Las Infraestructuras de Datos Espaciales (IDE) como un recurso educativo TIC . Estrategias de formación y difusión para el profesorado de la Educación Secundaria Obligatoria

Desde mediados de los 90, gracias a las posibilidades de la World Wide Web, se liberó la cartografía de su dependencia del medio físico, posibilitando el acceso y visualización de millones de mapas almacenados en formatos gráficos a través de Internet. En este contexto, el papel de la Información Geográfica (IG) en la vida cotidiana adquirió relevancia en la medida que el acceso a la misma resultaba cada vez más fácil gracias a múltiples herramientas y aplicaciones para distribuir y acercar los mapas en distintos formatos a la sociedad en general. Sin embargo, dado que esa información enseguida pasaba a estar desactualizada, surgió una demanda desde distintos ámbitos (seguridad, medio ambiente transporte, servicios, etc.) y de la sociedad en general para disponer de la información más actual. Como respuesta a esta demanda, surgen las iniciativas denominadas Infraestructuras de Datos Espaciales (IDE). Estas iniciativas, mediante la acción coordinada de un conjunto de tecnologías, estándares, normas y políticas, brindan la posibilidad a los usuarios de acceder, a través de Internet, a IG actualizada producida por instituciones y organismos oficiales, en un marco colaborativo y sustentada en una estructura organizativa. En este contexto, el ámbito educativo no ha permanecido ajeno representando uno de los espacios más propicios para la difusión de las potencialidades y usos de las IDE. En esta tesis se propone la utilización de las IDE en el contexto educativo, específicamente en la Educación Secundaria Obligatoria (ESO). Utilizar las IDE en el contexto educativo implica asignarle un papel en el proceso de enseñanza-aprendizaje y en el marco de esta tesis se presentan los fundamentos teóricos que permiten afirmar que las IDE son un re-curso educativo que responde a las características de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC). Esto se explicita a través de un concepto más amplio que hemos denominado “recurso educativo TIC”. En este contexto se analizan las posibilidades que ofrece las IDE para alcanzar los objetivos de aprendizaje de asignaturas de la ESO relacionadas con IG y se identifican contenidos susceptibles de ser abordados utilizándolas. Por otra parte, atendiendo al modelo educativo del aprendizaje basado en competencias, se exponen las posibilidades y potencialidades que ofrecen las IDE para desarrollar la competencia digital. Una vez planteado el marco teórico se desarrollaron dos estrategias de formación y difusión de las IDE orientadas al profesorado de la ESO. En primer lugar, utilizando el Modelo de Diseño Instruccional ADDIE, se diseñaron, desarrollaron, implementaron y evaluaron tres cursos e-learning para el profesorado de ESO de las asignaturas Ciencias Sociales, Ciencias de la Naturaleza y Tecnología. En segundo lugar, con objetivo de complementar los resultados obtenidos de los cursos e-learning, se realizó una actividad en dos Institutos de Educación Secundaria orientada a difundir las IDE. La puesta en práctica de estas estrategias ofreció al profesorado la información necesaria sobre qué son las IDE y proporcionó ejemplos concretos de uso de las mismas en su asignatura, permitiéndoles disponer de los conocimientos e información para emitir una valoración sobre las posibilidades que ofrecen las IDE como un recurso educativo TIC. Since about the middle of the 1990 decade, owing to the potential of the World Wide Web, cartography freed itself from its dependence on its physical support, enabling the access and visualisation of millions of maps stored in graphical formats through the Internet. In this context, the role of Geographic Information (GI) in daily life became relevant in as much as its access turned out to be ever easier due to multiple tools and applications to distribute and bring maps in different formats closer to society in general. Yet, since the information available often became outdated, a demand for updated information arose from different specific fields (security, environment, transport, services, etc.) and from the general public. As a response to this demand, the so-called Spatial Data Infrastructure (SDI) initiatives arose which, through the coordinated action of a set of technologies, stan-dards, and policies, enabled users to access updated GI created by organisations and official institutions, through the Internet, within a cooperative framework and an organisational structure. In this context the educational world has not remained aloof, since it represented one of the most propitious scope for the dissemination of the potentials and uses of SDI. In this thesis the utilization of SDI in the educational context is proposed, specifically in the Spanish Compulsory Secondary Education (Educación Secundaria Obligatoria – ESO). This utilization implies assigning SDI a role in the teaching-learning process; here the theo-retical foundation is presented which allows asserting that SDI is an educational resource fitting in with the characteristics of the Information and Communication Technologies (ICT). This is made explicit by means of a broader concept we have called “ICT educa-tional resource”. The possibilities offered by SDI to reach the objective of learning ESO subjects related to GI are analyzed, and contents apt to be addressed by using them are identified. On the other hand, attending to the educational model of learning based on competences, the possibilities and potentials the SDI offer to develop the digital compe-tence are exposed. After having set forth the theoretical frame, two strategies of training and dissemination of SDI were developed, oriented to the ESO teaching staff. First, using the ADDIE Instruc-tional Design Model, three learning courses were designed, developed, implemented and evaluated for the ESO teaching staff in the subjects of Social Sciences, Natural Sciences and Technology. In the second place, with the purpose of supplementing the results ob-tained from the e-learning courses, an activity was carried out in two High Schools, ori-ented to disseminate the SDI. The implementation of these strategies offered the teaching staff the needed information concerning the SDI and provided specific instances of utilisa-tion thereof in their subject, thus enabling them to acquire the knowledge and information to issue an assessment of the possibilities the SDI offer as an ICT educational resource

Constructs and evaluation strategies for intelligent speculative parallelism - armageddon revisited

This report addresses speculative parallelism (the assignment of spare processing resources to tasks which are not known to be strictly required for the successful completion of a computation) at the user and application level. At this level, the execution of a program is seen as a (dynamic) tree —a graph, in general. A solution for a problem is a traversal of this graph from the initial state to a node known to be the answer. Speculative parallelism then represents the assignment of resources to múltiple branches of this graph even if they are not positively known to be on the path to a solution. In highly non-deterministic programs the branching factor can be very high and a naive assignment will very soon use up all the resources. This report presents work assignment strategies other than the usual depth-first and breadth-first. Instead, best-first strategies are used. Since their definition is application-dependent, the application language contains primitives that allow the user (or application programmer) to a) indícate when intelligent OR-parallelism should be used; b) provide the functions that define "best," and c) indícate when to use them. An abstract architecture enables those primitives to perform the search in a "speculative" way, using several processors, synchronizing them, killing the siblings of the path leading to the answer, etc. The user is freed from worrying about these interactions. Several search strategies are proposed and their implementation issues are addressed. "Armageddon," a global pruning method, is introduced, together with both a software and a hardware implementation for it. The concepts exposed are applicable to áreas of Artificial Intelligence such as extensive expert systems, planning, game playing, and in general to large search problems. The proposed strategies, although showing promise, have not been evaluated by simulation or experimentation.

A sensorless virtual slave control scheme for kinematically dissimilar master-slave teleoperation

The use of telerobotic systems is essential for remote handling (RH) operations in radioactive areas of scientific facilities that generate high doses of radiation. Recent developments in remote handling technology has seen a great deal of effort being directed towards the design of modular remote handling control rooms equipped with a standard master arm which will be used to separately control a range of different slave devices. This application thus requires a kinematically dissimilar master-slave control scheme. In order to avoid drag and other effects such as friction or other non-linear and unmodelled slave arm effects of the common position-position architecture in nonbackdrivable slaves, this research has implemented a force-position control scheme. End-effector force is derived from motor torque values which, to avoid the use of radiation intolerant and costly sensing devices, are inferred from motor current measurement. This has been demonstrated on a 1-DOF test-rig with a permanent magnet synchronous motor teleoperated by a Sensable Phantom Omni® haptic master. This has been shown to allow accurate control while realistically conveying dynamic force information back to the operator.

Proprioceptive force estimation and control for teleoperation in radioactive environments

A medida que se incrementa la energía de los aceleradores de partículas o iones pesados como el CERN o GSI, de los reactores de fusión como JET o ITER, u otros experimentos científicos, se va haciendo cada vez más imprescindible el uso de técnicas de manipulación remota para la interacción con el entorno sujeto a la radiación. Hasta ahora la tasa de dosis radioactiva en el CERN podía tomar valores cercanos a algunos mSv para tiempos de enfriamiento de horas, que permitían la intervención humana para tareas de mantenimiento. Durante los primeros ensayos con plasma en JET, se alcanzaban valores cercanos a los 200 μSv después de un tiempo de enfriamiento de 4 meses y ya se hacía extensivo el uso de técnicas de manipulación remota. Hay una clara tendencia al incremento de los niveles de radioactividad en el futuro en este tipo de instalaciones. Un claro ejemplo es ITER, donde se esperan valores de 450 Sv/h en el centro del toroide a los 11 días de enfriamiento o los nuevos niveles energéticos del CERN que harán necesario una apuesta por niveles de mantenimiento remotos. En estas circunstancias se enmarca esta tesis, que estudia un sistema de control bilateral basado en fuerza-posición, tratando de evitar el uso de sensores de fuerza/par, cuyo contenido electrónico los hace especialmente sensitivos en estos ambientes. El contenido de este trabajo se centra en la teleoperación de robots industriales, que debido a su reconocida solvencia y facilidad para ser adaptados a estos entornos, unido al bajo coste y alta disponibilidad, les convierte en una alternativa interesante para tareas de manipulación remota frente a costosas soluciones a medida. En primer lugar se considera el problema cinemático de teleoperación maestro-esclavo de cinemática disimilar y se desarrolla un método general para la solución del problema en el que se incluye el uso de fuerzas asistivas para guiar al operador. A continuación se explican con detalle los experimentos realizados con un robot ABB y que muestran las dificultades encontradas y recomendaciones para solventarlas. Se concluye el estudio cinemático con un método para el encaje de espacios de trabajo entre maestro y esclavo disimilares. Posteriormente se mira hacia la dinámica, estudiándose el modelado de robots con vistas a obtener un método que permita estimar las fuerzas externas que actúan sobre los mismos. Durante la caracterización del modelo dinámico, se realizan varios ensayos para tratar de encontrar un compromiso entre complejidad de cálculo y error de estimación. También se dan las claves para modelar y caracterizar robots con estructura en forma de paralelogramo y se presenta la arquitectura de control deseada. Una vez obtenido el modelo completo del esclavo, se investigan diferentes alternativas que permitan una estimación de fuerzas externas en tiempo real, minimizando las derivadas de la posición para minimizar el ruido. Se comienza utilizando observadores clásicos del estado para ir evolucionando hasta llegar al desarrollo de un observador de tipo Luenberger-Sliding cuya implementación es relativamente sencilla y sus resultados contundentes. También se analiza el uso del observador propuesto durante un control bilateral simulado en el que se compara la realimentación de fuerzas obtenida con las técnicas clásicas basadas en error de posición frente a un control basado en fuerza-posición donde la fuerza es estimada y no medida. Se comprueba como la solución propuesta da resultados comparables con las arquitecturas clásicas y sin embargo introduce una alternativa para la teleoperación de robots industriales cuya teleoperación en entornos radioactivos sería imposible de otra manera. Finalmente se analizan los problemas derivados de la aplicación práctica de la teleoperación en los escenarios mencionados anteriormente. Debido a las condiciones prohibitivas para todo equipo electrónico, los sistemas de control se deben colocar a gran distancia de los manipuladores, dando lugar a longitudes de cable de centenares de metros. En estas condiciones se crean sobretensiones en controladores basados en PWM que pueden ser destructivas para el sistema formado por control, cableado y actuador, y por tanto, han de ser eliminadas. En este trabajo se propone una solución basada en un filtro LC comercial y se prueba de forma extensiva que su inclusión no produce efectos negativos sobre el control del actuador. ABSTRACT As the energy on the particle accelerators or heavy ion accelerators such as CERN or GSI, fusion reactors such as JET or ITER, or other scientific experiments is increased, it is becoming increasingly necessary to use remote handling techniques to interact with the remote and radioactive environment. So far, the dose rate at CERN could present values near several mSv for cooling times on the range of hours, which allowed human intervention for maintenance tasks. At JET, they measured values close to 200 μSv after a cooling time of 4 months and since then, the remote handling techniques became usual. There is a clear tendency to increase the radiation levels in the future. A clear example is ITER, where values of 450 Sv/h are expected in the centre of the torus after 11 days of cooling. Also, the new energetic levels of CERN are expected to lead to a more advanced remote handling means. In these circumstances this thesis is framed, studying a bilateral control system based on force-position, trying to avoid the use of force/torque sensors, whose electronic content makes them very sensitive in these environments. The contents of this work are focused on teleoperating industrial robots, which due its well-known reliability, easiness to be adapted to these environments, cost-effectiveness and high availability, are considered as an interesting alternative to expensive custom-made solutions for remote handling tasks. Firstly, the kinematic problem of teloperating master and slave with dissimilar kinematics is analysed and a new general approach for solving this issue is presented. The solution includes using assistive forces in order to guide the human operator. Coming up next, I explain with detail the experiments accomplished with an ABB robot that show the difficulties encountered and the proposed solutions. This section is concluded with a method to match the master’s and slave’s workspaces when they present dissimilar kinematics. Later on, the research studies the dynamics, with special focus on robot modelling with the purpose of obtaining a method that allows to estimate external forces acting on them. During the characterisation of the model’s parameters, a set of tests are performed in order to get to a compromise between computational complexity and estimation error. Key points for modelling and characterising robots with a parallelogram structure are also given, and the desired control architecture is presented. Once a complete model of the slave is obtained, different alternatives for external force estimation are review to be able to predict forces in real time, minimizing the position differentiation to minimize the estimation noise. The research starts by implementing classic state observers and then it evolves towards the use of Luenberger- Sliding observers whose implementation is relatively easy and the results are convincing. I also analyse the use of proposed observer during a simulated bilateral control on which the force feedback obtained with the classic techniques based on the position error is compared versus a control architecture based on force-position, where the force is estimated instead of measured. I t is checked how the proposed solution gives results comparable with the classical techniques and however introduces an alternative method for teleoperating industrial robots whose teleoperation in radioactive environments would have been impossible in a different way. Finally, the problems originated by the practical application of teleoperation in the before mentioned scenarios are analysed. Due the prohibitive conditions for every electronic equipment, the control systems should be placed far from the manipulators. This provokes that the power cables that fed the slaves devices can present lengths of hundreds of meters. In these circumstances, overvoltage waves are developed when implementing drives based on PWM technique. The occurrence of overvoltage is very dangerous for the system composed by drive, wiring and actuator, and has to be eliminated. During this work, a solution based on commercial LC filters is proposed and it is extensively proved that its inclusion does not introduce adverse effects into the actuator’s control.

Análisis de ataques avanzados y sus técnicas de detección

Los ataques a redes de información son cada vez más sofisticados y exigen una constante evolución y mejora de las técnicas de detección. Para ello, en este proyecto se ha diseñado e implementado una plataforma cooperativa para la detección de intrusiones basada en red. En primer lugar, se ha realizado un estudio teórico previo del marco tecnológico relacionado con este ámbito, en el que se describe y caracteriza el software que se utiliza para realizar ataques a sistemas (malware) así como los métodos que se utilizan para llegar a transmitir ese software (vectores de ataque). En el documento también se describen los llamados APT, que son ataques dirigidos con una gran inversión económica y temporal. Estos pueden englobar todos los malware y vectores de ataque existentes. Para poder evitar estos ataques, se estudiarán los sistemas de detección y prevención de intrusiones, describiendo brevemente los algoritmos que se tienden a utilizar en la actualidad. En segundo lugar, se ha planteado y desarrollado una plataforma en red dedicada al análisis de paquetes y conexiones para detectar posibles intrusiones. Este sistema está orientado a sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition) aunque funciona sobre cualquier red IPv4/IPv6, para ello se definirá previamente lo que es un sistema SCADA, así como sus partes principales. Para implementar el sistema se han utilizado dispositivos de bajo consumo llamados Raspberry PI, estos se ubican entre la red y el equipo final que se quiera analizar. En ellos se ejecutan 2 aplicaciones desarrolladas de tipo cliente-servidor (la Raspberry central ejecutará la aplicación servidora y las esclavas la aplicación cliente) que funcionan de forma cooperativa utilizando la tecnología distribuida de Hadoop, la cual se explica previamente. Mediante esta tecnología se consigue desarrollar un sistema completamente escalable. La aplicación servidora muestra una interfaz gráfica que permite administrar la plataforma de análisis de forma centralizada, pudiendo ver así las alarmas de cada dispositivo y calificando cada paquete según su peligrosidad. El algoritmo desarrollado en la aplicación calcula el ratio de paquetes/tiempo que entran/salen del equipo final, procesando los paquetes y analizándolos teniendo en cuenta la información de señalización, creando diferentes bases de datos que irán mejorando la robustez del sistema, reduciendo así la posibilidad de ataques externos. Para concluir, el proyecto inicial incluía el procesamiento en la nube de la aplicación principal, pudiendo administrar así varias infraestructuras concurrentemente, aunque debido al trabajo extra necesario se ha dejado preparado el sistema para poder implementar esta funcionalidad. En el caso experimental actual el procesamiento de la aplicación servidora se realiza en la Raspberry principal, creando un sistema escalable, rápido y tolerante a fallos. ABSTRACT. The attacks to networks of information are increasingly sophisticated and demand a constant evolution and improvement of the technologies of detection. For this project it is developed and implemented a cooperative platform for detect intrusions based on networking. First, there has been a previous theoretical study of technological framework related to this area, which describes the software used for attacks on systems (malware) as well as the methods used in order to transmit this software (attack vectors). In this document it is described the APT, which are attacks directed with a big economic and time inversion. These can contain all existing malware and attack vectors. To prevent these attacks, intrusion detection systems and prevention intrusion systems will be discussed, describing previously the algorithms tend to use today. Secondly, a platform for analyzing network packets has been proposed and developed to detect possible intrusions in SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition) systems. This platform is designed for SCADA systems (Supervisory Control And Data Acquisition) but works on any IPv4 / IPv6 network. Previously, it is defined what a SCADA system is and the main parts of it. To implement it, we used low-power devices called Raspberry PI, these are located between the network and the final device to analyze it. In these Raspberry run two applications client-server developed (the central Raspberry runs the server application and the slaves the client application) that work cooperatively using Hadoop distributed technology, which is previously explained. Using this technology is achieved develop a fully scalable system. The server application displays a graphical interface to manage analytics platform centrally, thereby we can see each device alarms and qualifying each packet by dangerousness. The algorithm developed in the application calculates the ratio of packets/time entering/leaving the terminal device, processing the packets and analyzing the signaling information of each packet, reating different databases that will improve the system, thereby reducing the possibility of external attacks. In conclusion, the initial project included cloud computing of the main application, being able to manage multiple concurrent infrastructure, but due to the extra work required has been made ready the system to implement this funcionality. In the current test case the server application processing is made on the main Raspberry, creating a scalable, fast and fault-tolerant system.