The Optimal combination: Grammatical Swarm, Particle Swarm Optimization and Neural Networks.

Social behaviour is mainly based on swarm colonies, in which each individual shares its knowledge about the environment with other individuals to get optimal solutions. Such co-operative model differs from competitive models in the way that individuals die and are born by combining information of alive ones. This paper presents the particle swarm optimization with differential evolution algorithm in order to train a neural network instead the classic back propagation algorithm. The performance of a neural network for particular problems is critically dependant on the choice of the processing elements, the net architecture and the learning algorithm. This work is focused in the development of methods for the evolutionary design of artificial neural networks. This paper focuses in optimizing the topology and structure of connectivity for these networks.

Quality assurance systems in the production and marketing of fresh peaches.

Due to the fast rate of peach post-harvest ripening, damage due to mechanical handling, externally appreciated as bruises and soft areas, is a real problem that leads to an early harvesting and poor quality of the fruits, as perceived by the consumers. More and more, the European consumer asks for good taste and freshness of fruits and vegetables, and these quality factors are not included in standards, nor in most of the producers' practices. Fruit processing and marketing centres (co-operatives) are increasingly interested in adopting quality controls in their processes. ISO 9000 procedures are being applied in some food areas, primarily milk and meat processors, but no generalised procedures have been developed until the present time to be applied to fresh product processes. All different peach and nectarine varieties that are harvested and handled in Murcia cooperatives and sold in a large supermarket in Madrid were analysed during the whole 1997 season (early May to late August). A total number of 78 samples of 25 fruits (co-operative) or 10 fruits (market), were tested in the laboratory for mechanical, optical, chemical and tasting quality. The variability and relationships between all these quality parameters are presented and discussed, and sampling unit sizes which would be advisable for quality control are calculated.

Polynomial regression using a perceptron with axo-axonic connections

Social behavior is mainly based on swarm colonies, in which each individual shares its knowledge about the environment with other individuals to get optimal solutions. Such co-operative model differs from competitive models in the way that individuals die and are born by combining information of alive ones. This paper presents the particle swarm optimization with differential evolution algorithm in order to train a neural network instead the classic back propagation algorithm. The performance of a neural network for particular problems is critically dependant on the choice of the processing elements, the net architecture and the learning algorithm. This work is focused in the development of methods for the evolutionary design of artificial neural networks. This paper focuses in optimizing the topology and structure of connectivity for these networks

Coupled Nonlinear Ginzburg-Landau and Mechanics Model for Martensitic Transformations in Polycrystals

Las transformaciones martensíticas (MT) se definen como un cambio en la estructura del cristal para formar una fase coherente o estructuras de dominio multivariante, a partir de la fase inicial con la misma composición, debido a pequeños intercambios o movimientos atómicos cooperativos. En el siglo pasado se han descubierto MT en diferentes materiales partiendo desde los aceros hasta las aleaciones con memoria de forma, materiales cerámicos y materiales inteligentes. Todos muestran propiedades destacables como alta resistencia mecánica, memoria de forma, efectos de superelasticidad o funcionalidades ferroicas como la piezoelectricidad, electro y magneto-estricción etc. Varios modelos/teorías se han desarrollado en sinergia con el desarrollo de la física del estado sólido para entender por qué las MT generan microstructuras muy variadas y ricas que muestran propiedades muy interesantes. Entre las teorías mejor aceptadas se encuentra la Teoría Fenomenológica de la Cristalografía Martensítica (PTMC, por sus siglas en inglés) que predice el plano de hábito y las relaciones de orientación entre la austenita y la martensita. La reinterpretación de la teoría PTMC en un entorno de mecánica del continuo (CM-PTMC) explica la formación de los dominios de estructuras multivariantes, mientras que la teoría de Landau con dinámica de inercia desentraña los mecanismos físicos de los precursores y otros comportamientos dinámicos. La dinámica de red cristalina desvela la reducción de la dureza acústica de las ondas de tensión de red que da lugar a transformaciones débiles de primer orden en el desplazamiento. A pesar de las diferencias entre las teorías estáticas y dinámicas dado su origen en diversas ramas de la física (por ejemplo mecánica continua o dinámica de la red cristalina), estas teorías deben estar inherentemente conectadas entre sí y mostrar ciertos elementos en común en una perspectiva unificada de la física. No obstante las conexiones físicas y diferencias entre las teorías/modelos no se han tratado hasta la fecha, aun siendo de importancia crítica para la mejora de modelos de MT y para el desarrollo integrado de modelos de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión. Por lo tanto, esta tesis comenzó con dos objetivos claros. El primero fue encontrar las conexiones físicas y las diferencias entre los modelos de MT mediante un análisis teórico detallado y simulaciones numéricas. El segundo objetivo fue expandir el modelo de Landau para ser capaz de estudiar MT en policristales, en el caso de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión, y en presencia de dislocaciones. Comenzando con un resumen de los antecedente, en este trabajo se presentan las bases físicas de los modelos actuales de MT. Su capacidad para predecir MT se clarifica mediante el ansis teórico y las simulaciones de la evolución microstructural de MT de cúbicoatetragonal y cúbicoatrigonal en 3D. Este análisis revela que el modelo de Landau con representación irreducible de la deformación transformada es equivalente a la teoría CM-PTMC y al modelo de microelasticidad para predecir los rasgos estáticos durante la MT, pero proporciona una mejor interpretación de los comportamientos dinámicos. Sin embargo, las aplicaciones del modelo de Landau en materiales estructurales están limitadas por su complejidad. Por tanto, el primer resultado de esta tesis es el desarrollo del modelo de Landau nolineal con representación irreducible de deformaciones y de la dinámica de inercia para policristales. La simulación demuestra que el modelo propuesto es consistente fcamente con el CM-PTMC en la descripción estática, y también permite una predicción del diagrama de fases con la clásica forma ’en C’ de los modos de nucleación martensítica activados por la combinación de temperaturas de enfriamiento y las condiciones de tensión aplicada correlacionadas con la transformación de energía de Landau. Posteriomente, el modelo de Landau de MT es integrado con un modelo de transformación de difusión cuantitativa para elucidar la relajación atómica y la difusión de corto alcance de los elementos durante la MT en acero. El modelo de transformaciones de desplazamiento y difusión incluye los efectos de la relajación en borde de grano para la nucleación heterogenea y la evolución espacio-temporal de potenciales de difusión y movilidades químicas mediante el acoplamiento de herramientas de cálculo y bases de datos termo-cinéticos de tipo CALPHAD. El modelo se aplica para estudiar la evolución microstructural de aceros al carbono policristalinos procesados por enfriamiento y partición (Q&P) en 2D. La microstructura y la composición obtenida mediante la simulación se comparan con los datos experimentales disponibles. Los resultados muestran el importante papel jugado por las diferencias en movilidad de difusión entre la fase austenita y martensita en la distibución de carbono en las aceros. Finalmente, un modelo multi-campo es propuesto mediante la incorporación del modelo de dislocación en grano-grueso al modelo desarrollado de Landau para incluir las diferencias morfológicas entre aceros y aleaciones con memoria de forma con la misma ruptura de simetría. La nucleación de dislocaciones, la formación de la martensita ’butterfly’, y la redistribución del carbono después del revenido son bien representadas en las simulaciones 2D del estudio de la evolución de la microstructura en aceros representativos. Con dicha simulación demostramos que incluyendo las dislocaciones obtenemos para dichos aceros, una buena comparación frente a los datos experimentales de la morfología de los bordes de macla, la existencia de austenita retenida dentro de la martensita, etc. Por tanto, basado en un modelo integral y en el desarrollo de códigos durante esta tesis, se ha creado una herramienta de modelización multiescala y multi-campo. Dicha herramienta acopla la termodinámica y la mecánica del continuo en la macroescala con la cinética de difusión y los modelos de campo de fase/Landau en la mesoescala, y también incluye los principios de la cristalografía y de la dinámica de red cristalina en la microescala. ABSTRACT Martensitic transformation (MT), in a narrow sense, is defined as the change of the crystal structure to form a coherent phase, or multi-variant domain structures out from a parent phase with the same composition, by small shuffles or co-operative movements of atoms. Over the past century, MTs have been discovered in different materials from steels to shape memory alloys, ceramics, and smart materials. They lead to remarkable properties such as high strength, shape memory/superelasticity effects or ferroic functionalities including piezoelectricity, electro- and magneto-striction, etc. Various theories/models have been developed, in synergy with development of solid state physics, to understand why MT can generate these rich microstructures and give rise to intriguing properties. Among the well-established theories, the Phenomenological Theory of Martensitic Crystallography (PTMC) is able to predict the habit plane and the orientation relationship between austenite and martensite. The re-interpretation of the PTMC theory within a continuum mechanics framework (CM-PTMC) explains the formation of the multivariant domain structures, while the Landau theory with inertial dynamics unravels the physical origins of precursors and other dynamic behaviors. The crystal lattice dynamics unveils the acoustic softening of the lattice strain waves leading to the weak first-order displacive transformation, etc. Though differing in statics or dynamics due to their origins in different branches of physics (e.g. continuum mechanics or crystal lattice dynamics), these theories should be inherently connected with each other and show certain elements in common within a unified perspective of physics. However, the physical connections and distinctions among the theories/models have not been addressed yet, although they are critical to further improving the models of MTs and to develop integrated models for more complex displacivediffusive coupled transformations. Therefore, this thesis started with two objectives. The first one was to reveal the physical connections and distinctions among the models of MT by means of detailed theoretical analyses and numerical simulations. The second objective was to expand the Landau model to be able to study MTs in polycrystals, in the case of displacive-diffusive coupled transformations, and in the presence of the dislocations. Starting with a comprehensive review, the physical kernels of the current models of MTs are presented. Their ability to predict MTs is clarified by means of theoretical analyses and simulations of the microstructure evolution of cubic-to-tetragonal and cubic-to-trigonal MTs in 3D. This analysis reveals that the Landau model with irreducible representation of the transformed strain is equivalent to the CM-PTMC theory and microelasticity model to predict the static features during MTs but provides better interpretation of the dynamic behaviors. However, the applications of the Landau model in structural materials are limited due its the complexity. Thus, the first result of this thesis is the development of a nonlinear Landau model with irreducible representation of strains and the inertial dynamics for polycrystals. The simulation demonstrates that the updated model is physically consistent with the CM-PTMC in statics, and also permits a prediction of a classical ’C shaped’ phase diagram of martensitic nucleation modes activated by the combination of quenching temperature and applied stress conditions interplaying with Landau transformation energy. Next, the Landau model of MT is further integrated with a quantitative diffusional transformation model to elucidate atomic relaxation and short range diffusion of elements during the MT in steel. The model for displacive-diffusive transformations includes the effects of grain boundary relaxation for heterogeneous nucleation and the spatio-temporal evolution of diffusion potentials and chemical mobility by means of coupling with a CALPHAD-type thermo-kinetic calculation engine and database. The model is applied to study for the microstructure evolution of polycrystalline carbon steels processed by the Quenching and Partitioning (Q&P) process in 2D. The simulated mixed microstructure and composition distribution are compared with available experimental data. The results show that the important role played by the differences in diffusion mobility between austenite and martensite to the partitioning in carbon steels. Finally, a multi-field model is proposed by incorporating the coarse-grained dislocation model to the developed Landau model to account for the morphological difference between steels and shape memory alloys with same symmetry breaking. The dislocation nucleation, the formation of the ’butterfly’ martensite, and the redistribution of carbon after tempering are well represented in the 2D simulations for the microstructure evolution of the representative steels. With the simulation, we demonstrate that the dislocations account for the experimental observation of rough twin boundaries, retained austenite within martensite, etc. in steels. Thus, based on the integrated model and the in-house codes developed in thesis, a preliminary multi-field, multiscale modeling tool is built up. The new tool couples thermodynamics and continuum mechanics at the macroscale with diffusion kinetics and phase field/Landau model at the mesoscale, and also includes the essentials of crystallography and crystal lattice dynamics at microscale.

Evaluación de los co-beneficios sobre el desarrollo sostenible y la reducción de la pobreza de proyectos de mitigación del cambio climático en Brasil

El cambio climático y los diferentes aspectos del concepto de “desarrollo” están intrínsecamente interconectados. Por un lado, el desarrollo económico de nuestras sociedades ha contribuido a un aumento insostenible de las emisiones de gases de efecto invernadero, las cuales están desestabilizando el sistema climático global, generando al mismo tiempo una distribución desigual de la capacidad de las personas para hacer frente a estos cambios. Por otro lado, en la actualidad existe un amplio consenso sobre que el cambio climático impacta directamente y de manera negativa sobre el denominando desarrollo sostenible. De igual manera, cada vez existe un mayor consenso de que el cambio climático va a desafiar sustancialmente nuestra capacidad de erradicar la pobreza a medio y largo plazo. Ante esta realidad, no cabe duda de que las estrategias de adaptación son esenciales para mantener el desarrollo. Es por esto que hasta el momento, los mayores esfuerzos realizados por unir las agendas globales de la lucha contra la pobreza y del cambio climático se han dado en el entorno de la adaptación al cambio climático. Sin embargo, cada vez son más los actores que defienden, desde distintos escenarios, que existen sinergias entre la mitigación de emisiones y la mejora de las condiciones de vida de las poblaciones más vulnerables, favoreciendo así un “desarrollo sostenible” sin disminuir los recursos financieros destinados a la adaptación. Para hacer efectivo este potencial, es imprescindible identificar diseños de estrategias de mitigación que incrementen los resultados de desarrollo, contribuyendo al desarrollo sostenible al mismo tiempo que a reducir la pobreza. En este contexto se sitúa el objetivo principal de esta investigación, consistente en analizar los co-beneficios locales, para el desarrollo sostenible y la reducción la pobreza, de proyectos de mitigación del cambio climático que se implementan en Brasil. Por co-beneficios se entienden, en el lenguaje de las discusiones internacionales de cambio climático, aquellos beneficios que van más allá de la reducción de emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) intrínsecas por definición a los proyectos de mitigación. Los proyectos de mitigación más relevantes hasta el momento bajo el paraguas de la Convención Marco de las Naciones Unidas para el Cambio Climático (CMNUCC), son los denominados Mecanismos de Desarrollo Limpio (MDL) del Protocolo de Kioto. Sin embargo, existen alternativas de proyectos de mitigación (tales como los denominados “estándares adicionales” a los MDL de los Mercados Voluntarios de Carbono y las Tecnologías Sociales), que también serán tenidos en cuenta en el marco de este estudio. La elección del tema se justifica por la relevancia del mismo en un momento histórico en el que se está decidiendo el futuro del régimen climático a partir del año 2020. Aunque en el momento de redactar este documento, todavía no se ha acordado la forma que tendrán los futuros instrumentos de mitigación, sí que se sabe que los co-beneficios de estos instrumentos serán tan importantes, o incluso más, que las reducciones de GEI que generan. Esto se debe, principalmente, a las presiones realizadas en las negociaciones climáticas por parte de los países menos desarrollados, para los cuales el mayor incentivo de formar parte de dichas negociaciones se basa principalmente en estos potenciales co-beneficios. Los resultados de la tesis se estructuran alrededor de tres preguntas de investigación: ¿cómo están contribuyendo los MDL implementados en Brasil a generar co-beneficios que fomenten el desarrollo sostenible y reduzcan la pobreza?; ¿existen proyectos de mitigación en Brasil que por tener compromisos más exigentes en cuanto a su contribución al desarrollo sostenible y/o la reducción de la pobreza que los MDL estén siendo más eficientes que estos en relación a los co-beneficios que generan?; y ¿qué características de los proyectos de mitigación pueden resultar críticas para potenciar sus co-beneficios en las comunidades en las que se implementan? Para dar respuesta a estas preguntas, se ha desarrollado durante cuatro años una labor de investigación estructurada en varias fases y en la que se combinan diversas metodologías, que abarcan desde el desarrollo de un modelo de análisis de cobeneficios, hasta la aplicación del mismo tanto a nivel documental sobre 194 documentos de diseño de proyecto (denominado análisis ex-ante), como a través de 20 casos de estudio (denominado análisis ex-post). Con la realización de esta investigación, se ha confirmado que los requisitos existentes hasta el momento para registrar un proyecto como MDL bajo la CMNUCC no favorecen sustancialmente la generación de co-beneficios locales para las comunidades en las que se implementan. Adicionalmente, se han identificado prácticas y factores, que vinculadas a las actividades intrínsecas de los proyectos de mitigación, son efectivas para incrementar sus co-beneficios. Estas prácticas y factores podrán ser tenidas en cuenta tanto para mejorar los requisitos de los actuales proyectos MDL, como para apoyar la definición de los nuevos instrumentos climáticos. ABSTRACT Climate change and development are inextricably linked. On the one hand, the economic development of our societies has contributed to the unsustainable increase of Green House Gases emissions, which are destabilizing the global climate system while fostering an unequal distribution of people´s ability to cope with these changes. On the other hand, there is now a consensus that climate change directly impacts the so-called sustainable development. Likely, there is a growing agreement that climate change will substantially threaten our capacity to eradicate poverty in the medium and long term. Given this reality, there is no doubt that adaptation strategies are essentials to keep development. This is why, to date, much of the focus on poverty in the context of climate change has been on adaptation However, without diverting resources from adaptation, there may exist the potential to synergize efforts to mitigate emissions, contribute to sustainable development and reduce poverty. To fulfil this potential, it is key identifying how mitigation strategies can also support sustainable development and reduce poverty. In this context, the main purpose of this investigation is to explore the co-benefits, for sustainable development and for poverty reduction, of climate change mitigation projects being implemented in Brazil. In recent years the term co-benefits, has been used by policy makers and academics to refer the potentially large and diverse range of collateral benefits that can be associated with climate change mitigation policies in addition to the direct avoided climate impact benefits. The most relevant mitigation projects developed during the last years under the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) are the so-called Clean Development Mechanisms (CDM) of the Kyoto Protocol. Thus, this research will analyse this official mechanism. However, there are alternatives to the mitigation projects (such as the "add-on standards" of the Voluntary Carbon Markets, and the Social Technologies) that will also be assessed as part of the research. The selection of this research theme is justified because its relevance in a historic moment in which proposals for a future climate regime after 2020 are being negotiated. Although at the moment of writing this document, there is not a common understanding on the shape of the new mitigation instruments, there is a great agreement about the importance of the co-benefits of such instruments, which may be even more important for the Least Developed Countries that their expected greenhouse gases emissions reductions. The results of the thesis are structured around three research questions: how are the CDM projects being implemented in Brazil generating local co-benefits that foster sustainable development and poverty reduction?; are other mitigation projects in Brazil that due to their more stringent sustainable development and/o poverty reduction criteria, any more successful at delivering co-benefits than regular CDM projects?; and what are the distinguishing characteristics of mitigation projects that are successful at delivering co-benefits? To answer these research questions, during four years it has been developed a research work structured in several phases and combining various methodologies. Those methodologies cover from the development of a co-benefits assessment model, to the application of such model both to a desktop analysis of 194 project design documents, and to 20 case studies using field data based on site visits to the project sites. With the completion of this research, it has been confirmed that current requirements to register a CDM project under the UNFCCC not substantially favour co-benefits at the local level. In addition, some practices and factors enablers of co-benefits have been identified. These characteristics may be taken into consideration to improve the current CDM and to support the definition of the new international market mechanisms for climate mitigation.