en las opiniones de otros usuarios. Por último, el paradigma de agentes inteligentes ha probado su valía a la hora de modelar plataformas virtuales complejas orientadas al intercambio de conocimiento, especialmente a la hora de modelar y simular el comportamiento de los usuarios de estos entornos. La herramienta de simulación desarrollada ha permitido la evaluación del modelo de confianza y reputación propuesto en esta tesis en una amplia gama de situaciones diferentes. ABSTRACT Internet is changing everything, and this revolution is especially present in traditionally offline spaces such as medicine. In recent years health consumers and health service providers are actively creating and consuming Web contents stimulated by the emergence of the Social Web. Reliability stands out as the main concern when accessing the overwhelming amount of information available online. Along with this new way of accessing the medicine, new concepts like ubiquitous or pervasive healthcare are appearing. Trustworthiness assessment is gaining relevance: open health provisioning systems require mechanisms that help evaluating individuals’ reputation in pursuit of introducing safety to these open and dynamic environments. Technical Enhanced Learning (TEL) -commonly known as eLearning- platforms arise as a paradigm of this Medicine 2.0. They provide an open while controlled/supervised access to resources generated and shared by users, enhancing what it is being called informal learning. TEL systems also facilitate direct interactions amongst users for consultation, resulting in a good approach to ubiquitous healthcare. The aforementioned reliability and trustworthiness problems can be faced by the implementation of mechanisms for the trusted recommendation of both resources and healthcare services providers. Traditionally, eLearning platforms already integrate recommendation mechanisms, although this recommendations are basically focused on providing an ordered classifications of resources. For users’ recommendation, the implementation of trust and reputation systems appears as the best solution. Nevertheless, both approaches base the recommendation on the information from the subjective opinions of other users of the platform regarding the resources or the users. In this PhD work a novel approach is presented for the recommendation of both resources and users within open environments focused on knowledge exchange, as it is the case of TEL systems for ubiquitous healthcare. The proposed solution adds the objective evaluation of the resources to the traditional subjective personal opinions to estimate the reputation of the resources and of the users of the system. This combined measure, along with the reliability of that calculation, is used to provide trusted recommendations. The integration of opinions and evaluations, subjective and objective, allows the model to defend itself against misbehaviours. Furthermore, it also allows ‘colouring’ cold evaluation values by providing additional quality information such as the educational capacities of a digital resource in an eLearning system. As a result, the recommendations are always adapted to user requirements, and of the maximum technical and educational quality. To our knowledge, the combination of objective assessments and subjective opinions to provide recommendation has not been considered before in the literature. Therefore, for the evaluation of the trust and reputation model defined in this PhD thesis, a new simulation tool will be developed following the agent-oriented programming paradigm. The multi-agent approach allows an easy modelling of independent and proactive behaviours for the simulation of users of the system, conforming a faithful resemblance of real users of TEL platforms. For the evaluation of the proposed work, an iterative approach have been followed, testing the performance of the trust and reputation model while providing recommendation in a varied range of scenarios. A comparison with two traditional recommendation mechanisms was performed: a) using only users’ past opinions about a resource and/or other users; and b) not using any reputation assessment and providing the recommendation considering directly the objective quality of the resources. The results show that the developed model improves traditional approaches at providing recommendations in Technology Enhanced Learning (TEL) platforms, presenting a higher adaptability to different situations, whereas traditional approaches only have good results under favourable conditions. Furthermore the promotion period mechanism implemented successfully helps new users in the system to be recommended for direct interactions as well as the resources created by them. On the contrary OnlyOpinions fails completely and new users are never recommended, while traditional approaches only work partially. Finally, the agent-oriented programming (AOP) paradigm has proven its validity at modelling users’ behaviours in TEL platforms. Intelligent software agents’ characteristics matched the main requirements of the simulation tool. The proactivity, sociability and adaptability of the developed agents allowed reproducing real users’ actions and attitudes through the diverse situations defined in the evaluation framework. The result were independent users, accessing to different resources and communicating amongst them to fulfil their needs, basing these interactions on the recommendations provided by the reputation engine.

Trust-ware: A Methodology to Analyze, Design, and Secure Trust and Reputation Systems

Entendemos por inteligencia colectiva una forma de inteligencia que surge de la colaboración y la participación de varios individuos o, siendo más estrictos, varias entidades. En base a esta sencilla definición podemos observar que este concepto es campo de estudio de las más diversas disciplinas como pueden ser la sociología, las tecnologías de la información o la biología, atendiendo cada una de ellas a un tipo de entidades diferentes: seres humanos, elementos de computación o animales. Como elemento común podríamos indicar que la inteligencia colectiva ha tenido como objetivo el ser capaz de fomentar una inteligencia de grupo que supere a la inteligencia individual de las entidades que lo forman a través de mecanismos de coordinación, cooperación, competencia, integración, diferenciación, etc. Sin embargo, aunque históricamente la inteligencia colectiva se ha podido desarrollar de forma paralela e independiente en las distintas disciplinas que la tratan, en la actualidad, los avances en las tecnologías de la información han provocado que esto ya no sea suficiente. Hoy en día seres humanos y máquinas a través de todo tipo de redes de comunicación e interfaces, conviven en un entorno en el que la inteligencia colectiva ha cobrado una nueva dimensión: ya no sólo puede intentar obtener un comportamiento superior al de sus entidades constituyentes sino que ahora, además, estas inteligencias individuales son completamente diferentes unas de otras y aparece por lo tanto el doble reto de ser capaces de gestionar esta gran heterogeneidad y al mismo tiempo ser capaces de obtener comportamientos aún más inteligentes gracias a las sinergias que los distintos tipos de inteligencias pueden generar. Dentro de las áreas de trabajo de la inteligencia colectiva existen varios campos abiertos en los que siempre se intenta obtener unas prestaciones superiores a las de los individuos. Por ejemplo: consciencia colectiva, memoria colectiva o sabiduría colectiva. Entre todos estos campos nosotros nos centraremos en uno que tiene presencia en la práctica totalidad de posibles comportamientos inteligentes: la toma de decisiones. El campo de estudio de la toma de decisiones es realmente amplio y dentro del mismo la evolución ha sido completamente paralela a la que citábamos anteriormente en referencia a la inteligencia colectiva. En primer lugar se centró en el individuo como entidad decisoria para posteriormente desarrollarse desde un punto de vista social, institucional, etc. La primera fase dentro del estudio de la toma de decisiones se basó en la utilización de paradigmas muy sencillos: análisis de ventajas e inconvenientes, priorización basada en la maximización de algún parámetro del resultado, capacidad para satisfacer los requisitos de forma mínima por parte de las alternativas, consultas a expertos o entidades autorizadas o incluso el azar. Sin embargo, al igual que el paso del estudio del individuo al grupo supone una nueva dimensión dentro la inteligencia colectiva la toma de decisiones colectiva supone un nuevo reto en todas las disciplinas relacionadas. Además, dentro de la decisión colectiva aparecen dos nuevos frentes: los sistemas de decisión centralizados y descentralizados. En el presente proyecto de tesis nos centraremos en este segundo, que es el que supone una mayor atractivo tanto por las posibilidades de generar nuevo conocimiento y trabajar con problemas abiertos actualmente así como en lo que respecta a la aplicabilidad de los resultados que puedan obtenerse. Ya por último, dentro del campo de los sistemas de decisión descentralizados existen varios mecanismos fundamentales que dan lugar a distintas aproximaciones a la problemática propia de este campo. Por ejemplo el liderazgo, la imitación, la prescripción o el miedo. Nosotros nos centraremos en uno de los más multidisciplinares y con mayor capacidad de aplicación en todo tipo de disciplinas y que, históricamente, ha demostrado que puede dar lugar a prestaciones muy superiores a otros tipos de mecanismos de decisión descentralizados: la confianza y la reputación. Resumidamente podríamos indicar que confianza es la creencia por parte de una entidad que otra va a realizar una determinada actividad de una forma concreta. En principio es algo subjetivo, ya que la confianza de dos entidades diferentes sobre una tercera no tiene porqué ser la misma. Por otro lado, la reputación es la idea colectiva (o evaluación social) que distintas entidades de un sistema tiene sobre otra entidad del mismo en lo que respecta a un determinado criterio. Es por tanto una información de carácter colectivo pero única dentro de un sistema, no asociada a cada una de las entidades del sistema sino por igual a todas ellas. En estas dos sencillas definiciones se basan la inmensa mayoría de sistemas colectivos. De hecho muchas disertaciones indican que ningún tipo de organización podría ser viable de no ser por la existencia y la utilización de los conceptos de confianza y reputación. A partir de ahora, a todo sistema que utilice de una u otra forma estos conceptos lo denominaremos como sistema de confianza y reputación (o TRS, Trust and Reputation System). Sin embargo, aunque los TRS son uno de los aspectos de nuestras vidas más cotidianos y con un mayor campo de aplicación, el conocimiento que existe actualmente sobre ellos no podría ser más disperso. Existen un gran número de trabajos científicos en todo tipo de áreas de conocimiento: filosofía, psicología, sociología, economía, política, tecnologías de la información, etc. Pero el principal problema es que no existe una visión completa de la confianza y reputación en su sentido más amplio. Cada disciplina focaliza sus estudios en unos aspectos u otros dentro de los TRS, pero ninguna de ellas trata de explotar el conocimiento generado en el resto para mejorar sus prestaciones en su campo de aplicación concreto. Aspectos muy detallados en algunas áreas de conocimiento son completamente obviados por otras, o incluso aspectos tratados por distintas disciplinas, al ser estudiados desde distintos puntos de vista arrojan resultados complementarios que, sin embargo, no son aprovechados fuera de dichas áreas de conocimiento. Esto nos lleva a una dispersión de conocimiento muy elevada y a una falta de reutilización de metodologías, políticas de actuación y técnicas de una disciplina a otra. Debido su vital importancia, esta alta dispersión de conocimiento se trata de uno de los principales problemas que se pretenden resolver con el presente trabajo de tesis. Por otro lado, cuando se trabaja con TRS, todos los aspectos relacionados con la seguridad están muy presentes ya que muy este es un tema vital dentro del campo de la toma de decisiones. Además también es habitual que los TRS se utilicen para desempeñar responsabilidades que aportan algún tipo de funcionalidad relacionada con el mundo de la seguridad. Por último no podemos olvidar que el acto de confiar está indefectiblemente unido al de delegar una determinada responsabilidad, y que al tratar estos conceptos siempre aparece la idea de riesgo, riesgo de que las expectativas generadas por el acto de la delegación no se cumplan o se cumplan de forma diferente. Podemos ver por lo tanto que cualquier sistema que utiliza la confianza para mejorar o posibilitar su funcionamiento, por su propia naturaleza, es especialmente vulnerable si las premisas en las que se basa son atacadas. En este sentido podemos comprobar (tal y como analizaremos en más detalle a lo largo del presente documento) que las aproximaciones que realizan las distintas disciplinas que tratan la violación de los sistemas de confianza es de lo más variado. únicamente dentro del área de las tecnologías de la información se ha intentado utilizar alguno de los enfoques de otras disciplinas de cara a afrontar problemas relacionados con la seguridad de TRS. Sin embargo se trata de una aproximación incompleta y, normalmente, realizada para cumplir requisitos de aplicaciones concretas y no con la idea de afianzar una base de conocimiento más general y reutilizable en otros entornos. Con todo esto en cuenta, podemos resumir contribuciones del presente trabajo de tesis en las siguientes. • La realización de un completo análisis del estado del arte dentro del mundo de la confianza y la reputación que nos permite comparar las ventajas e inconvenientes de las diferentes aproximación que se realizan a estos conceptos en distintas áreas de conocimiento. • La definición de una arquitectura de referencia para TRS que contempla todas las entidades y procesos que intervienen en este tipo de sistemas. • La definición de un marco de referencia para analizar la seguridad de TRS. Esto implica tanto identificar los principales activos de un TRS en lo que respecta a la seguridad, así como el crear una tipología de posibles ataques y contramedidas en base a dichos activos. • La propuesta de una metodología para el análisis, el diseño, el aseguramiento y el despliegue de un TRS en entornos reales. Adicionalmente se exponen los principales tipos de aplicaciones que pueden obtenerse de los TRS y los medios para maximizar sus prestaciones en cada una de ellas. • La generación de un software que permite simular cualquier tipo de TRS en base a la arquitectura propuesta previamente. Esto permite evaluar las prestaciones de un TRS bajo una determinada configuración en un entorno controlado previamente a su despliegue en un entorno real. Igualmente es de gran utilidad para evaluar la resistencia a distintos tipos de ataques o mal-funcionamientos del sistema. Además de las contribuciones realizadas directamente en el campo de los TRS, hemos realizado aportaciones originales a distintas áreas de conocimiento gracias a la aplicación de las metodologías de análisis y diseño citadas con anterioridad. • Detección de anomalías térmicas en Data Centers. Hemos implementado con éxito un sistema de deteción de anomalías térmicas basado en un TRS. Comparamos la detección de prestaciones de algoritmos de tipo Self-Organized Maps (SOM) y Growing Neural Gas (GNG). Mostramos como SOM ofrece mejores resultados para anomalías en los sistemas de refrigeración de la sala mientras que GNG es una opción más adecuada debido a sus tasas de detección y aislamiento para casos de anomalías provocadas por una carga de trabajo excesiva. • Mejora de las prestaciones de recolección de un sistema basado en swarm computing y odometría social. Gracias a la implementación de un TRS conseguimos mejorar las capacidades de coordinación de una red de robots autónomos distribuidos. La principal contribución reside en el análisis y la validación de las mejoras increméntales que pueden conseguirse con la utilización apropiada de la información existente en el sistema y que puede ser relevante desde el punto de vista de un TRS, y con la implementación de algoritmos de cálculo de confianza basados en dicha información. • Mejora de la seguridad de Wireless Mesh Networks contra ataques contra la integridad, la confidencialidad o la disponibilidad de los datos y / o comunicaciones soportadas por dichas redes. • Mejora de la seguridad de Wireless Sensor Networks contra ataques avanzamos, como insider attacks, ataques desconocidos, etc. Gracias a las metodologías presentadas implementamos contramedidas contra este tipo de ataques en entornos complejos. En base a los experimentos realizados, hemos demostrado que nuestra aproximación es capaz de detectar y confinar varios tipos de ataques que afectan a los protocoles esenciales de la red. La propuesta ofrece unas velocidades de detección muy altas así como demuestra que la inclusión de estos mecanismos de actuación temprana incrementa significativamente el esfuerzo que un atacante tiene que introducir para comprometer la red. Finalmente podríamos concluir que el presente trabajo de tesis supone la generación de un conocimiento útil y aplicable a entornos reales, que nos permite la maximización de las prestaciones resultantes de la utilización de TRS en cualquier tipo de campo de aplicación. De esta forma cubrimos la principal carencia existente actualmente en este campo, que es la falta de una base de conocimiento común y agregada y la inexistencia de una metodología para el desarrollo de TRS que nos permita analizar, diseñar, asegurar y desplegar TRS de una forma sistemática y no artesanal y ad-hoc como se hace en la actualidad. ABSTRACT By collective intelligence we understand a form of intelligence that emerges from the collaboration and competition of many individuals, or strictly speaking, many entities. Based on this simple definition, we can see how this concept is the field of study of a wide range of disciplines, such as sociology, information science or biology, each of them focused in different kinds of entities: human beings, computational resources, or animals. As a common factor, we can point that collective intelligence has always had the goal of being able of promoting a group intelligence that overcomes the individual intelligence of the basic entities that constitute it. This can be accomplished through different mechanisms such as coordination, cooperation, competence, integration, differentiation, etc. Collective intelligence has historically been developed in a parallel and independent way among the different disciplines that deal with it. However, this is not enough anymore due to the advances in information technologies. Nowadays, human beings and machines coexist in environments where collective intelligence has taken a new dimension: we yet have to achieve a better collective behavior than the individual one, but now we also have to deal with completely different kinds of individual intelligences. Therefore, we have a double goal: being able to deal with this heterogeneity and being able to get even more intelligent behaviors thanks to the synergies that the different kinds of intelligence can generate. Within the areas of collective intelligence there are several open topics where they always try to get better performances from groups than from the individuals. For example: collective consciousness, collective memory, or collective wisdom. Among all these topics we will focus on collective decision making, that has influence in most of the collective intelligent behaviors. The field of study of decision making is really wide, and its evolution has been completely parallel to the aforementioned collective intelligence. Firstly, it was focused on the individual as the main decision-making entity, but later it became involved in studying social and institutional groups as basic decision-making entities. The first studies within the decision-making discipline were based on simple paradigms, such as pros and cons analysis, criteria prioritization, fulfillment, following orders, or even chance. However, in the same way that studying the community instead of the individual meant a paradigm shift within collective intelligence, collective decision-making means a new challenge for all the related disciplines. Besides, two new main topics come up when dealing with collective decision-making: centralized and decentralized decision-making systems. In this thesis project we focus in the second one, because it is the most interesting based on the opportunities to generate new knowledge and deal with open issues in this area, as well as these results can be put into practice in a wider set of real-life environments. Finally, within the decentralized collective decision-making systems discipline, there are several basic mechanisms that lead to different approaches to the specific problems of this field, for example: leadership, imitation, prescription, or fear. We will focus on trust and reputation. They are one of the most multidisciplinary concepts and with more potential for applying them in every kind of environments. Besides, they have historically shown that they can generate better performance than other decentralized decision-making mechanisms. Shortly, we say trust is the belief of one entity that the outcome of other entities’ actions is going to be in a specific way. It is a subjective concept because the trust of two different entities in another one does not have to be the same. Reputation is the collective idea (or social evaluation) that a group of entities within a system have about another entity based on a specific criterion. Thus, it is a collective concept in its origin. It is important to say that the behavior of most of the collective systems are based on these two simple definitions. In fact, a lot of articles and essays describe how any organization would not be viable if the ideas of trust and reputation did not exist. From now on, we call Trust an Reputation System (TRS) to any kind of system that uses these concepts. Even though TRSs are one of the most common everyday aspects in our lives, the existing knowledge about them could not be more dispersed. There are thousands of scientific works in every field of study related to trust and reputation: philosophy, psychology, sociology, economics, politics, information sciences, etc. But the main issue is that a comprehensive vision of trust and reputation for all these disciplines does not exist. Every discipline focuses its studies on a specific set of topics but none of them tries to take advantage of the knowledge generated in the other disciplines to improve its behavior or performance. Detailed topics in some fields are completely obviated in others, and even though the study of some topics within several disciplines produces complementary results, these results are not used outside the discipline where they were generated. This leads us to a very high knowledge dispersion and to a lack in the reuse of methodologies, policies and techniques among disciplines. Due to its great importance, this high dispersion of trust and reputation knowledge is one of the main problems this thesis contributes to solve. When we work with TRSs, all the aspects related to security are a constant since it is a vital aspect within the decision-making systems. Besides, TRS are often used to perform some responsibilities related to security. Finally, we cannot forget that the act of trusting is invariably attached to the act of delegating a specific responsibility and, when we deal with these concepts, the idea of risk is always present. This refers to the risk of generated expectations not being accomplished or being accomplished in a different way we anticipated. Thus, we can see that any system using trust to improve or enable its behavior, because of its own nature, is especially vulnerable if the premises it is based on are attacked. Related to this topic, we can see that the approaches of the different disciplines that study attacks of trust and reputation are very diverse. Some attempts of using approaches of other disciplines have been made within the information science area of knowledge, but these approaches are usually incomplete, not systematic and oriented to achieve specific requirements of specific applications. They never try to consolidate a common base of knowledge that could be reusable in other context. Based on all these ideas, this work makes the following direct contributions to the field of TRS: • The compilation of the most relevant existing knowledge related to trust and reputation management systems focusing on their advantages and disadvantages. • We define a generic architecture for TRS, identifying the main entities and processes involved. • We define a generic security framework for TRS. We identify the main security assets and propose a complete taxonomy of attacks for TRS. • We propose and validate a methodology to analyze, design, secure and deploy TRS in real-life environments. Additionally we identify the principal kind of applications we can implement with TRS and how TRS can provide a specific functionality. • We develop a software component to validate and optimize the behavior of a TRS in order to achieve a specific functionality or performance. In addition to the contributions made directly to the field of the TRS, we have made original contributions to different areas of knowledge thanks to the application of the analysis, design and security methodologies previously presented: • Detection of thermal anomalies in Data Centers. Thanks to the application of the TRS analysis and design methodologies, we successfully implemented a thermal anomaly detection system based on a TRS.We compare the detection performance of Self-Organized- Maps and Growing Neural Gas algorithms. We show how SOM provides better results for Computer Room Air Conditioning anomaly detection, yielding detection rates of 100%, in training data with malfunctioning sensors. We also show that GNG yields better detection and isolation rates for workload anomaly detection, reducing the false positive rate when compared to SOM. • Improving the performance of a harvesting system based on swarm computing and social odometry. Through the implementation of a TRS, we achieved to improve the ability of coordinating a distributed network of autonomous robots. The main contribution lies in the analysis and validation of the incremental improvements that can be achieved with proper use information that exist in the system and that are relevant for the TRS, and the implementation of the appropriated trust algorithms based on such information. • Improving Wireless Mesh Networks security against attacks against the integrity, confidentiality or availability of data and communications supported by these networks. Thanks to the implementation of a TRS we improved the detection time rate against these kind of attacks and we limited their potential impact over the system. • We improved the security of Wireless Sensor Networks against advanced attacks, such as insider attacks, unknown attacks, etc. Thanks to the TRS analysis and design methodologies previously described, we implemented countermeasures against such attacks in a complex environment. In our experiments we have demonstrated that our system is capable of detecting and confining various attacks that affect the core network protocols. We have also demonstrated that our approach is capable of rapid attack detection. Also, it has been proven that the inclusion of the proposed detection mechanisms significantly increases the effort the attacker has to introduce in order to compromise the network. Finally we can conclude that, to all intents and purposes, this thesis offers a useful and applicable knowledge in real-life environments that allows us to maximize the performance of any system based on a TRS. Thus, we deal with the main deficiency of this discipline: the lack of a common and complete base of knowledge and the lack of a methodology for the development of TRS that allow us to analyze, design, secure and deploy TRS in a systematic way.

El concurso “Berlin Hauptstadt” 1957-1958 : aproximaciones al proyecto de espacio público europeo de posguerra

1. INTRODUCCION 2. LA ORGANIZACIÓN DEL CONCURSO 3. MONUMENTALIDAD Y ESCALAS CERCANAS Los CIAM de Bridgewater y Hoddesdon. El carácter institucional del urbanismo moderno Las propuestas premiadas 4. PLANTA LIBRE Y PREEXISTENCIAS El CIAM 7 de Bérgamo. El debate sobre la reconstrucción Nada que conservar. La propuesta de Le Corbusier Desde el interior. La propuesta de Luiggi Piccinato 5. LA VIDA EN LA CALLE. SUPERPOSICION DE USOS EN EL ESPACIO PÚBLICO De Hoddesdon al manifiesto de Doorn y Dubrovnic. Usos compartidos. La propuesta de Van der Broeck y Bakema Una calle en alto. La propuesta de Alison y Peter Smithson “The charged void”. Dos sillas y el rastro de una acción 6. EL PAISAJE COMO PUNTO DE PARTIDA El CIAM de la Sarraz. Hacia una definición de “Urbanismo” De la “Grosstadt” al “StadtLandschaft”. La propuesta de Korn y Rosemberg Infraestructuras para un paisaje de mesetas. La propuesta de Abben, Anderson y Utzon 7. OTRAS HUELLAS PARA OTRA SOCIEDAD Forma y contenido de Berlín-Mitte. La propuesta de Scharoun. El paisaje chino propuesto por Ebert y Scharoun 8. CONCLUSIONES Cambios de contexto y búsqueda pragmática De la necesidad de humanizar. Momentos de conciencia INTRODUCCION El espacio público siendo quizás uno de los campos en que con más frecuencia se trabaja en los últimos años, carece sin embargo de episodios suficientemente alejados en el tiempo que nos permitan reconocer su historia reciente. La irrupción del pensamiento organicista y más tarde existencialista tras el final de la 2ª Guerra Mundial cambiaron el modo de pensar en todas las áreas del conocimiento, también en aquellas relativas al urbanismo y el proyecto de ciudad. El cambio de contexto encontrado en las capitales europeas tras los bombardeos de la Guerra (figura1) cristalizó en la necesidad de una ciudad “humanizada”. Esta necesidad se reconoce en algunas propuestas aisladas de aquellos años que se han estudiado usualmente como precursoras de otras mas actuales , pero son cuestiones que también fueron transformando la forma de pensar el espacio público en los diferentes debates de urbanismo llevados a cabo en los Congresos Internacionales de Arquitectura Moderna, influyendo de manera determinante en la continua revisión de las prerrogativas de la “Carta de Atenas” y llegando a estar en la base de su disolución final escenificada por el Team X en Oterloo en 1959. A pesar de las continuas revisiones que se habían llevado a cabo en el periodo de postguerra, la distancia entre los presupuestos teóricos y las realidades urbanas que se encontraban los participantes en los CIAM de aquella época, llevó a un cierto escepticismo y a un desplazamiento de intereses desde la teoría urbanística a la práctica proyectiva, tratando de resolver cuestiones concretas para posteriormente extraer conclusiones. LA ORGANIZACIÓN DEL CONCURSO El concurso: “Berlin Hauptstadt”, un ambicioso Plan para la Capital de una Alemania unida convocado en 1957 por la “Internationalles Bauaustellung” berlinesa, fue un último episodio en los debates de urbanismo moderno de aquel periodo de disolución que nos muestra las incertidumbres y contradicciones de algunos participantes al enfrentarse al proyecto de espacio público desde la desconfianza en las bases teóricas. Si bien en cuanto a los proyectos de edificación, apenas se percibieron cambios en las propuestas presentadas al concurso, en algunos casos, el proyecto de espacio público si presentó ciertas variaciones respecto a las pautas urbanísticas presentadas por los CIAM de aquellos años. Se plantea el estudio de Berlin Hauptstadt como un último registro de estas reacciones pragmáticas ante el cambio de contexto, que nos permita encontrar matices y diferencias de interpretación entre algunas de las propuestas para desvelar a través de ellas las condiciones latentes en el proyecto de espacio público de posguerra europeo. La batalla propagandística derivada de la tensión existente entre los dos bloques que gobernaban la capital alemana en aquellos años, protagonizó la mayor parte de las decisiones sobre la ciudad y sus espacios públicos. En Berlín occidental se realizaron múltiples exposiciones sobre los diversos planes urbanísticos propuestos divulgando un modelo de ciudad moderna abierta y de planta libre, que equilibraría las carencias de soleamiento y espacios verdes existentes hasta el estallido de la Guerra. Entre otras, se impulsó la “Internationalles Bauaustellung” en 1957 conocida como IBA´57, en la que se llevaron a cabo actuaciones como la reconstrucción del nuevo “Hansaviertel” además de otros eventos entre los que destacaba el concurso “Berlin Hauptstadt”. Berlín se presentaba en la convocatoria como la futura capital de una Alemania unificada, que le llevaba a asumir un programa muy extenso y segregado, basado en una nueva red de autopistas y ferrocarriles común para toda la ciudad. Esta utópica premisa fue sin embargo acogida con cierta esperanza de viabilidad real por parte de los participantes, quienes en su mayoría mostraron una preocupación común por lo que coincidieron en llamar “humanizierung der Stadt” la humanización de la ciudad en las memorias presentadas. La humanización era sin embargo algo difícil de lograr en el Berlín de aquellos años. La ciudad o mejor dicho las dos ciudades estaban una vez más sumidas en su propia idea de reconstrucción, como la capital “permanentemente a medio hacer” que ya describía Karl Scheffer a principios de siglo XX. De este modo mientras Berlín era proyectado desde estudios provenientes de países lejanos, para unas autoridades militares afanadas en ganar su particular batalla propagandística con el urbanismo como mejor arma, la necesidad de humanizar el espacio público se fue haciendo cada vez más presente con el paso de los años. Una ciudad real, habitada desde el espacio necesario para las acciones cotidianas, se iba consolidando silenciosamente sobre los descampados y vacíos urbanos de la capital. Las fotografías de Fritz Tiedemann y Arno Fischer (figuras 4,5,6,7) realizadas durante los primeros años tras el final de la guerra, nos muestran un paisaje de ruinas y escombros en las que quedaban registradas los rastros de una escondida cotidianeidad. En estas fotografías las ausencias se hacían mas presentes que las ruinas de la ciudad anterior, enfocando las imágenes en los ejes de las interminables avenidas, la antigua capital prusiana se percibe como un descampado continuo . MONUMENTALIDAD Y ESCALAS CERCANAS Los CIAM de Bridgewater y Hoddesdon. El carácter institucional del urbanismo moderno La mayoría de las propuestas presentadas al Concurso Berlin Hauptstadt, se desarrollaron por tanto desde unas premisas modernas que ya entonces llevaban más de una década en crisis continua. La eclosión de nuevos países en todo el mundo, que inauguraban sus recién instauradas democracias con nuevas capitales que las representasen, había alimentado durante aquellos años las discusiones teóricas llevadas a cabo en el seno de los CIAM actualizando en ciertos aspectos una “Carta de Atenas” que sin embargo se mostraban incompatibles con la recuperación de las ciudades europeas tras los bombardeos de la 2ª Guerra mundial. Estos desencuentros habían ido cambiando la forma de pensar el espacio público e intensificando su debate en los últimos Congresos Internacionales de Arquitectura Moderna. Las críticas a las actas del primer CIAM celebrado tras el final de la contienda en Bridgewater (Reino Unido) en 1947, recogidas en escritos como “Monumentalist, Symbolism and Style” por Lewis Mumford y repetidas en distintas ocasiones desde que declinó la invitación de José Luis Sert para redactar el prólogo de “Can our cities survive?” en 1940, empezaron a desestabilizar las hasta entonces férreas convicciones de los participantes. La búsqueda de una ciudad más humanizada apareció como preocupación común en las actas redactadas por Giedion, donde se entendía además logro suficiente la reanudación de los encuentros, emplazándose a proponer los temas a debatir en el próximo Congreso . Esta cualidad humana era la base del “corazón de la ciudad” que José Luis Sert propondría como tema repetidamente hasta que finalmente fue recogido como título del CIAM 8 celebrado en Hoddesdon (Inglaterra) en 1951. También sería en Hoddesdon, donde como expone Eric P. Mumford , donde se confirmó una cierta conciencia de globalización de los preceptos modernos que ya aceptados como lugar común por los poderes políticos de los distintos gobiernos no podrían volver a jugar el papel de vanguardia que se le suponía. Las propuestas premiadas Pocos años después en 1967 en su monografía editada por W. Boesiger y H. Girsberger44: Le Corbusier dejaba constancia del airado desacuerdo con que recibió el fallo del jurado, en un escrito publicado “El hecho de pensar en urbanismo en 3 dimensiones fue considerado como un crimen. De 86 proyectos se admitieron 13, pero el decimotercero era el de Le Corbusier. Fue eliminado.” Criticando así una referencia que hacían las actas a los enormes rascacielos de planta triangular que el maestro suizo superponía sobre la vieja trama berlinesa. A pesar de las enormes dificultades existentes en las Alemanias de después de la Guerra, el espíritu con que se había propuesto el concurso Berlin Hauptstadt desde la organización del IBA´57, era muy próximo al de las nuevas capitales democráticas recién fundadas profusamente expuestas en 1951 en el CIAM de Hoddesdon. Se hacía mas hincapié en lograr estos aspectos representativos y de escala monumental que debían tener las áreas institucionales que en atender a las condiciones de entendimiento con el centro histórico que tanto preocupaban ya en otras capitales europeas aquellos años. Pero si bien las bases del Concurso se habían establecido sobre estos criterios, la resolución del jurado tuvo sin embargo muy en cuenta ciertas consideraciones en cuanto a la escala de las nuevas edificaciones propuestas y al encuentro con la estructura de la ciudad existente. PLANTA LIBRE Y PREEXISTENCIAS El CIAM 7 de Bérgamo. Intervenir sobre lo existente Los principios del urbanismo moderno descritos en los CIAM de los años 1920 y 1930, desde las primeras ciudades ideales propuestas hasta la redacción de la más tarde conocida como “Carta de Atenas”, estaban pensados generalmente sobre una naturaleza teórica más o menos fértil y habitable que obviaba aquellas particularidades del lugar en el que se producían. Tras la guerra, los desoladores paisajes de retazos urbanos en que se habían convertido las capitales europeas, hacían difícil ignorar las nuevas condiciones del terreno con las ruinas de unas ciudades que poco antes estaban allí. La propuesta para la reconstrucción de Milán, fue presentada por Ernst N. Rogers en la primera sesión del CIAM de Bérgamo, como un trabajo acorde con los preceptos urbanísticos de la Carta de Atenas y capaz de incorporar la restauración de los centros históricos como parte de un plan urbanístico moderno. Se reabría así un debate en el seno de los CIAM, después de que hubiese sido ya puesto sobre la mesa por los arquitectos polacos de origen judío Helena y Syzmon Syrkus en las reuniones preparativas para el CIAM 7 llevadas a cabo un año antes en Paris. El Plan “Varsovia Socialista” incorporaba la reconstrucción del centro histórico de las ciudades a otras actuaciones basadas en la Carta de Atenas, como una reivindicación de identidad cultural ante la barbarie nazi. Helena Syrkus, a quien Giedion reservó una hora en la rueda de conferencias de la sesión inaugural del CIAM de Bérgamo, reclamaba este tipo de actuaciones como parte de una revolución “socialista-realista” que suponía un cambio cultural en la vida de los ciudadanos. Estas intervenciones, llevaron a un debate más amplio que el de la reconstrucción y conservación de centros históricos, planteándose asuntos que eran debatidos por la ciudadanía en otros ámbitos. Nada que conservar. La propuesta de Le Corbusier Le Corbusier (figura1), llevó a cabo Berlin Hauptstadt en paralelo a otros trabajos que ya en aquella época prestaban mas atención a las condiciones particulares del lugar como Chandigarh, trabajó en Berlin partiendo desde un plano teórico con el que superponía con toda libertad una versión reeditada de la “Ville Radieuse”, apenas adaptada al entramado aún presente de la antigua ciudad. Así describía la situación de partida: ”No había duda, no se habrían de destruir obras maestras del pasado para reconstruir. La demolición se debió a los aviones y no quedaba nada de todo el centro de Berlín.” Desde el interior. La propuesta de Luiggi Piccinato El final caótico del Congreso de Bérgamo, tuvo aún una última crítica quizás una de las más difíciles de salvar meses después de la clausura. El crítico italiano formado en Harvard Bruno Zevi dirigía una carta a los participantes: “De´lla cultura architettonica: Messagio al Congrés International d´Architecture Moderne”. poniendo de relieve cómo los CIAM habían perdido la batalla para liderar el debate arquitectónico al no contar con algunos de los arquitectos de la escena internacional que habían desarrollado sobre los principios de Frank Lloyd Wright, una arquitectura llamada orgánica. Con estos principios se trasladaba la idea de construir desde el interior hacia el exterior tanto la arquitectura como la propia ciudad, heredando las estructuras existentes y desarrollándolas como el crecimiento continuo de los organismos vivos. Este principio hacía necesario alejarse de los planteamientos más teóricos del urbanismo moderno, en favor de una práctica proyectiva concreta que asumiera las vicisitudes concretas del lugar en el que se trabaja. Bruno Zevi fundó la A.P.A.O. en Italia, junto con otros arquitectos y urbanistas entre quienes estaban Pier Luiggi Nervi y Mario Ridolfi además del urbanista Luiggi Piccinato. Tras el final de la Guerra, Piccinato lleva a cabo diversos Planes de Reconstrucción de ciudades históricas como Nápoles Roma o Siena y en los años 1950 de las principales capitales turcas, como Estambul y Bursa. El valor patrimonial que detecta en estas capitales de la historia arquitectónica lo asociaba a las cualidades constructivas más básicas, aquellas que realizadas sin arquitectos representaban la herencia de una cultura propia. La propuesta que presentó Luiggi Piccinato al concurso Berlin Hauptstadt (figura2), bien puede considerarse como una mas de las actuacicones realizadas hasta entonces, no había en ella una sola estructura basada en datos socioeconómicos que determine el orden general. sino que su propuesta se basaba en la suma de distintos proyectos concretos que resuelven espacios urbanos de características particulares. El plan General propuesto es consecuencia directa de estas pequeñas actuaciones con las que va re-describiendo la trama urbana de todo el área central. Un entramado de plazas interiores se incorporaban a las manzanas aún existentes, ordenando así los vacíos tan característicos de la ciudad para volver a coser las estructuras que aún quedaban en pie. Re-describir las trazas de una ciudad tan denostada por aquel entonces. LA VIDA EN LA CALLE. SUPERPOSICION DE USOS EN EL ESPACIO PÚBLICO De Hoddesdon al manifiesto de Doorn y el CIAM de Dubrovnic. El “Corazón de la Ciudad” siendo uno de los pocos temas de debate claros en el CIAM de Hoddesdon llevó sin embargo a varias críticas. Una de las más interesantes fue la protagonizada por Jacob B. Bakema y Sigfried Giedion por la posterior repercusión que tendría en las ideas que forjarían el Team X años más tarde. Giedion defendía los antecedentes históricos que daban soporte al corazón de la ciudad como hecho único, mientras que Bakema, tomando como ejemplo los parques infantiles llevadas a cabo por Aldo Van Eyck en los vacíos de Ámsterdam, abogaba por romper el aislamiento del hombre en la ciudad y poner en valor las relaciones entre las personas y objetos, a escala de barrio llevando distintos centros a todos ellos. Una de las primeras consecuencias de esta afirmación, fue la obsolescencia del criterio de segregación por áreas funcionales de la ciudad, una de las piedras angulares del urbanismo hasta entonces. La cuestión del uso. superposiciones en el espacio público En búsqueda de esa ciudad de siempre la propuesta presentada por Van Der Broeck y Bakema para Berlin Hauptstadt, trataban de llevar a cabo una disgregación del exhaustivo programa de usos propuesto en las bases para generar una serie de espacios públicos centrales. La relación entre programa y ciudad se fraguaba así como un esquema multi-centros en el que los usos, lejos de presentarse segregados se superponían por capas en un mismo espacio. La vida de los pueblos y aldeas antes de la llegada de la planificación urbana se concentraba en su espacio público, en su origen las primeras poblaciones carecían de edificios de un solo uso específico como mercados, teatros, etc, estas acciones tenían cabida de forma más o menos espontánea en el suelo libre disponible entre las casas. “The charged void” . El vacío cargado en la propuesta de los Smithson In calling our collected works The Charged Void we are thinking of architecture’s capacity to charge the space around it with an energy which can join up with other energies, influence the nature of things that might come, anticipate happenings… a capacity we can feel and act upon, but cannot necessarily describe or record. Con este escueto pero intenso párrafo, Alison y Peter Smithson hacían una aproximación un tanto indeterminada, a la idea de charged void como espacio público lleno de vida, invitándonos quizá a preguntarnos sobre esa necesidad de espacio vacío para respirar, cada vez más acuciante en la arquitectura de nuestras ciudades. La propuesta para “Berlin Hauptstadt” de Alison y Peter Smithson, ganadora de un 3er premio, se basaba en un entramado de calles en alto que se extendía sobre la antigua ciudad superponiéndose como una nueva trama. Este tejido de calles, con unas dimensiones suficientemente amplias para redefinir Berlín pero a la vez suficientemente cercanas para participar de la vida cotidiana de la ciudad, se presentaba con independencia de las edificaciones existentes y propuestas como el gran protagonista de la intervención. Proponían un entramado más o menos coincidente con el trazado de la ciudad, dejando que pequeñas torres de esquinas achaflanadas albergaran las oficinas, las viviendas y los espacios comerciales, adosándose tan sólo en una de sus caras al entramado peatonal propuesto. Las calles tenían dimensiones sobradas para la mera conexión de barrios y sin embargo tampoco tenían un uso específico, estaban pensadas para albergar todos los eventos cotidianos que se superponían en los barrios y pequeñas poblaciones de la época. EL PAISAJE COMO PUNTO DE PARTIDA El CIAM de la Sarraz. Hacia una definición de “Urbanismo”. En los congresos CIAM, desde el primer encuentro celebrado en La Sarraz en 1928, la necesidad de definir el término “urbanismo” como método objetivo de proyectar la ciudad, había llevado a excluir aquellas otras consideraciones relativas al paisaje que no eran fácilmente analizables. Las consideraciones entorno al uso, al soleamiento, a la facilidad de acceso, de edificación o a las óptimas densidades de ocupación de un territorio, debían estudiarse sin más distracciones con un análisis objetivo que regiría posteriormente todo planteamiento urbanístico. Así, en el primer punto del acta redactada en francés, del CIAM I de La Sarraz, se definía: “1. Urbanismo es la organización de todas las funciones de la vida colectiva. Se extiende sobre las aglomeraciones urbanas y el campo. La urbanización no puede estar condicionada por las pretensiones de un esteticismo preexistente, su esencia es la de un orden funcional” … De la “Grosstadt” al “StadtLandschaft”. La propuesta de Korn y Rosenberg. En 1957, algunas de las propuestas presentadas al concurso Berlín Hauptstadt, como la de Arthur Korn y Stephen Rosenberg, tuvieron el paisaje como punto de partida del proyecto. La propuesta presentada 15 años después para Berlín Hauptstadt, formando equipo con Stephen Rosenberg, con quien se asociaría poco después en Londres, planteaba un paisaje fluvial generado directamente por una gran placa plana. La placa, como aquellas de origen sedimentario que bordean los cauces de los ríos, fluctuaba ampliando y disminuyendo su ancho y se deshacía incrustándose en la trama urbana existente, ahuecando su interior para dar cabida a los distintos espacios públicos del programa. Como apunta Keneth Frampton , la propuesta presentada por Korn y Rosenberg evolucionaban desde el concepto de Grosstadt (gran ciudad) a la idea de Stadtlandschaft (ciudad-paisaje), ya que si bien en el plan propuesto para la reconstrucción de Londres eran las trazas del viario y la parcelación las que respondían a las prerrogativas del paisaje, en Berlín se daba un paso más, confiando en una superestructura de carácter orgánico la resolución de todos los aspectos tanto institucionales como terciarios que se proponían en el programa, que eran posteriormente incluidos en el proyecto. Los primeros esbozos del paisaje lineal entorno al rio Spree a su paso por Berlín, posibilitaron a los autores reconocer cierta unidad en lo que se presentaba como una amalgama de retazos fragmentados y dispersos en el que la Capital no era reconocible. Pero si bien estos apuntes, habían logrado cierta ilusión de cohesión y continuidad en torno al paisaje fluvial del Spree, al desarrollarse con precisión, los autores trasladaban directamente a las plantas generales y axonometrías de la propuesta los sinuosos contornos, haciendo ciertamente complicado el encuentro con la trama existente (figuras 26 y 27). La gran determinación con que trataban sus autores de no perder las virtudes intuidas en sus primeros apuntes, les llevaba a abandonar las pautas de zonificación y separación por unidades funcionales que se establecían en los CIAM para aproximarse a su realidad constructiva desde una utópica confianza en sus valores plásticos como solución de los problemas urbanos encontrados. Un paisaje de mesetas. La propuesta de Abben, Anderson y Utzon. Si bien por un lado, la adopción de criterios paisajísticos como punto de partida liberaba de las rígidas pautas de zonificación determinadas en las “Grilla CIAM”, a otra escala suponía distanciarse de las condiciones sociales en las que se asentaba la población berlinesa. La mayor parte de los proyectos de paisaje presentados, compartieron una prerrogativa: El espacio verde en torno al Rio Spree, fue propuesto como elemento estructurador de la nueva capital. La propuesta presentada por el equipo de Jorn Utzon, mostraba con radicalidad esta doble condición del paisaje poniendo a prueba las experiencias vividas sobre las plataformas del Yucatán en México. Unas plataformas vinculadas a la nueva red de autopistas berlinesas, que albergaban aparcamientos en su interior y daban soporte a los distintos edificios de usos institucionales. Mientras la cota superior a la masa arbórea pertenecía a una visión limpia de horizonte nítido desde el que se podía divisar el valle del Spree y las infraestructuras que lo atravesaban, el nivel inferior quedaba vinculado a las trazas de la ciudad, ocupado generalmente por las viviendas. NUEVAS HUELLAS PARA OTRA SOCIEDAD Forma y contenido de Berlín-Mitte.La propuesta de Hans Scharoun Al presentar Hans Scharoun el “Kollektiv Plan” para la reconstrucción de la ciudad en 1946, proponía una trama flexible de autopistas o vías de circulación superpuesta a los campos de ruinas y escombros de la Berlín de aquellos años. El área central de la antigua ciudad, se incorporaba a una enorme banda verde que atravesaba todas las áreas urbanas discurriendo en paralelo a las márgenes del rio Spree. Se negaba la cuidad radio concéntrica, para proponer una trama o red flexible paralela y perpendicular al rio. Quedaban sin embargo en el plan muy pocos detalles de lo que podría ocurrir bajo esa trama en el interior de la retícula, tan sólo quedaba esbozado un gran área libre de edificación que cruzaba como una gran banda verde la ciudad continuando la márgenes naturales del rio Spree hacia el Tiergarten. Aunque la definición de las áreas interiores al entramado quedaba quizá fuera del ámbito de estudio que por aquel entonces les estaba encomendado, la idea de superposición de la trama viaria sobre el valle de ruinas del Spree originaba una nueva conciencia que abría la puerta a trabajar con una doble materialidad. Aquella propia de las ciudades antiguas que por aquel entonces describía en diversos textos. La propuesta logró un 2º premio siendo quizás una de las que menos relación mantenía con las anteriores trazas urbanas berlinesas. En el acta del jurado, se reconocía el acierto de desarrollar el área verde atravesando la ciudad en cuanto a “acogida para el que llega de fuera”. En la memoria que presentó Scharoun junto con Wills Ebert al Concurso Berlin Hauptstadt, se analizaba el área de actuación recordando cómo fueron originados los barrios sobre las poblaciones medievales de Friedrichstadt y Luisenstadt anteriores a las grandes obras urbanizadoras de la corte prusiana y al desarrollo de la metrópoli del s. XX: “Características y de identificable naturaleza son las estructuras de los barrios medievales de Luisenstadt y Friedrichstadt. En estas partes de la ciudad la forma y el contenido aún eran idénticos”… …”convivimos con ellas entendiéndolas como parte de nuestro patrimonio, sin ser muy conscientes de sus contenidos y sus transformaciones a lo largo del tiempo. La pérdida en general de sus principios ordenadores lleva a dejar expuesta la ciudad. Estamos en todos los ámbitos de la planificación urbana ante la dificultad de gestionar con eficacia nuestras tensiones y establecer una nueva transición en las relaciones sujeto-objeto. De ahí que el moderno sistema de circulación yuxtapuesto nos lleve a la indecisión y por tanto a la confusión, en lugar de ordenar las diferencias y clarificar.”80 La memoria para Berlín Hauptstadt, presentaba la estructura medieval del área de intervención como una necesidad para no dejar “expuesta a la ciudad”, sin embargo en las planos presentados al concurso no resulta fácil reconocer este cuidado con las trazas históricas en la ciudad, más bien parecía haberse borrado toda huella de otro tiempo en un gran vacío verde. Es posible que las trazas a las que hacían referencia Scharoun y Ebert, fueran aquellas anteriores a las urbanizaciones de la corte prusiana en 1780, cuando los caminos agrícolas y los arrabales extramuros trazaban las primeras huellas de la ciudad sobre las que más tarde se trazarían los barrios de la capital de Prusia. Estas primeras huellas berlinesas recogidas en publicaciones como “Die Dörfer in Berlín” por Hans Jürgen Rach 81muestran un campo ya humanizado, surcado por caminos y huertas, que hacía reconocible la vida de la sociedad que los habitaba. El paisaje chino propuesto por Ebert y Scharoun Un texto titulado “Urbanismo Chino” escrito en Berlín durante los últimos años de guerra y publicado dos años después de su fallecimiento en 1972, ilustrado con algunas de sus acuarelas realizadas en la misma época74, en la monografía sobre su obra de la Akademie der Kunste de Berlin, desvelaba algunas de las preocupaciones urbanas y paisajísticas del arquitecto en el periodo de postguerra. En el texto Scharoun dejaba constancia de su admiración por las formaciones o Gestalt75 con que nacían las ciudades chinas, tomándolas como posible ideal o modelo de un urbanismo organicista. Este otro urbanismo se exponía como consecuencia de las acciones de una cultura y una sociedad determinada, suficientemente humanas como para cristalizar en estructuras capaces de convocar a sus semejantes, y de ordenar entorno a ellas la vida de toda la población. “El arte de proyectar con buen gusto el cielo, la tierra, los árboles y los ríos como parte vinculante de sus creencias, condujo a la cultura china a una sólida tradición del diseño que permitió el perfeccionamiento y desarrollo de la continuidad urbana. …la formulación de una estructura alveolar sociológica y espiri tual del cuerpo político como un organismo vivo que deja espacio para construir con natural continuidad las transformaciones… Ordenando por temas posteriormente, las distintas continuidades urbanas: “…1. Muros. Están en todo el país, en la ciudad, en los distritos sagrados y los palacios, de los barrios familiares a los muros que los rodean. Limitan y comparten el uso del suelo por una parte y por otra, proveen de una escala moderada a las células habitacionales, que les permitía variar de forma ordenada desde la escala cercana a la gran escala espiritual de la ciudad… Los muros trabajan como elementos constructivos creadores de espacio, hacia el interior, con un cierto límite, ya que es este un espacio determinante. 2. Ejes. Se construyen - como ejes ópticos - llevando a las ya mencionadas células hacia su correspondiente significado espiritual... 3. La luz. Su estudio es especialmente importante. Los frentes uniformes de numerosos edificios públicos con los barrios al sur, tienen las personas una relación cotidiana con la luz, cuya claridad y fuerza apenas se puede experimentar en las azarosas ciudades occidentales. 4. Construcción. Con la misma actitud espiritual tan impregnada en su cultura, se ordenan también las células más importantes de la ciudad, las salas y espacios principales de los templos, palacios y edificios públicos de los barrios residenciales. Cual bosquecillos en un paisaje construyen condensaciones, sin delimitar estas células urbanas. 5. Tejados. (Exagerando) Sí, flotan cual nubes sobre la tierra sobre las construcciones realizadas con esa actitud espiritual. Tienden sobre esas construcciones la capa probablemente más simbólica de todas. Con ligeros matices, los chinos logran agrandar el pequeño espectáculo de la protección de la techumbre. 6. Las terrazas elevadas. El terreno se prepara con moderación y con cuidada moderación se distancian del suelo, porque la vida no se separa de la esclavitud de la tierra. Sin embargo está enriqueciendo y transformando el mundo a su escala, sin hacer ruido.… 7. Calles. Las vías representativas como la que lleva en Pekín hasta la puerta de entrada al palacio de la ciudad prohibida, contrastan con las interiores que son meros carriles de descongestión de los densos distritos residenciales. Estas calles son franjas de arcilla que discurren entre las altas tapias de las casas donde tan solo tiene lugar el juego de la vida, en familia. De este modo las pequeñas calles con su forma cambiante, son también parte de un único orden espiritual, formadas por la expansión sustancial de las construcciones adyacentes… 8. El Paisaje. Se tienen así paisajes a distintas escalas, realizados o desarrollados desde tamaños inminentes a escalas cercanas a la mano del hombre. También cuando los paisajes están fuera de los ámbitos urbanos son ordenados y utilizados, quedando en ellos bellos retazos asilvestrados, porciones vivas y muertas, y refugios de los demonios. Naturalezas ocupadas y libremente vividas en un rico intercambio. Ya sean partes de paisajes grandes o pequeñas, fuera o dentro de las ciudades, son ciertamente de distintos escalas pero no por ello distintos. No hay (como en los jardines occidentales) naturalezas desarmadas. …” Estos aspectos del urbanismo chino revelaban una gran preocupación por aquellos temas relativos a las características de las condiciones públicas de las ciudades y de sus paisajes, al tiempo que un cierto distanciamiento del problema de la vivienda, aún con las acusadas carencias que en este sentido presentaban las ciudades del periodo de postguerra y a pesar de haber sido tantas veces el centro de los intereses de los CIAM. Dejaban entrever la necesidad de encontrar la ciudad como cristalización de una cultura y sociedad. Las instituciones públicas debían ser capaces de convocar a la población mientras que las casas tenían su propia existencia más o menos espontánea y ligada a la tierra, con un mayor grado de libertad e independencia respecto a los planes de los urbanistas. Pero muchas de estas condiciones que Scharoun encontraba en las ciudades chinas, estaban también presentes en la mayoría de las ciudades medievales centroeuropeas, incluyendo a la propia Berlín. La ciudad medieval de Praga, con su característico skyline de cúpulas, cubiertas y torres ABSTRACT Hypothesis Working method Study state 1. BERLIN HAUPTSTADT: 1945 – 1958 1945. Governments and divisions in post-war Berlin 1946. The “KollektivPlan” 1948. The Bonatz Plan 1957. The IBA´57 2. THE SET-UP Planning a Capital. “Berlin Hauptstadt” The working area The jury and the competition programme The refute of Walter Gropius The Berlin Capital requirements 3. MONUMENTALITY AND CLOSER SCALES The C.I.A.M. at Bridgewater and Hoddesdon. Modern urbanism as institutional urban planning thinking Finalists and Shortlisted proposals 4. OPEN FLOOR PLAN AND PREEXISTENCES AFTER WAR “The as found” The C.I.A.M. 7 in Bergamo. About the rebuild of old cities “Nothing to conserve.” Le Corbusier´s Plan for Berlin. From Inside. The plan proposed by Luiggi Piccinato. 5. LIFE IN THE STREET. OVERLAYED USES ON ANCIENT PUBLIC SPACES Form Hoddesdon to Dubrovnic, and the Doorn manifesto. Shared uses. The Plan proposed by Van der Broeck and Bakema Streets in the air. The Plan proposed by Alison and Peter Smithson “The charged void”. Two chairs and an action trail. 6. LANDSCAPE AS A URBAN PRINCIPLE 1957. The irruption of urban motorways Plan Towards a definition for “Urbanism.” The C.I.A.M. in LaSarraz. From “Grosstadt” to “StadtLandschaft.” The proposal by Korn and Rosemberg Chinese landscapes. The proposal by Ebert and Scharoun 7. FOOTPRINTS OF A NEW SOCIETY The influence of other avant-gardes Paths and trails in Albert H. Steiner proposal Berlín-Mitte Form and contains. References to medieval city in the proposal by Scharoun From Friedrichshein to Berlin Hauptstadt. 8. CONCLUSIONS Changing context and pragmatism Human city necessity after war BIBLIOGRAPHY Essential Bibliography Specific publications Specific publications contemporary to “Berlin Hauptstadt” competition General Bibliography APPENDIX Documents Specific publications ABSTRACT Public space, being perhaps one of the urbanism most studied topics on last years, however lacks events sufficiently distant in time to recognize its recent history. The emergence of organic and later existentialism philosophies after Second World War changed the way of thinking in those areas of knowledge relating to urbanism and city planning. The switched context found in European capitals after the War crystallized the need for a "humanized" city. This need is recognized in some isolated proposals of those years , but these questions were also present in the way public space was thought in different debates and urban planning discussions hold at the International Congresses of Modern Architecture, where the decisive influence of the "Athens Charter" prerogatives and its several reviews was on the basis of its final dissolution staged by Team X in Oterloo in 1959. Despite the on going revisions conducted in the post-war period, the gap between theoretical assumptions and urban realities that CIAM participants found at that time, led to some skepticism and a loss of interest in urban theories and aimed them to set on a projective practice, solving specific issues for further general conclusions. The "Berlin Hauptstadt" Competition, an ambitious Plan for the capital of a united Germany convened in Berlin 1957 by the "Internationalles Bauaustellung" was a last episode in this period of discussions and dissolution of modern urbanism that shows uncertainties and contradictions of some participants when were faced to the public space projects distrusting their theoretical bases. While building projects regarded more or less as they were in pre-war period, in some cases, the public space projects presented in the submitted proposals, are perceived with some important variations comparing to the planning guidelines defended by the CIAM urbanism at that time. Thus, the study of Berlin Hauptstadt competition is here presented as a compilation of these pragmatic responses to the switched context, which will allow us to find nuances and differences of interpretation between some of the presented proposals to reveal through them latent conditions in the public space projects at European post-war. CONCLUSIONS Changing context and pragmatism After having a view of the different concepts used by the participants in their proposals presented to the competition, there is a first conclusion we can drop out. The postwar in Berlin, from the Postdam conference until the Wall erection in august 1961, revealed a frozen period in its recent history on which no urban plan was developed under urban arguments nor theories. Most of the urban changes occurred where done by political decisions. Somehow the global urbanism promoted by the postwar CIAMs helped to this situation, the City planning as a standardized method allowed politicians to use it as a tool for propaganda and so to fight for their own interests. Although the specific situation of Berlin, the use of urbanism as a tool for propaganda has been also a usual problem after second world war in some European cities. But meanwhile modern urbanism became an institutional tool and architects and urban planners refuted it beginning then their own research on city planning from a projective practice by solving concrete questions they found in the given context. Thus, we have the proposal of Piccinato in Berlin Hauptstadt working with the existing to develop a non conclude city, far away from previous works like the one of Villa Sabaudia (1934) organized as an axial and well oriented, shaped city. We find in the Smithson proposal a complex city centre with a “charged void” conception, much more picturesque and aerial than the one projected for Golden Lane, four years before. Their concept “area of quietude” proposed at the Berlin competition was used once again a year after, in the elevated plaza that support the Economist buildings. At last we find that Landscape was again used to city planning and thus many proposals were not based on such concepts as transport main lines or building zonings, but in imagined landscapes, which were after filled up with the program. The proposal presented by Arthur Korn and Stephen Rosenberg was quite a renounce of the CIAM principles, which Korn drew up with the “Ernst May Brigade” in the soviet cities between 1930 and 1933 and ten years later in London with the MARS group. Utzon with Abben and Anderson, also settled up another landscape concept which he import from distant cultures to Berlin. He used the Mayas platforms from the Yucatan half island, and the oriental ones as well, in different projects during those years when he was fling constantly from Denmark to Sidney. But he used it not only to project specific buildings like the one of Sidney Concert Hall, in Berlin and later in other places of a smaller scale such concepts were used for urban planning as well. Landscape was also the final solution for a concept, which Hans Scharoun was working on during all these postwar years in Berlin. The Spree-band he already proposed inspired by Peter Friedrich in the Kollektivplan (1946) as a consequence of the traffic main lines and as a logic separation of functions of the city, was presented in Berlin Hauptstadt as a liberated build mass which disposed at the Leipzigerstrasse permitted Tiergarten Park to be continuously expanded all over the Spree valley. The enormous build mass shaped with gold roofs, presented a high level of public spaces that were able to convoke and bring up citizens for having a view of their entire inhabited landscape. The necessity of a human city after war Despite of their different approaches to the Berlin Hauptstadt solitudes, most of the presented proposals showed up a concerning about what was named: “Humanizierung der Stadt” (Humanization of the city), that was a exposed necessity in their submitted texts. But humanizing was a extremely difficult goal at that time in Berlin, a city immerse at the epicenter of the “Cold War” After so many decades isolated and frozen by the “Wall”, Berlin or better the Berliners have developed its own way for city planning. The restricted life they could overlay to the city voids, have leave specific footprints and shaped the ground showing up their own the daily uses of the city. After the “Wall fallen” the great efforts token to unify the divided city by both governments revealed another, thus softly, division. The one established between a real city sculpted by the citizens daily life and other one planned by the council occupying most of these charged voids with a new remake of the Wagner Plan (1925) or the reconstruction of the 19th century city. Even now having a walk by the city void grounds that once were planned in the Berlin Hauptstadt competition, is possible to see the great value they still have for preserving a sort of places with a closer scale, in such a great City. Sometimes, the footprints confirm some of the ideas that were appointed in the competitors proposals. The inner city proposed by Piccinato is present now in very different places like “PrizessinGarten” or “Pfefferberg” which with their own specific character made from their inside uses, influence the whole neighborhood where they are sited. The ground beside the Reichstag, contrary to the idea of an open-air parliament presented by the Smithson, is today marked with the footprints of the rows of the visitors who want to climb up the new dome and take a view. Meanwhile footprints in other places such as the Mauerpark at Prenzlauerberg show us a rich and with various uses place, where citizens find them selves. Also the landscape is present in some public spaces of the city freely occupied as observatories. The intense relation with the river proposed by Korn and Rosenberg can be lived in the bridge Admiralbrücke where the spring solstice is in alignment with the Landwehrkanal and so people meet this day to presence the sunset. Footprints on both sides of the canal bring the observers to the meeting point. One of the few elevations existing in the city grounds, hosts footprints from the Grossbeerenstrasse and Tempelhofstrasse avenues that are self concentrated in the National Monument projected by Schinkel in 1822, in memoriam of the Independence war fallen. The observatory an octagonal base which crowns the ViktoriaPark, give to citizens a place to sit down all over the hill skirts and watch the city landscape and its skylines. This kind of city recognition was also the basis of the landscape proposed by Hans Scharoun for the competition.