Optimization of the Integrated Guidance and Control for a Dual Aerodynamic Control Missile

Las futuras misiones para misiles aire-aire operando dentro de la atmósfera requieren la interceptación de blancos a mayores velocidades y más maniobrables, incluyendo los esperados vehículos aéreos de combate no tripulados. La intercepción tiene que lograrse desde cualquier ángulo de lanzamiento. Una de las principales discusiones en la tecnología de misiles en la actualidad es cómo satisfacer estos nuevos requisitos incrementando la capacidad de maniobra del misil y en paralelo, a través de mejoras en los métodos de guiado y control modernos. Esta Tesis aborda estos dos objetivos simultáneamente, al proponer un diseño integrando el guiado y el control de vuelo (autopiloto) y aplicarlo a misiles con control aerodinámico simultáneo en canard y cola. Un primer avance de los resultados obtenidos ha sido publicado recientemente en el Journal of Aerospace Engineering, en Abril de 2015, [Ibarrondo y Sanz-Aranguez, 2015]. El valor del diseño integrado obtenido es que permite al misil cumplir con los requisitos operacionales mencionados empleando únicamente control aerodinámico. El diseño propuesto se compara favorablemente con esquemas más tradicionales, consiguiendo menores distancias de paso al blanco y necesitando de menores esfuerzos de control incluso en presencia de ruidos. En esta Tesis se demostrará cómo la introducción del doble mando, donde tanto el canard como las aletas de cola son móviles, puede mejorar las actuaciones de un misil existente. Comparado con un misil con control en cola, el doble control requiere sólo introducir dos servos adicionales para accionar los canards también en guiñada y cabeceo. La sección de cola será responsable de controlar el misil en balanceo mediante deflexiones diferenciales de los controles. En el caso del doble mando, la complicación añadida es que los vórtices desprendidos de los canards se propagan corriente abajo y pueden incidir sobre las superficies de cola, alterando sus características de control. Como un primer aporte, se ha desarrollado un modelo analítico completo para la aerodinámica no lineal de un misil con doble control, incluyendo la caracterización de este efecto de acoplamiento aerodinámico. Hay dos modos de funcionamiento en picado y guiñada para un misil de doble mando: ”desviación” y ”opuesto”. En modo ”desviación”, los controles actúan en la misma dirección, generando un cambio inmediato en la sustentación y produciendo un movimiento de translación en el misil. La respuesta es rápida, pero en el modo ”desviación” los misiles con doble control pueden tener dificultades para alcanzar grandes ángulos de ataque y altas aceleraciones laterales. Cuando los controles actúan en direcciones opuestas, el misil rota y el ángulo de ataque del fuselaje se incrementa para generar mayores aceleraciones en estado estacionario, aunque el tiempo de respuesta es mayor. Con el modelo aerodinámico completo, es posible obtener una parametrización dependiente de los estados de la dinámica de corto periodo del misil. Debido al efecto de acoplamiento entre los controles, la respuesta en bucle abierto no depende linealmente de los controles. El autopiloto se optimiza para obtener la maniobra requerida por la ley de guiado sin exceder ninguno de los límites aerodinámicos o mecánicos del misil. Una segunda contribución de la tesis es el desarrollo de un autopiloto con múltiples entradas de control y que integra la aerodinámica no lineal, controlando los tres canales de picado, guiñada y cabeceo de forma simultánea. Las ganancias del autopiloto dependen de los estados del misil y se calculan a cada paso de integración mediante la resolución de una ecuación de Riccati de orden 21x21. Las ganancias obtenidas son sub-óptimas, debido a que una solución completa de la ecuación de Hamilton-Jacobi-Bellman no puede obtenerse de manera práctica, y se asumen ciertas simplificaciones. Se incorpora asimismo un mecanismo que permite acelerar la respuesta en caso necesario. Como parte del autopiloto, se define una estrategia para repartir el esfuerzo de control entre el canard y la cola. Esto se consigue mediante un controlador aumentado situado antes del bucle de optimización, que minimiza el esfuerzo total de control para maniobrar. Esta ley de alimentación directa mantiene al misil cerca de sus condiciones de equilibrio, garantizando una respuesta transitoria adecuada. El controlador no lineal elimina la respuesta de fase no-mínima característica de la cola. En esta Tesis se consideran dos diseños para el guiado y control, el control en Doble-Lazo y el control Integrado. En la aproximación de Doble-Lazo, el autopiloto se sitúa dentro de un bucle interior y se diseña independientemente del guiado, que conforma el bucle más exterior del control. Esta estructura asume que existe separación espectral entre los dos, esto es, que los tiempos de respuesta del autopiloto son mucho mayores que los tiempos característicos del guiado. En el estudio se combina el autopiloto desarrollado con una ley de guiado óptimo. Los resultados obtenidos demuestran que se consiguen aumentos muy importantes en las actuaciones frente a misiles con control canard o control en cola, y que la interceptación, cuando se lanza cerca del curso de colisión, se consigue desde cualquier ángulo alrededor del blanco. Para el misil de doble mando, la estrategia óptima resulta en utilizar el modo de control opuesto en la aproximación al blanco y utilizar el modo de desviación justo antes del impacto. Sin embargo la lógica de doble bucle no consigue el impacto cuando hay desviaciones importantes con respecto al curso de colisión. Una de las razones es que parte de la demanda de guiado se pierde, ya que el misil solo es capaz de modificar su aceleración lateral, y no tiene control sobre su aceleración axial, a no ser que incorpore un motor de empuje regulable. La hipótesis de separación mencionada, y que constituye la base del Doble-Bucle, puede no ser aplicable cuando la dinámica del misil es muy alta en las proximidades del blanco. Si se combinan el guiado y el autopiloto en un único bucle, la información de los estados del misil está disponible para el cálculo de la ley de guiado, y puede calcularse la estrategia optima de guiado considerando las capacidades y la actitud del misil. Una tercera contribución de la Tesis es la resolución de este segundo diseño, la integración no lineal del guiado y del autopiloto (IGA) para el misil de doble control. Aproximaciones anteriores en la literatura han planteado este sistema en ejes cuerpo, resultando en un sistema muy inestable debido al bajo amortiguamiento del misil en cabeceo y guiñada. Las simplificaciones que se tomaron también causan que el misil se deslice alrededor del blanco y no consiga la intercepción. En nuestra aproximación el problema se plantea en ejes inerciales y se recurre a la dinámica de los cuaterniones, eliminado estos inconvenientes. No se limita a la dinámica de corto periodo del misil, porque se construye incluyendo de modo explícito la velocidad dentro del bucle de optimización. La formulación resultante en el IGA es independiente de la maniobra del blanco, que sin embargo se ha de incluir en el cálculo del modelo en Doble-bucle. Un típico inconveniente de los sistemas integrados con controlador proporcional, es el problema de las escalas. Los errores de guiado dominan sobre los errores de posición del misil y saturan el controlador, provocando la pérdida del misil. Este problema se ha tratado aquí con un controlador aumentado previo al bucle de optimización, que define un estado de equilibrio local para el sistema integrado, que pasa a actuar como un regulador. Los criterios de actuaciones para el IGA son los mismos que para el sistema de Doble-Bucle. Sin embargo el problema matemático resultante es muy complejo. El problema óptimo para tiempo finito resulta en una ecuación diferencial de Riccati con condiciones terminales, que no puede resolverse. Mediante un cambio de variable y la introducción de una matriz de transición, este problema se transforma en una ecuación diferencial de Lyapunov que puede resolverse mediante métodos numéricos. La solución resultante solo es aplicable en un entorno cercano del blanco. Cuando la distancia entre misil y blanco es mayor, se desarrolla una solución aproximada basada en la solución de una ecuación algebraica de Riccati para cada paso de integración. Los resultados que se han obtenido demuestran, a través de análisis numéricos en distintos escenarios, que la solución integrada es mejor que el sistema de Doble-Bucle. Las trayectorias resultantes son muy distintas. El IGA preserva el guiado del misil y consigue maximizar el uso de la propulsión, consiguiendo la interceptación del blanco en menores tiempos de vuelo. El sistema es capaz de lograr el impacto donde el Doble-Bucle falla, y además requiere un orden menos de magnitud en la cantidad de cálculos necesarios. El efecto de los ruidos radar, datos discretos y errores del radomo se investigan. El IGA es más robusto, resultando menos afectado por perturbaciones que el Doble- Bucle, especialmente porque el núcleo de optimización en el IGA es independiente de la maniobra del blanco. La estimación de la maniobra del blanco es siempre imprecisa y contaminada por ruido, y degrada la precisión de la solución de Doble-Bucle. Finalmente, como una cuarta contribución, se demuestra que el misil con guiado IGA es capaz de realizar una maniobra de defensa contra un blanco que ataque por su cola, sólo con control aerodinámico. Las trayectorias estudiadas consideran una fase pre-programada de alta velocidad de giro, manteniendo siempre el misil dentro de su envuelta de vuelo. Este procedimiento no necesita recurrir a soluciones técnicamente más complejas como el control vectorial del empuje o control por chorro para ejecutar esta maniobra. En todas las demostraciones matemáticas se utiliza el producto de Kronecker como una herramienta practica para manejar las parametrizaciones dependientes de variables, que resultan en matrices de grandes dimensiones. ABSTRACT Future missions for air to air endo-atmospheric missiles require the interception of targets with higher speeds and more maneuverable, including forthcoming unmanned supersonic combat vehicles. The interception will need to be achieved from any angle and off-boresight launch conditions. One of the most significant discussions in missile technology today is how to satisfy these new operational requirements by increasing missile maneuvering capabilities and in parallel, through the development of more advanced guidance and control methods. This Thesis addresses these two objectives by proposing a novel optimal integrated guidance and autopilot design scheme, applicable to more maneuverable missiles with forward and rearward aerodynamic controls. A first insight of these results have been recently published in the Journal of Aerospace Engineering in April 2015, [Ibarrondo and Sanz-Aránguez, 2015]. The value of this integrated solution is that it allows the missile to comply with the aforementioned requirements only by applying aerodynamic control. The proposed design is compared against more traditional guidance and control approaches with positive results, achieving reduced control efforts and lower miss distances with the integrated logic even in the presence of noises. In this Thesis it will be demonstrated how the dual control missile, where canard and tail fins are both movable, can enhance the capabilities of an existing missile airframe. Compared to a tail missile, dual control only requires two additional servos to actuate the canards in pitch and yaw. The tail section will be responsible to maintain the missile stabilized in roll, like in a classic tail missile. The additional complexity is that the vortices shed from the canard propagate downstream where they interact with the tail surfaces, altering the tail expected control characteristics. These aerodynamic phenomena must be properly described, as a preliminary step, with high enough precision for advanced guidance and control studies. As a first contribution we have developed a full analytical model of the nonlinear aerodynamics of a missile with dual control, including the characterization of this cross-control coupling effect. This development has been produced from a theoretical model validated with reliable practical data obtained from wind tunnel experiments available in the scientific literature, complement with computer fluid dynamics and semi-experimental methods. There are two modes of operating a missile with forward and rear controls, ”divert” and ”opposite” modes. In divert mode, controls are deflected in the same direction, generating an increment in direct lift and missile translation. Response is fast, but in this mode, dual control missiles may have difficulties in achieving large angles of attack and high level of lateral accelerations. When controls are deflected in opposite directions (opposite mode) the missile airframe rotates and the body angle of attack is increased to generate greater accelerations in steady-state, although the response time is larger. With the aero-model, a state dependent parametrization of the dual control missile short term dynamics can be obtained. Due to the cross-coupling effect, the open loop dynamics for the dual control missile is not linearly dependent of the fin positions. The short term missile dynamics are blended with the servo system to obtain an extended autopilot model, where the response is linear with the control fins turning rates, that will be the control variables. The flight control loop is optimized to achieve the maneuver required by the guidance law without exceeding any of the missile aerodynamic or mechanical limitations. The specific aero-limitations and relevant performance indicators for the dual control are set as part of the analysis. A second contribution of this Thesis is the development of a step-tracking multi-input autopilot that integrates non-linear aerodynamics. The designed dual control missile autopilot is a full three dimensional autopilot, where roll, pitch and yaw are integrated, calculating command inputs simultaneously. The autopilot control gains are state dependent, and calculated at each integration step solving a matrix Riccati equation of order 21x21. The resulting gains are sub-optimal as a full solution for the Hamilton-Jacobi-Bellman equation cannot be resolved in practical terms and some simplifications are taken. Acceleration mechanisms with an λ-shift is incorporated in the design. As part of the autopilot, a strategy is defined for proper allocation of control effort between canard and tail channels. This is achieved with an augmented feed forward controller that minimizes the total control effort of the missile to maneuver. The feedforward law also maintains the missile near trim conditions, obtaining a well manner response of the missile. The nonlinear controller proves to eliminate the non-minimum phase effect of the tail. Two guidance and control designs have been considered in this Thesis: the Two- Loop and the Integrated approaches. In the Two-Loop approach, the autopilot is placed in an inner loop and designed separately from an outer guidance loop. This structure assumes that spectral separation holds, meaning that the autopilot response times are much higher than the guidance command updates. The developed nonlinear autopilot is linked in the study to an optimal guidance law. Simulations are carried on launching close to collision course against supersonic and highly maneuver targets. Results demonstrate a large boost in performance provided by the dual control versus more traditional canard and tail missiles, where interception with the dual control close to collision course is achieved form 365deg all around the target. It is shown that for the dual control missile the optimal flight strategy results in using opposite control in its approach to target and quick corrections with divert just before impact. However the Two-Loop logic fails to achieve target interception when there are large deviations initially from collision course. One of the reasons is that part of the guidance command is not followed, because the missile is not able to control its axial acceleration without a throttleable engine. Also the separation hypothesis may not be applicable for a high dynamic vehicle like a dual control missile approaching a maneuvering target. If the guidance and autopilot are combined into a single loop, the guidance law will have information of the missile states and could calculate the most optimal approach to the target considering the actual capabilities and attitude of the missile. A third contribution of this Thesis is the resolution of the mentioned second design, the non-linear integrated guidance and autopilot (IGA) problem for the dual control missile. Previous approaches in the literature have posed the problem in body axes, resulting in high unstable behavior due to the low damping of the missile, and have also caused the missile to slide around the target and not actually hitting it. The IGA system is posed here in inertial axes and quaternion dynamics, eliminating these inconveniences. It is not restricted to the missile short term dynamic, and we have explicitly included the missile speed as a state variable. The IGA formulation is also independent of the target maneuver model that is explicitly included in the Two-loop optimal guidance law model. A typical problem of the integrated systems with a proportional control law is the problem of scales. The guidance errors are larger than missile state errors during most of the flight and result in high gains, control saturation and loss of control. It has been addressed here with an integrated feedforward controller that defines a local equilibrium state at each flight point and the controller acts as a regulator to minimize the IGA states excursions versus the defined feedforward state. The performance criteria for the IGA are the same as in the Two-Loop case. However the resulting optimization problem is mathematically very complex. The optimal problem in a finite-time horizon results in an irresoluble state dependent differential Riccati equation with terminal conditions. With a change of variable and the introduction of a transition matrix, the equation is transformed into a time differential Lyapunov equation that can be solved with known numerical methods in real time. This solution results range limited, and applicable when the missile is in a close neighborhood of the target. For larger ranges, an approximate solution is used, obtained from solution of an algebraic matrix Riccati equation at each integration step. The results obtained show, by mean of several comparative numerical tests in diverse homing scenarios, than the integrated approach is a better solution that the Two- Loop scheme. Trajectories obtained are very different in the two cases. The IGA fully preserves the guidance command and it is able to maximize the utilization of the missile propulsion system, achieving interception with lower miss distances and in lower flight times. The IGA can achieve interception against off-boresight targets where the Two- Loop was not able to success. As an additional advantage, the IGA also requires one order of magnitude less calculations than the Two-Loop solution. The effects of radar noises, discrete radar data and radome errors are investigated. IGA solution is robust, and less affected by radar than the Two-Loop, especially because the target maneuvers are not part of the IGA core optimization loop. Estimation of target acceleration is always imprecise and noisy and degrade the performance of the two-Loop solution. The IGA trajectories are such that minimize the impact of radome errors in the guidance loop. Finally, as a fourth contribution, it is demonstrated that the missile with IGA guidance is capable of performing a defense against attacks from its rear hemisphere, as a tail attack, only with aerodynamic control. The studied trajectories have a preprogrammed high rate turn maneuver, maintaining the missile within its controllable envelope. This solution does not recur to more complex features in service today, like vector control of the missile thrust or side thrusters. In all the mathematical treatments and demonstrations, the Kronecker product has been introduced as a practical tool to handle the state dependent parametrizations that have resulted in very high order matrix equations.

Cadena de valor de papas nativas (Solanum andigenum sp.) en la provincia de Jauja, Perú

La Asamblea General de la ONU, a solicitud del gobierno peruano, declara en el año 2008 el Año Internacional de la Papa, (AIP). Desde el año 2005, el gobierno peruano ha puesto en marcha estrategias en torno a la importancia de la papa, como la declaración del 30 de Mayo como el Día Nacional de la Papa. El año 2014 es declarado por la FAO, (Food and Agriculture Organization of the United Nations), Año Internacional de la Agricultura Familiar, con un enfoque compartido por esta Tesis Doctoral en el apoyo a la familia campesina peruana. El gobierno peruano utiliza las cadenas de valor como una estrategia de promoción de desarrollo sostenible, que ha permitido contribuir a la inclusión social y económica de productores pobres de zonas alto andinas, como las localizadas en la mancomunidad municipal del Yacus, (MMY), provincia de Jauja, departamento de Junín. Esta estrategia, en la que el mercado incorpora a los pequeños agricultores de las zonas altas de los Andes, (que disponen de recursos económicos muy bajos), en procesos productivos rentables, implica una serie de cambios a realizar, como la transformación de los patrones de producción tradicional hacia aquellos productos o servicios que tienen demanda en el mercado, o la variación de la mentalidad del agricultor pequeño hacia una concepción empresarial de su producción. (Fabián, 2013). Por otra parte, la sostenibilidad de las cadenas de valor depende del eslabón más débil, lo que obliga a conocer la situación de todos los eslabones para poder integrar y reforzar la cadena. Se requiere un sistema de transparencia adecuado que facilite el flujo de la información entre los distintos eslabones. (Briz et al., 2012). Además, el establecimiento de la cadena de valor debe hacerse con cuidado, ya que la eficacia y supervivencia de las empresas están cada vez más ligadas a la cadena de valor a la que pertenece y a la coordinación de la misma. (Briz, 2011). En esta situación, adquiere importancia el estudio de la cadena de valor de la papa nativa, para una vez establecidas sus características, poder determinar la viabilidad o no de una cadena de valor de este producto que repercuta parte de la riqueza generada en los pequeños agricultores alto andinos, e incluso, de su extensión hasta España. Existen estudios sobre las papas nativas, realizadas por diferentes universidades de distintos países, e incluso, de diferentes continentes. Sin embargo, la mayoría de los estudios se centran en la mejora de la producción de la papa nativa. La novedad de la investigación realizada en la presente Tesis Doctoral radica en el estudio de la viabilidad de la comercialización de la papa nativa, mediante el establecimiento de una cadena de valor que se inicie en la provincia de Jauja, Perú, y finalice tanto en los mercados peruanos de las regiones de Junín y Lima, como en España. El objetivo planteado en esta investigación es la mejora de las condiciones económicas y sociales de las comunidades agrícolas de la provincia de Jauja en el Perú, así como fomentar su desarrollo tecnológico e industrial, mediante el fomento de la cadena de valor de la papa nativa y sus derivados. Se establecen como objetivos específicos la caracterización de los eslabones de la cadena de valor de la papa nativa y sus derivados en la provincia de Jauja del Perú y en España, de manera que se determine el valor agregado en los mismos; el fortalecimiento de las organizaciones de productores de papas nativas para la comercialización de sus producciones y para el fomento de la cultura empresarial; y el desarrollo de una cadena de comercialización papas nativas y sus derivados con origen en la Provincia de Jauja, Perú, y que finalice en España, con la venta al consumidor español. Para alcanzar estos objetivos la metodología utilizada es la cadena de valor agroalimentaria, utilizando como herramientas de análisis el análisis DAFO de la cadena de valor de la papa nativa. Las fuentes de información primarias utilizadas proceden en parte del proyecto de cooperación de UPM, “Mejora de la cadena de valor de la patata andina como impulso al desarrollo rural. Caso de tres Comunidades Campesinas en la Provincia de Jauja del Perú”, en el que participó el doctorando, y en parte proceden de la batería de encuestas específicamente diseñadas para los diferentes eslabones de la cadena de valor de la papa nativa. Las fuentes de información secundarias proceden de artículos académicos publicados, de artículos publicados por revistas especializadas del sector y de informes realizados por diferentes instituciones gubernamentales, tanto españolas como peruanas. Las conclusiones de la investigación son las siguientes. La creación de la mancomunidad del Yacus ha beneficiado a los pequeños agricultores. Estos consiguen mejores condiciones de venta y mejores precios para sus productos, lo que repercute en la mejora de sus condiciones de vida. Estas mejoras en las condiciones de venta de los productos se deben a su pertenencia a una cadena de valor de papa nativa que está funcionando de forma eficaz. Las empresas consideradas para constituir la cadena de valor han mostrado interés por formar parte de ella: los campesinos para obtener mejores precios por sus productos y unas mejores condiciones de venta; los distribuidores para asegurarse una calidad determinada de unas variedades fijas de papa nativa; la industria transformadora por disponer de un suministro de producto adecuado al derivado de papa nativa correspondiente, (hojuelas, tunta, etc.); las empresas exportadoras para tener suministro garantizado de los productos que ellos requieren en los volúmenes adecuados. Es una situación ventajosa para todas las empresas participantes. A pesar de trabajar con un producto tradicional, la cadena de valor de la papa nativa presenta innovación en los productos comercializados, tanto en la papa nativa fresca como en sus derivados, en los formatos de los productos, en la red de distribución, en las instituciones peruanas y en el consumidor final. Se percibe una demanda de papa nativa y de sus productos derivados en aquellos países donde existen comunidades de latinoamericanos que han emigrado de sus países de origen. España está entre los países que han acogido a un importante número de personas de origen latinoamericano. A pesar de la fuerte crisis económica sufrida por España, que ha llevado consigo la vuelta a sus países de origen de parte de su comunidad latinoamericana, el tamaño de esta población sigue siendo importante. Esta población demanda productos originarios de sus propios países, y los consumirían de forma frecuente si los precios son adecuados a su capacidad de consumo. El precio de venta de la papa nativa y sus derivados en España es de gran importancia. La importación de estos productos desde Perú hace que este eleve a niveles que le resta competitividad, en especial en la papa fresca. Se aconseja la búsqueda de empresas que puedan adaptar la producción de la papa fresca de forma local, y mantener para los derivados la exportación directa a España. Las preferencias de los consumidores peruanos y españoles en cuanto a formatos y marcas se refieren no son coincidentes. De las encuestas realizadas, se concluye que no puede seguirse la misma estrategia de marketing en ambos países, debiéndose diferenciar los formatos de los paquetes de la papa nativa y de sus derivados en España y en Perú, para así lograr llegar a los consumidores potenciales de ambos países. ABSTRACT At the request of the Peruvian government, the UN General Assembly declared the International Year of the Potato in 2008. Since 2005, the Peruvian government has implemented strategies around the importance of the potato, as the declaration of the 30th of May as the National Day of the Potato. FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) has declared 2014 as the International Year of Family Farming, with an approach shared by this Ph.D. dissertation about the Peruvian peasant family. The Peruvian government uses value chains as a strategy to promote sustainable development, which has allowed to contribute to the social and economic inclusion of poor farmers in the high Andean regions as those located in the municipal commonwealth of Yacus (MMY) province of Jauja, department of Junín. This strategy, which incorporates small farmers in the high Andean regions, (who have very low income), to the market with profitable production processes, implies a number of changes that should take place, such as changing patterns of traditional production to those products or services that are in demand in the market, or changes in the mentality of the small farmer into a concept of production business. (Fabián, 2013). Moreover, the sustainability of value chains depends on the weakest link, which demands a knowledge of the status of all the links, in order to integrate and strengthen the chain. It is required an adequate transparency to facilitate the flow of information between the various actors. (Briz et al., 2012). Furthermore, the establishment of the value chain should be done carefully, since the effectiveness and the survival of the businesses are increasingly linked to the value chain where the firm is included and to its coordination. (Briz, 2011). In this situation, it becomes important to study the value chain of the native potato, once we establish its features, to be able to determine the feasibility or not of a value chain of this product, which has an impact of the generated wealth in small farms of the high Andean regions, and even the extension of this value chain to Spain. There are studies on native potatoes, made by different universities in several countries and even in more than one continent. However, most studies focus on improving the production of native potato. The originality of the research conducted in this Ph.D. dissertation is the study of the feasibility of commercialization of native potato, by the creation of a value chain that starts in the province of Jauja, Perú, and ends both in Peruvian markets in the region of Lima, and in Spain. The main goal of this research is to improve the economic and social conditions of farming communities in the province of Jauja in Perú, while promoting its technological and industrial development, by the establishment of a value chain of the native potato and derivatives. The specific objectives of the research are the characterization of the links in the value chain of the native potato and its derivatives in the province of Jauja, (Perú) and in Spain, in order to determine the added value; the strengthening of organizations of native potato producers, to commercialize their products and the promotion of enterprise culture; and the development of a chain to market native potato and its derivatives, with its origin in the province of Jauja, (Perú), and its end in Spain, with the sale to the Spanish consumer. In order to achieve these objectives, the used methodology is the agrifood value chain, using as a tool to analysis it the SWOT analysis of the value chain of the native potato. The primary sources of information used in the research come partly from UPM cooperation project, "Improving the value chain of Andean potato as a boost to rural development. Case Three Rural Communities in the Province of Jauja, (Perú)", in which the Ph.D. student was involved, and partly from the surveys, which were specifically designed for the different links of the value chain of the native potato. The secondary sources of information come from academic articles, from articles published by magazines of the industry, and from reports of several government institutions, both Spanish and Peruvian. The conclusions of the research are as follows. The creation of the commonwealth of Yacus has benefited small farmers. They get better sales conditions and better prices for their products, which results in the improvement of their living conditions. These improvements are due to a value chain of native potato which is working effectively. All the firms invited to constitute the value chain have shown interest in being part of it: the farmers to get better prices for their products and better sale conditions; the distributors to ensure a certain quality of fixed varieties of native potato, the processing industry in order to have an adequate supply of product to the corresponding derivative of native potato (chips, “tunta”, etc.); exporting firms to have a guaranteed supply of the products that they require with the right volumes. It's a win-win situation for all participating companies. Despite being a traditional product, the value chain of the native potato presents innovation in marketed products, (both fresh native potato and its derivatives), in the formats of products, in the distribution network, in Peruvian institutions and in relation with the consumer. There is a perceived demand of native potato and its products in countries where communities of Latin Americans have settled down. Spain is among the countries that have received a significant number of people from Latin America. Despite the strong economic crisis suffered by Spain, which has lead to a return to their home countries of part of the Latin American community, the size of this population is still considerable. This population demands products from their own countries, and they frequently consume them if the prices are suitable to their standard of living. The selling price of the native potato and its derivatives in Spain is of great importance. The import of these products from Perú makes the prices rise to levels that reduce competitiveness, especially in fresh native potatoes. It is advised to look for companies which can adapt the fresh potato production in our country, and keep direct export to Spain for the derivatives products. The preferences of Peruvian and Spanish consumers in terms of formats and brands are not the same. The surveys concluded that the same marketing strategy cannot be followed in both countries. Packet formats of native potato and its derivatives should be differentiated in Spain and Perú, in order to reach the potential consumers of both countries.

Métodos computacionales para visco-hiperelasticidad anisótropa en grandes deformaciones

El comportamiento mecánico de muchos materiales biológicos y poliméricos en grandes deformaciones se puede describir adecuadamente mediante formulaciones isocóricas hiperelásticas y viscoelásticas. Las ecuaciones de comportamiento elástico y viscoelástico y las formulaciones computacionales para materiales incompresibles isótropos en deformaciones finitas están ampliamente desarrolladas en la actualidad. Sin embargo, el desarrollo de modelos anisótropos no lineales y de sus correspondientes formulaciones computacionales sigue siendo un tema de investigación de gran interés. Cuando se consideran grandes deformaciones, existen muchas medidas de deformación disponibles con las que poder formular las ecuaciones de comportamiento. Los modelos en deformaciones cuadráticas facilitan la implementación en códigos de elementos finitos, ya que estas medidas surgen de forma natural en la formulación. No obstante, pueden dificultar la interpretación de los modelos y llevar a resultados pocos realistas. El uso de deformaciones logarítmicas permite el desarrollo de modelos más simples e intuitivos, aunque su formulación computacional debe ser adaptada a las exigencias del programa. Como punto de partida, en esta tesis se demuestra que las deformaciones logarítmicas representan la extensión natural de las deformaciones infinitesimales, tanto axiales como angulares, al campo de las grandes deformaciones. Este hecho permite explicar la simplicidad de las ecuaciones resultantes. Los modelos hiperelásticos predominantes en la actualidad están formulados en invariantes de deformaciones cuadráticas. Estos modelos, ya sean continuos o microestructurales, se caracterizan por tener una forma analítica predefinida. Su expresión definitiva se calcula mediante un ajuste de curvas a datos experimentales. Un modelo que no sigue esta metodología fue desarrollado por Sussman y Bathe. El modelo es sólo válido para isotropía y queda definido por una función de energía interpolada con splines, la cual reproduce los datos experimentales de forma exacta. En esta tesis se presenta su extensión a materiales transversalmente isótropos y ortótropos utilizando deformaciones logarítmicas. Asimismo, se define una nueva propiedad que las funciones de energía anisótropas deben satisfacer para que su convergencia al caso isótropo sea correcta. En visco-hiperelasticidad, aparte de las distintas funciones de energía disponibles, hay dos aproximaciones computational típicas basadas en variables internas. El modelo original de Simó está formulado en tensiones y es válido para materiales anisótropos, aunque sólo es adecuado para pequeñas desviaciones con respecto al equilibrio termodinámico. En cambio, el modelo basado en deformaciones de Reese y Govindjee permite grandes deformaciones no equilibradas pero es, en esencia, isótropo. Las formulaciones anisótropas en este último contexto son microestructurales y emplean el modelo isótropo para cada uno de los constituyentes. En esta tesis se presentan dos formulaciones fenomenológicas viscoelásticas definidas mediante funciones hiperelásticas anisótropas y válidas para grandes desviaciones con respecto al equilibrio termodinámico. El primero de los modelos está basado en la descomposición multiplicativa de Sidoroff y requiere un comportamiento viscoso isótropo. La formulación converge al modelo de Reese y Govindjee en el caso especial de isotropía elástica. El segundo modelo se define a partir de una descomposición multiplicativa inversa. Esta formulación está basada en una descripción co-rotacional del problema, es sustancialmente más compleja y puede dar lugar a tensores constitutivos ligeramente no simétricos. Sin embargo, su rango de aplicación es mucho mayor ya que permite un comportamiento anisótropo tanto elástico como viscoso. Varias simulaciones de elementos finitos muestran la gran versatilidad de estos modelos cuando se combinan con funciones hiperelásticas formadas por splines. ABSTRACT The mechanical behavior of many polymeric and biological materials may be properly modelled be means of isochoric hyperelastic and viscoelastic formulations. These materials may sustain large strains. The viscoelastic computational formulations for isotropic incompressible materials at large strains may be considered well established; for example Ogden’s hyperelastic function and the visco-hyperelastic model of Reese and Govindjee are well known models for isotropy. However, anisotropic models and computational procedures both for hyperelasticity and viscohyperelasticity are still under substantial research. Anisotropic hyperelastic models are typically based on structural invariants obtained from quadratic strain measures. These models may be microstructurallybased or phenomenological continuum formulations, and are characterized by a predefined analytical shape of the stored energy. The actual final expression of the stored energy depends on some material parameters which are obtained from an optimization algorithm, typically the Levenberg-Marquardt algorithm. We present in this work anisotropic spline-based hyperelastic stored energies in which the shape of the stored energy is obtained as part of the procedure and which (exactly in practice) replicates the experimental data. These stored energies are based on invariants obtained from logarithmic strain measures. These strain measures preserve the metric and the physical meaning of the trace and deviator operators and, hence, are interesting and meaningful for anisotropic formulations. Furthermore, the proposed stored energies may be formulated in order to have material-symmetries congruency both from a theoretical and from a numerical point of view, which are new properties that we define in this work. On the other hand, visco-hyperelastic formulations for anisotropic materials are typically based on internal stress-like variables following a procedure used by Sim´o. However, it can be shown that this procedure is not adequate for large deviations from thermodynamic equilibrium. In contrast, a formulation given by Reese and Govindjee is valid for arbitrarily large deviations from thermodynamic equilibrium but not for anisotropic stored energy functions. In this work we present two formulations for visco-hyperelasticity valid for anisotropic stored energies and large deviations from thermodynamic equilibrium. One of the formulations is based on the Sidoroff multiplicative decomposition and converges to the Reese and Govindjee formulation for the case of isotropy. However, the formulation is restricted to isotropy for the viscous component. The second formulation is based on a reversed multiplicative decomposition. This last formulation is substantially more complex and based on a corotational description of the problem. It can also result in a slightly nonsymmetric tangent. However, the formulation allows for anisotropy not only in the equilibrated and non-equilibrated stored energies, but also in the viscous behavior. Some examples show finite element implementation, versatility and interesting characteristics of the models.

Development of Shape-Optimization Tools for the Aerodynamic Design of Turbomachinery Blades

The aim of this work is to develop an automated tool for the optimization of turbomachinery blades founded on an evolutionary strategy. This optimization scheme will serve to deal with supersonic blades cascades for application to Organic Rankine Cycle (ORC) turbines. The blade geometry is defined using parameterization techniques based on B-Splines curves, that allow to have a local control of the shape. The location in space of the control points of the B-Spline curve define the design variables of the optimization problem. In the present work, the performance of the blade shape is assessed by means of fully-turbulent flow simulations performed with a CFD package, in which a look-up table method is applied to ensure an accurate thermodynamic treatment. The solver is set along with the optimization tool to determine the optimal shape of the blade. As only blade-to-blade effects are of interest in this study, quasi-3D calculations are performed, and a single-objective evolutionary strategy is applied to the optimization. As a result, a non-intrusive tool, with no need for gradients definition, is developed. The computational cost is reduced by the use of surrogate models. A Gaussian interpolation scheme (Kriging model) is applied for the estimated n-dimensional function, and a surrogate-based local optimization strategy is proved to yield an accurate way for optimization. In particular, the present optimization scheme has been applied to the re-design of a supersonic stator cascade of an axial-flow turbine. In this design exercise very strong shock waves are generated in the rear blade suction side and shock-boundary layer interaction mechanisms occur. A significant efficiency improvement as a consequence of a more uniform flow at the blade outlet section of the stator is achieved. This is also expected to provide beneficial effects on the design of a subsequent downstream rotor. The method provides an improvement to gradient-based methods and an optimized blade geometry is easily achieved using the genetic algorithm.

Business, development and inclusive supply chains. Exploring pathways for the sustainable incorporation of the poor as suppliers in agrifood supply chains

El panorama global está cambiando, y esto influye sobre la forma en la que entendemos y tratamos de alcanzar un desarrollo humano sostenible. El crecimiento de la población conlleva una mayor presión sobre los recursos, pero también supone una mayor cantidad de mano de obra y de talento; la concentración en áreas urbanas está cambiando las dinámicas sociales y desafiando los canales de comercialización tradicionales, pero también genera nuevos mercados y fomenta la innovación; los cambios en la economía global están reduciendo los tradicionales desequilibrios de poder entre los países occidentales y el resto del mundo; y las crecientes interconexiones crean nuevos riesgos pero también oportunidades para lanzar iniciativas de alcance global. Todas estas tendencias nos están obligando a repensar qué es el desarrollo humano y de qué manera deberíamos afrontar el reto de la pobreza. Es comúnmente aceptado que la globalización implica interdependencia y que, para conseguir un desarrollo humano sostenible, la colaboración entre actores de distintos ámbitos es necesaria. Se observa una creciente convergencia de temas, intereses y soluciones en torno al desarrollo sostenible, incluso en diferentes países y sectores, lo que está facilitando la colaboración estratégica entre empresas, gobiernos y sociedad civil. Existen pocas duda a día de hoy sobre el papel fundamental que las empresas deben desempeñar en la transición mundial hacia la sostenibilidad ambiental y la erradicación de la pobreza. Las empresas están evolucionando desde un enfoque tradicional centrado en la maximización de beneficios económicos hacia un enfoque holístico que integra la sostenibilidad y la responsabilidad social como parte del núcleo de negocio de las compañías. En el ámbito medioambiental, muchas empresas ya han comenzado a actuar y tratan de reducir sus emisiones, sus desechos y su consumo de energía. Sin embargo la contribución de las empresas a la reducción de la pobreza no está tan clara. Actualmente en torno a 1,2 miles de millones de personas viven en situación de extrema pobreza. La mayoría de estas personas aún vive en zonas rurales donde la mayor parte de la población activa trabaja en el sector agrícola. Por lo tanto, mejorar las oportunidades y reducir los riesgos de los productores más vulnerables en el sector de la agricultura puede ser un motor de desarrollo rural y reducción de la pobreza, especialmente en países de bajo nivel de desarrollo cuyas economías están fundamentalmente basadas en la agricultura. Algunas empresas comienzan a incluir a los pobres en sus operaciones como consumidores, proveedores y emprendedores. Esta tesis se centra en las potenciales oportunidades relacionadas con la incorporación sostenible de los pobres como proveedores de productos y/o de mano de obra. La colaboración entre empresas y productores vulnerables de países en desarrollo es un tema relativamente nuevo y todavía poco estudiado. La pregunta que guía esta tesis es: “¿Cómo pueden las empresas facilitar la inclusión sostenible en cadenas de suministro de productores vulnerables de los países menos desarrollados?”. Para responder a la pregunta anterior, la autora ha aplicado una metodología de casos de estudio. Esta metodología se considera apropiada porque la investigación sobre cadenas de suministro inclusivas es todavía escasa y porque es necesario entender en profundidad un fenómeno de la vida real, y para ello es fundamental conocer su contexto. En primer lugar, se realiza una revisión de literatura para identificar las proposiciones y los constructos teóricos que guiarán la posterior recogida de datos. La revisión de literatura se divide en dos partes: una más general que explora la dimensión social de la sostenibilidad en cadenas de suministro, y una más específica que se centra en la incorporación de los pobres como proveedores en cadenas de suministro. A lo largo de la última década, ha habido un crecimiento exponencial de los estudios académicos sobre la sostenibilidad de las cadenas de suministro, pero la mayoría de los esfuerzos se han dirigido hacia la dimensión medioambiental de la sostenibilidad. Por lo tanto la revisión de literatura, que se presenta en la Sección 3.1 (página 35) y que profundiza en la sostenibilidad social de las cadenas de suministro, puede considerarse una contribución en sí misma. Esta revisión de literatura revela que la investigación sobre aspectos sociales en cadenas de suministro está cobrando impulso en distintas áreas de conocimiento, principalmente en los ámbitos de investigación sobre “gestión de cadenas de suministro”, “responsabilidad social corporativa” y “estudios del desarrollo”. La investigación existente sobre sostenibilidad social de cadenas de suministro se centra en tres temas: aclarar la definición de sostenibilidad social; analizar la implementación de estrategias de sostenibilidad social en cadenas de suministro; y estudiar el apoyo de las em presas líderes a proveedores vulnerables para facilitar su transición hacia la sostenibilidad. Un marco conceptual que resume los principales hallazgos de esta primera parte de la revisión de literatura es planteado en la Figura 7 (página 48). No obstante, en el área de investigación que está emergiendo en torno a la sostenibilidad social de las cadenas de suministro, los estudios relacionados con la reducción de la pobreza son aún escasos. Además se aprecia una falta de contribuciones desde y sobre los países menos desarrollados, así como una clara tendencia a reflejar la visión de las empresas líderes de las cadenas de suministro, olvidando la perspectiva de los proveedores. La segunda parte de la revisión de literatura presentada en la Sección 3.2 (página 51) profundiza en tres líneas de investigación que exploran, desde distintas perspectivas, la inclusión de los pobres en cadenas de suministro. Estas líneas son “Global Value Chains��� (GVC), “Base of the Pyramid” (BoP) y “Sustainable Supply Chain Management” (SSCM). La investigación en GVC analiza las cadenas de suministro desde la perspectiva de la globalización económica y el comercio internacional, poniendo especial énfasis en las implicaciones para los países en desarrollo y las comunidades vulnerables. GVC caracteriza las cadenas de suministro según la forma en la que son gobernadas, las oportunidades de mejora que existen para los productores que forman parte de la cadena y el grado de inclusión o exclusión de las comunidades más pobres y vulnerables. La investigación en BoP explora las relaciones comerciales entre empresas y comunidades pobres. La premisa fundamental del concepto BoP es la posibilidad de combinar la generación de beneficios con la reducción de la pobreza. La propuesta original es que mediante la venta de productos y servicios a las comunidades pobres de países en desarrollo, la pobreza puede ser reducida al tiempo que las empresas incrementan sus beneficios, especialmente las grandes empresas multinacionales. Esta idea ha ido evolucionando y, a día de hoy, los investigadores BoP consideran la incorporación de los pobres no sólo como consumidores sino también como empleados, proveedores y co-creadores. La investigación en SSCM ha estado fundamentalmente orientada al estudio de la dimensión medioambiental de la sostenibilidad de cadenas de suministro. Sin embargo, la creciente externalización de la producción a países en desarrollo y las demandas de los grupos de interés para que las empresas aborden todos los aspectos de la sostenibilidad han llevado a los académicos de SSCM a reconocer la importancia de integrar asuntos relacionados con la reducción de la pobreza en sus investigaciones. Algunos estudios comienzan a apuntar los principales retos a los que se enfrentan las empresas para colaborar con productores vulnerables en sus cadenas de suministro. Estos retos son: falta de comunicación, altos costes de transacción y el incremento de la complejidad de las operaciones. Las contribuciones de estas tres líneas de investigación son complementarias para el estudio de las cadenas de suministro inclusivas. Sin embargo, raramente han sido consideradas conjuntamente, ya que pertenecen a ámbitos de conocimiento distintos. Esta tesis integra las aportaciones de GVC, BoP y SSCM en un marco conceptual para la creación y gestión de cadenas de suministro inclusivas. Este marco conceptual para cadenas de suministro inclusivas queda representado en la Figura 9 (página 68). El marco conceptual refleja las motivaciones que llevan a las empresas a colaborar con productores vulnerables, los retos a los que se enfrentan al hacerlo, y los caminos o estrategias que están siguiendo para construir y operar cadenas de suministro inclusivas de manera que sean beneficiosas tanto para la empresa como para los productores vulnerables. A fin de validar y refinar el marco conceptual propuesto, tres casos de estudio se llevan a cabo. Las cadenas de suministro analizadas por los casos de estudio pertenecen al sector agrícola y sus principales proveedores se encuentran en países de África subsahariana. Múltiples métodos de recolección de datos y triangulación son utilizados para mejorar la fiabilidad de los datos. La autora desarrolló trabajos de campo en Senegal, Etiopía y Tanzania. Estos viajes permitieron enriquecer el proceso de recogida de información mediante entrevistas semiestructuradas y conversaciones informales con los principales actores de la cadena de suministro y mediante la observación directa de los procesos y las interacciones entre productores vulnerables y empresas. El Caso de estudio A (Sección 5.1 en página 96) es un caso de estudio único. Analiza la cadena de suministro local de verduras en Senegal. La organización focal es Manobi, una empresa senegalesa que provee servicios de bajo coste a emprendedores locales del sector agrícola. El Caso de estudio A proporciona un interesante análisis del funcionamiento de una cadena de suministro local en un país en desarrollo y muestra como la provisión de servicios profesionales puede mejorar el desempeño de productores vulnerables. El Caso de estudio B (Sección 5.2 en página 122) es un caso de estudio único. Analiza la cadena de suministro global de flor cortada con origen en Etiopía. La organización focal es EHPEA, la Asociación Etíope de Productores y Exportadores Hortícolas, cuya misión es promover y salvaguardar la posición competitiva del sector agrícola etíope en el mercado global. El Caso de estudio B ayuda a comprender mejor la perspectiva de los proveedores respecto a los requerimiento de sostenibilidad del mercado global. También muestra cómo la inclusión de los productores en el proceso de desarrollo de un estándar privado facilita su implementación posterior. El Caso de estudio C (Sección 5.3 en página 143) es un caso de estudio múltiple. Analiza la cadena de suministro global de café especial con origen en Tanzania. Las organizaciones focales son comerciantes que conectan de manera directa a pequeños agricultores de café en países en desarrollo con empresas tostadoras de café en países desarrollados. El Caso de estudio C muestra cómo un pequeño agricultor puede proveer un producto “premium” al mercado global, y participar en un segmento diferenciado del mercado a través de una cadena de suministro transparente y eficiente. Las aportaciones empíricas de los casos de estudio ayudan a validar y mejorar el marco conceptual sobre cadenas de suministro inclusivas (ver discusión en el Capítulo 6 en página 170). El resultado es la propuesta de una nueva versión del marco conceptual representado en la Figura 40 (página 195). Los casos de estudio también proporcionan interesantes aportaciones en relación a la gestión de cadenas de suministro inclusivas y muestran las perspectivas de distintos actores implicados. Esta tesis arroja luz sobre el papel de las empresas en la creación y la gestión de cadenas de suministro inclusivas llevando a cabo una revisión de literatura multidisciplinar y analizando tres casos de estudio en países africanos. Como resultado, esta tesis presenta una serie de contribuciones empíricas y teóricas al ámbito de investigación emergente en torno a las cadenas de suministro inclusivas (Capítulo 7). Esta tesis también pretende ser útil a profesionales que deseen facilitar la incorporación de los pobres como proveedores en condiciones justas y beneficiosas. ABSTRACT The global outlook is changing, and this is influencing the way we understand and try to achieve sustainable human development. Population growth entails increasing pressure over resources, but it also provides greater workforce and talent; concentration in urban areas is changing social dynamics and challenging traditional marketing channels, but also creating news markets and driving innovation; the global economy shift is rebalancing the traditional power imbalance between Western countries and the rest of the world, making new opportunities to arise; and interconnections and global interdependence create new risks but also opportunities for launching initiatives with a global reach. All these trends are impelling us to rethink what development is and in which way poverty alleviation should be approached. It is generally agreed that globalization implies interdependence and, in order to achieve sustainable human development, collaboration of all actors is needed. A convergence of issues, interests and solutions related to sustainable development is being observed across countries and sectors, encouraging strategic collaboration among companies, governments and civil society. There is little doubt nowadays about the crucial role of the private sector in the world’s path towards environmental sustainability and poverty alleviation. Businesses are evolving from a “business as usual” stance to a more sustainable and responsible approach. In the environmental arena, many companies have already “walk the talk”, implementing environmental management systems and trying to reduce emissions and energy consumption. However, regarding poverty alleviation, their contribution is less clear. There are around 1.2 billion people living in extreme poverty. Most of this people still live in rural areas where the agricultural sector employs a big part of the active population. Therefore, improving opportunities and reducing risks for vulnerable producers in the agri-food sector can be a primary engine of rural development and poverty alleviation, particularly in the poor, agriculture-based economies of least developed countries. Some companies are beginning to include the poor into their operations as consumers, suppliers and entrepreneurs. This thesis focuses specifically on the potential opportunities related to the sustainable incorporation of the poor as suppliers of products and/or labor. Business collaboration with vulnerable producers in developing countries is a relatively new trend and it is still understudied. The overall question guiding this thesis is: “How can businesses facilitate the sustainable inclusion of vulnerable producers from least developed countries into supply chains?”. In order to answer the research question, the author has applied a case study research strategy. This methodology is considered appropriate because research about inclusive supply chains is still at an early stage, and because there is a need to understand a real-life phenomenon in depth, but such understanding encompasses important contextual conditions. First, a literature review is conducted, in order to identify the research propositions and theoretical constructs that will guide the data collection. The literature review is divided in two parts: a more general one that explores the social dimension of sustainability of supply chains, and a more specific one that focuses on the incorporation of the poor as suppliers in supply chains. During the last decade, there has been an exponential growth of studies in the field of supply chain sustainability, but research efforts have traditionally been directed towards the analysis of the environmental dimension. Therefore, the literature review presented in Section 3.1 (page 35) that delves into social sustainability of supply chains can be considered a contribution in itself. This literature review reveals that the investigation of social issues in supply chains is gaining momentum and comes from different academic disciplines, namely Supply Chain Management, Corporate Social Responsibility and Development Studies. Existing research about social sustainability of supply chains focuses on three issues: clarify the definition of social sustainability; analyze the implementation of social sustainability strategies in supply chains; and study lead companies’ support to vulnerable suppliers in their transition towards sustainability. A conceptual framework that outlines the main findings that emerge from this first part of literature review is proposed in Figure 7 (page 48). Nevertheless, in this nascent field of social sustainability of supply chains, studies related to poverty alleviation are still scarce. Moreover, a lack of contributions from and about least developed countries has been observed, as well as a tendency to reflect on the lead firms’ standpoint, neglecting the suppliers’ perspective. The second part of the literature review (Section 3.2 in page 51) delves into three research streams that are exploring the inclusion of the poor into supply chains from different viewpoints. These research streams are Global Value Chains (GVC), Base of the Pyramid (BoP) and Sustainable Supply Chain Management (SSCM). GVC research discusses the dynamics of economic globalization and international trade, putting special emphasis in the implications for developing countries and vulnerable communities. GVC characterizes supply chains by the way they are governed, the upgrading opportunities that exist for producers in the chain and the degree of inclusion or exclusion of impoverished communities. BoP research explores trading relationships between businesses and impoverished communities. The core premise of the BoP concept is the possibility to combine profits with poverty alleviation. The original BoP proposition is that by marketing innovative products and services to poor communities in developing countries, poverty would be reduced and companies would increase their benefits, especially multinational companies. This idea has evolved to consider the incorporation of the poor to business activities not only as consumers, but also as employees, entrepreneurs and co-creators. The SSCM school of thought has mainly focused on studying the environmental dimension of supply chain sustainability, neglecting the consideration of the social perspective. However, in recent years, increasing outsourcing of production to developing countries and stakeholders’ demands for a more holistic approach to business sustainability have led SSCM scholars to acknowledge the importance of integrating poverty concerns in this field’s research agenda. Some SSCM studies identify the main operational challenges for companies which engage with vulnerable suppliers in their supply chains: missing communication, higher transactional and operational costs and increased complexity. Contributions from these three research streams are complementary for the study of inclusive supply chains. However, they have been rarely considered together, since they belong to different research areas. This thesis seeks to play a dovetailing role in this scenario by proposing a conceptual framework for creating and operating inclusive supply chains that builds on contributions from GVC, SSCM and BoP research. This framework for inclusive supply chains is depicted in Figure 9 (page 68), and explains the motivations that drive businesses to collaborate with vulnerable suppliers, the chal lenges they face in doing so, and the pathways they are following in order to build and operate inclusive supply chains profitably for both buying companies and vulnerable suppliers. In order to validate and refine the proposed framework, three case studies are carried out. The supply chains analyzed by the case studies belong to the agri-food sector and source from Sub-Saharan African countries. Multiple data collection methods and triangulation are used in order to improve reliability of findings. The author carried out field work in Senegal, Ethiopia and Tanzania. These travels enriched the data collection process, providing semi-structured interviews and informal conversations with the main actors in the supply chains, as well as direct observation of processes and interactions among companies and vulnerable suppliers. Case study A (Section 5.1 in page 96) is a single case study. It analyzes a local supply chain in Senegal providing vegetables to the local market. The focal organization is Manobi, a Senegalese inclusive business which provides affordable ICT services to local entrepreneurs in the agri-food sector. Case study A provides interesting insights into the dynamics of local supply chains and how professional services can help to improve their performance. Case study B (Section 5.2 in page 122) is a single case study. It analyzes a global supply chain with origin in Ethiopia providing cut flowers to the global commodity market. The focal organization is EHPEA, Ethiopian Horticulture Producers and Exporters Association, whose mission is to promote and safeguard the competitive position of the Ethiopian horticulture sector within the global market. Case study B helps to better understand the suppliers’ perspective regarding global market sustainability requirements and shows how the inclusion of suppliers in the process of development of a private standard has a positive impact in its implementation. Case study C (Section 5.3 in page 143) is a multiple case study. It analyzes a global supply chain with origin in Tanzania providing coffee to the global niche market of specialty coffee. The focal organizations are traders who are directly connecting smallholder coffee farmers in developing countries to coffee roasters in developed countries. Case study C shows how smallholder farmers can supply a premium product and be incorporated in a differentiated market segment through a transparent and efficient supply chain. The empirical findings from the case studies help to validate and refine the conceptual framework (see discussion in Chapter 6). The proposal of a new version of the conceptual framework is depicted in Figure 40 (page 195). The case studies also provide interesting insights related to the management of inclusive supply chains and show the perspectives of the different actors involved. This thesis sheds some light on the role of businesses in the creation and operation of inclusive supply chains by carrying out a cross-disciplinary literature review and analyzing three case studies in African countries. In doing so, this thesis presents a series of theoretical and empirical contributions to the emerging academic field of inclusive supply chains (Chapter 7). This thesis also intends to be useful to practitioners willing to improve the incorporation of the poor as suppliers in fair and profitable conditions.

Design and Optimization of Power Delivery and Distribution Systems Using Evolutionary Computation Techniques

Nowadays computing platforms consist of a very large number of components that require to be supplied with diferent voltage levels and power requirements. Even a very small platform, like a handheld computer, may contain more than twenty diferent loads and voltage regulators. The power delivery designers of these systems are required to provide, in a very short time, the right power architecture that optimizes the performance, meets electrical specifications plus cost and size targets. The appropriate selection of the architecture and converters directly defines the performance of a given solution. Therefore, the designer needs to be able to evaluate a significant number of options in order to know with good certainty whether the selected solutions meet the size, energy eficiency and cost targets. The design dificulties of selecting the right solution arise due to the wide range of power conversion products provided by diferent manufacturers. These products range from discrete components (to build converters) to complete power conversion modules that employ diferent manufacturing technologies. Consequently, in most cases it is not possible to analyze all the alternatives (combinations of power architectures and converters) that can be built. The designer has to select a limited number of converters in order to simplify the analysis. In this thesis, in order to overcome the mentioned dificulties, a new design methodology for power supply systems is proposed. This methodology integrates evolutionary computation techniques in order to make possible analyzing a large number of possibilities. This exhaustive analysis helps the designer to quickly define a set of feasible solutions and select the best trade-off in performance according to each application. The proposed approach consists of two key steps, one for the automatic generation of architectures and other for the optimized selection of components. In this thesis are detailed the implementation of these two steps. The usefulness of the methodology is corroborated by contrasting the results using real problems and experiments designed to test the limits of the algorithms.

Network convergence and QoS for future multimedia services in the VISION project

The emerging use of real-time 3D-based multimedia applications imposes strict quality of service (QoS) requirements on both access and core networks. These requirements and their impact to provide end-to-end 3D videoconferencing services have been studied within the Spanish-funded VISION project, where different scenarios were implemented showing an agile stereoscopic video call that might be offered to the general public in the near future. In view of the requirements, we designed an integrated access and core converged network architecture which provides the requested QoS to end-to-end IP sessions. Novel functional blocks are proposed to control core optical networks, the functionality of the standard ones is redefined, and the signaling improved to better meet the requirements of future multimedia services. An experimental test-bed to assess the feasibility of the solution was also deployed. In such test-bed, set-up and release of end-to-end sessions meeting specific QoS requirements are shown and the impact of QoS degradation in terms of the user perceived quality degradation is quantified. In addition, scalability results show that the proposed signaling architecture is able to cope with large number of requests introducing almost negligible delay.

Fault Tolerance Analysis and Self-Healing Strategy of Autonomous, Evolvable Hardware Systems

This paper presents an analysis of the fault tolerance achieved by an autonomous, fully embedded evolvable hardware system, which uses a combination of partial dynamic reconfiguration and an evolutionary algorithm (EA). It demonstrates that the system may self-recover from both transient and cumulative permanent faults. This self-adaptive system, based on a 2D array of 16 (4×4) Processing Elements (PEs), is tested with an image filtering application. Results show that it may properly recover from faults in up to 3 PEs, that is, more than 18% cumulative permanent faults. Two fault models are used for testing purposes, at PE and CLB levels. Two self-healing strategies are also introduced, depending on whether fault diagnosis is available or not. They are based on scrubbing, fitness evaluation, dynamic partial reconfiguration and in-system evolutionary adaptation. Since most of these adaptability features are already available on the system for its normal operation, resource cost for self-healing is very low (only some code additions in the internal microprocessor core)

Markov blanket-based approach for learning multi-dimensional Bayesian network classifiers: An application to predict the European Quality of Life-5 Dimensions (EQ-5D) from the 39-item Parkinson's Disease Questionnaire (PDQ-39)

Multi-dimensional Bayesian network classifiers (MBCs) are probabilistic graphical models recently proposed to deal with multi-dimensional classification problems, where each instance in the data set has to be assigned to more than one class variable. In this paper, we propose a Markov blanket-based approach for learning MBCs from data. Basically, it consists of determining the Markov blanket around each class variable using the HITON algorithm, then specifying the directionality over the MBC subgraphs. Our approach is applied to the prediction problem of the European Quality of Life-5 Dimensions (EQ-5D) from the 39-item Parkinson’s Disease Questionnaire (PDQ-39) in order to estimate the health-related quality of life of Parkinson’s patients. Fivefold cross-validation experiments were carried out on randomly generated synthetic data sets, Yeast data set, as well as on a real-world Parkinson’s disease data set containing 488 patients. The experimental study, including comparison with additional Bayesian network-based approaches, back propagation for multi-label learning, multi-label k-nearest neighbor, multinomial logistic regression, ordinary least squares, and censored least absolute deviations, shows encouraging results in terms of predictive accuracy as well as the identification of dependence relationships among class and feature variables.

An evolutionary algorithm for the surface structure problem

Many macroscopic properties: hardness, corrosion, catalytic activity, etc. are directly related to the surface structure, that is, to the position and chemical identity of the outermost atoms of the material. Current experimental techniques for its determination produce a “signature” from which the structure must be inferred by solving an inverse problem: a solution is proposed, its corresponding signature computed and then compared to the experiment. This is a challenging optimization problem where the search space and the number of local minima grows exponentially with the number of atoms, hence its solution cannot be achieved for arbitrarily large structures. Nowadays, it is solved by using a mixture of human knowledge and local search techniques: an expert proposes a solution that is refined using a local minimizer. If the outcome does not fit the experiment, a new solution must be proposed again. Solving a small surface can take from days to weeks of this trial and error method. Here we describe our ongoing work in its solution. We use an hybrid algorithm that mixes evolutionary techniques with trusted region methods and reuses knowledge gained during the execution to avoid repeated search of structures. Its parallelization produces good results even when not requiring the gathering of the full population, hence it can be used in loosely coupled environments such as grids. With this algorithm, the solution of test cases that previously took weeks of expert time can be automatically solved in a day or two of uniprocessor time.

Incorporating small-scale farmers into sustainable supply chains: the Manobi case

Increased globalization and outsourcing to developing countries is fostering the interest in supply chain sustainability. From the academic point of view, while environmental impacts of supply chains have been largely analysed, the research on social issues has been scattered and fragmented. This paper thereby sets out to close this gap. We have identified an emerging sphere of knowledge at the interface between sustainable supply chain management, business strategy and international development literature, which seeks to propose innovative strategies for poverty alleviation. The incorporation of impoverished farmers into supply chains is presented here as one of those strategies, and illustrated through a case study on the integration of these farmers in the Senegalese horticulture supply chain.

Multi-dimensional classification using Bayesian networks for stationary and evolving streaming data

Hoy en día, con la evolución continua y rápida de las tecnologías de la información y los dispositivos de computación, se recogen y almacenan continuamente grandes volúmenes de datos en distintos dominios y a través de diversas aplicaciones del mundo real. La extracción de conocimiento útil de una cantidad tan enorme de datos no se puede realizar habitualmente de forma manual, y requiere el uso de técnicas adecuadas de aprendizaje automático y de minería de datos. La clasificación es una de las técnicas más importantes que ha sido aplicada con éxito a varias áreas. En general, la clasificación se compone de dos pasos principales: en primer lugar, aprender un modelo de clasificación o clasificador a partir de un conjunto de datos de entrenamiento, y en segundo lugar, clasificar las nuevas instancias de datos utilizando el clasificador aprendido. La clasificación es supervisada cuando todas las etiquetas están presentes en los datos de entrenamiento (es decir, datos completamente etiquetados), semi-supervisada cuando sólo algunas etiquetas son conocidas (es decir, datos parcialmente etiquetados), y no supervisada cuando todas las etiquetas están ausentes en los datos de entrenamiento (es decir, datos no etiquetados). Además, aparte de esta taxonomía, el problema de clasificación se puede categorizar en unidimensional o multidimensional en función del número de variables clase, una o más, respectivamente; o también puede ser categorizado en estacionario o cambiante con el tiempo en función de las características de los datos y de la tasa de cambio subyacente. A lo largo de esta tesis, tratamos el problema de clasificación desde tres perspectivas diferentes, a saber, clasificación supervisada multidimensional estacionaria, clasificación semisupervisada unidimensional cambiante con el tiempo, y clasificación supervisada multidimensional cambiante con el tiempo. Para llevar a cabo esta tarea, hemos usado básicamente los clasificadores Bayesianos como modelos. La primera contribución, dirigiéndose al problema de clasificación supervisada multidimensional estacionaria, se compone de dos nuevos métodos de aprendizaje de clasificadores Bayesianos multidimensionales a partir de datos estacionarios. Los métodos se proponen desde dos puntos de vista diferentes. El primer método, denominado CB-MBC, se basa en una estrategia de envoltura de selección de variables que es voraz y hacia delante, mientras que el segundo, denominado MB-MBC, es una estrategia de filtrado de variables con una aproximación basada en restricciones y en el manto de Markov. Ambos métodos han sido aplicados a dos problemas reales importantes, a saber, la predicción de los inhibidores de la transcriptasa inversa y de la proteasa para el problema de infección por el virus de la inmunodeficiencia humana tipo 1 (HIV-1), y la predicción del European Quality of Life-5 Dimensions (EQ-5D) a partir de los cuestionarios de la enfermedad de Parkinson con 39 ítems (PDQ-39). El estudio experimental incluye comparaciones de CB-MBC y MB-MBC con los métodos del estado del arte de la clasificación multidimensional, así como con métodos comúnmente utilizados para resolver el problema de predicción de la enfermedad de Parkinson, a saber, la regresión logística multinomial, mínimos cuadrados ordinarios, y mínimas desviaciones absolutas censuradas. En ambas aplicaciones, los resultados han sido prometedores con respecto a la precisión de la clasificación, así como en relación al análisis de las estructuras gráficas que identifican interacciones conocidas y novedosas entre las variables. La segunda contribución, referida al problema de clasificación semi-supervisada unidimensional cambiante con el tiempo, consiste en un método nuevo (CPL-DS) para clasificar flujos de datos parcialmente etiquetados. Los flujos de datos difieren de los conjuntos de datos estacionarios en su proceso de generación muy rápido y en su aspecto de cambio de concepto. Es decir, los conceptos aprendidos y/o la distribución subyacente están probablemente cambiando y evolucionando en el tiempo, lo que hace que el modelo de clasificación actual sea obsoleto y deba ser actualizado. CPL-DS utiliza la divergencia de Kullback-Leibler y el método de bootstrapping para cuantificar y detectar tres tipos posibles de cambio: en las predictoras, en la a posteriori de la clase o en ambas. Después, si se detecta cualquier cambio, un nuevo modelo de clasificación se aprende usando el algoritmo EM; si no, el modelo de clasificación actual se mantiene sin modificaciones. CPL-DS es general, ya que puede ser aplicado a varios modelos de clasificación. Usando dos modelos diferentes, el clasificador naive Bayes y la regresión logística, CPL-DS se ha probado con flujos de datos sintéticos y también se ha aplicado al problema real de la detección de código malware, en el cual los nuevos ficheros recibidos deben ser continuamente clasificados en malware o goodware. Los resultados experimentales muestran que nuestro método es efectivo para la detección de diferentes tipos de cambio a partir de los flujos de datos parcialmente etiquetados y también tiene una buena precisión de la clasificación. Finalmente, la tercera contribución, sobre el problema de clasificación supervisada multidimensional cambiante con el tiempo, consiste en dos métodos adaptativos, a saber, Locally Adpative-MB-MBC (LA-MB-MBC) y Globally Adpative-MB-MBC (GA-MB-MBC). Ambos métodos monitorizan el cambio de concepto a lo largo del tiempo utilizando la log-verosimilitud media como métrica y el test de Page-Hinkley. Luego, si se detecta un cambio de concepto, LA-MB-MBC adapta el actual clasificador Bayesiano multidimensional localmente alrededor de cada nodo cambiado, mientras que GA-MB-MBC aprende un nuevo clasificador Bayesiano multidimensional. El estudio experimental realizado usando flujos de datos sintéticos multidimensionales indica los méritos de los métodos adaptativos propuestos. ABSTRACT Nowadays, with the ongoing and rapid evolution of information technology and computing devices, large volumes of data are continuously collected and stored in different domains and through various real-world applications. Extracting useful knowledge from such a huge amount of data usually cannot be performed manually, and requires the use of adequate machine learning and data mining techniques. Classification is one of the most important techniques that has been successfully applied to several areas. Roughly speaking, classification consists of two main steps: first, learn a classification model or classifier from an available training data, and secondly, classify the new incoming unseen data instances using the learned classifier. Classification is supervised when the whole class values are present in the training data (i.e., fully labeled data), semi-supervised when only some class values are known (i.e., partially labeled data), and unsupervised when the whole class values are missing in the training data (i.e., unlabeled data). In addition, besides this taxonomy, the classification problem can be categorized into uni-dimensional or multi-dimensional depending on the number of class variables, one or more, respectively; or can be also categorized into stationary or streaming depending on the characteristics of the data and the rate of change underlying it. Through this thesis, we deal with the classification problem under three different settings, namely, supervised multi-dimensional stationary classification, semi-supervised unidimensional streaming classification, and supervised multi-dimensional streaming classification. To accomplish this task, we basically used Bayesian network classifiers as models. The first contribution, addressing the supervised multi-dimensional stationary classification problem, consists of two new methods for learning multi-dimensional Bayesian network classifiers from stationary data. They are proposed from two different points of view. The first method, named CB-MBC, is based on a wrapper greedy forward selection approach, while the second one, named MB-MBC, is a filter constraint-based approach based on Markov blankets. Both methods are applied to two important real-world problems, namely, the prediction of the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) reverse transcriptase and protease inhibitors, and the prediction of the European Quality of Life-5 Dimensions (EQ-5D) from 39-item Parkinson’s Disease Questionnaire (PDQ-39). The experimental study includes comparisons of CB-MBC and MB-MBC against state-of-the-art multi-dimensional classification methods, as well as against commonly used methods for solving the Parkinson’s disease prediction problem, namely, multinomial logistic regression, ordinary least squares, and censored least absolute deviations. For both considered case studies, results are promising in terms of classification accuracy as well as regarding the analysis of the learned MBC graphical structures identifying known and novel interactions among variables. The second contribution, addressing the semi-supervised uni-dimensional streaming classification problem, consists of a novel method (CPL-DS) for classifying partially labeled data streams. Data streams differ from the stationary data sets by their highly rapid generation process and their concept-drifting aspect. That is, the learned concepts and/or the underlying distribution are likely changing and evolving over time, which makes the current classification model out-of-date requiring to be updated. CPL-DS uses the Kullback-Leibler divergence and bootstrapping method to quantify and detect three possible kinds of drift: feature, conditional or dual. Then, if any occurs, a new classification model is learned using the expectation-maximization algorithm; otherwise, the current classification model is kept unchanged. CPL-DS is general as it can be applied to several classification models. Using two different models, namely, naive Bayes classifier and logistic regression, CPL-DS is tested with synthetic data streams and applied to the real-world problem of malware detection, where the new received files should be continuously classified into malware or goodware. Experimental results show that our approach is effective for detecting different kinds of drift from partially labeled data streams, as well as having a good classification performance. Finally, the third contribution, addressing the supervised multi-dimensional streaming classification problem, consists of two adaptive methods, namely, Locally Adaptive-MB-MBC (LA-MB-MBC) and Globally Adaptive-MB-MBC (GA-MB-MBC). Both methods monitor the concept drift over time using the average log-likelihood score and the Page-Hinkley test. Then, if a drift is detected, LA-MB-MBC adapts the current multi-dimensional Bayesian network classifier locally around each changed node, whereas GA-MB-MBC learns a new multi-dimensional Bayesian network classifier from scratch. Experimental study carried out using synthetic multi-dimensional data streams shows the merits of both proposed adaptive methods.

Analysis of large-scale digital optical neural networks by Feynman diagrams

A new method to study large scale neural networks is presented in this paper. The basis is the use of Feynman- like diagrams. These diagrams allow the analysis of collective and cooperative phenomena with a similar methodology to the employed in the Many Body Problem. The proposed method is applied to a very simple structure composed by an string of neurons with interaction among them. It is shown that a new behavior appears at the end of the row. This behavior is different to the initial dynamics of a single cell. When a feedback is present, as in the case of the hippocampus, this situation becomes more complex with a whole set of new frequencies, different from the proper frequencies of the individual neurons. Application to an optical neural network is reported.

Cooperative off-policy prediction of markov decision processes in adaptive networks

We apply diffusion strategies to propose a cooperative reinforcement learning algorithm, in which agents in a network communicate with their neighbors to improve predictions about their environment. The algorithm is suitable to learn off-policy even in large state spaces. We provide a mean-square-error performance analysis under constant step-sizes. The gain of cooperation in the form of more stability and less bias and variance in the prediction error, is illustrated in the context of a classical model. We show that the improvement in performance is especially significant when the behavior policy of the agents is different from the target policy under evaluation.

A vision-based strategy for autonomous aerial refueling tasks

Autonomous aerial refueling is a key enabling technology for both manned and unmanned aircraft where extended flight duration or range are required. The results presented within this paper offer one potential vision-based sensing solution, together with a unique test environment. A hierarchical visual tracking algorithm based on direct methods is proposed and developed for the purposes of tracking a drogue during the capture stage of autonomous aerial refueling, and of estimating its 3D position. Intended to be applied in real time to a video stream from a single monocular camera mounted on the receiver aircraft, the algorithm is shown to be highly robust, and capable of tracking large, rapid drogue motions within the frame of reference. The proposed strategy has been tested using a complex robotic testbed and with actual flight hardware consisting of a full size probe and drogue. Results show that the vision tracking algorithm can detect and track the drogue at real-time frame rates of more than thirty frames per second, obtaining a robust position estimation even with strong motions and multiple occlusions of the drogue.