Environmental variables modeling based on remote sensing data using time series analysis: forestry and agricultural applications

En la actualidad, el seguimiento de la dinámica de los procesos medio ambientales está considerado como un punto de gran interés en el campo medioambiental. La cobertura espacio temporal de los datos de teledetección proporciona información continua con una alta frecuencia temporal, permitiendo el análisis de la evolución de los ecosistemas desde diferentes escalas espacio-temporales. Aunque el valor de la teledetección ha sido ampliamente probado, en la actualidad solo existe un número reducido de metodologías que permiten su análisis de una forma cuantitativa. En la presente tesis se propone un esquema de trabajo para explotar las series temporales de datos de teledetección, basado en la combinación del análisis estadístico de series de tiempo y la fenometría. El objetivo principal es demostrar el uso de las series temporales de datos de teledetección para analizar la dinámica de variables medio ambientales de una forma cuantitativa. Los objetivos específicos son: (1) evaluar dichas variables medio ambientales y (2) desarrollar modelos empíricos para predecir su comportamiento futuro. Estos objetivos se materializan en cuatro aplicaciones cuyos objetivos específicos son: (1) evaluar y cartografiar estados fenológicos del cultivo del algodón mediante análisis espectral y fenometría, (2) evaluar y modelizar la estacionalidad de incendios forestales en dos regiones bioclimáticas mediante modelos dinámicos, (3) predecir el riesgo de incendios forestales a nivel pixel utilizando modelos dinámicos y (4) evaluar el funcionamiento de la vegetación en base a la autocorrelación temporal y la fenometría. Los resultados de esta tesis muestran la utilidad del ajuste de funciones para modelizar los índices espectrales AS1 y AS2. Los parámetros fenológicos derivados del ajuste de funciones permiten la identificación de distintos estados fenológicos del cultivo del algodón. El análisis espectral ha demostrado, de una forma cuantitativa, la presencia de un ciclo en el índice AS2 y de dos ciclos en el AS1 así como el comportamiento unimodal y bimodal de la estacionalidad de incendios en las regiones mediterránea y templada respectivamente. Modelos autorregresivos han sido utilizados para caracterizar la dinámica de la estacionalidad de incendios y para predecir de una forma muy precisa el riesgo de incendios forestales a nivel pixel. Ha sido demostrada la utilidad de la autocorrelación temporal para definir y caracterizar el funcionamiento de la vegetación a nivel pixel. Finalmente el concepto “Optical Functional Type” ha sido definido, donde se propone que los pixeles deberían ser considerados como unidades temporales y analizados en función de su dinámica temporal. ix SUMMARY A good understanding of land surface processes is considered as a key subject in environmental sciences. The spatial-temporal coverage of remote sensing data provides continuous observations with a high temporal frequency allowing the assessment of ecosystem evolution at different temporal and spatial scales. Although the value of remote sensing time series has been firmly proved, only few time series methods have been developed for analyzing this data in a quantitative and continuous manner. In the present dissertation a working framework to exploit Remote Sensing time series is proposed based on the combination of Time Series Analysis and phenometric approach. The main goal is to demonstrate the use of remote sensing time series to analyze quantitatively environmental variable dynamics. The specific objectives are (1) to assess environmental variables based on remote sensing time series and (2) to develop empirical models to forecast environmental variables. These objectives have been achieved in four applications which specific objectives are (1) assessing and mapping cotton crop phenological stages using spectral and phenometric analyses, (2) assessing and modeling fire seasonality in two different ecoregions by dynamic models, (3) forecasting forest fire risk on a pixel basis by dynamic models, and (4) assessing vegetation functioning based on temporal autocorrelation and phenometric analysis. The results of this dissertation show the usefulness of function fitting procedures to model AS1 and AS2. Phenometrics derived from function fitting procedure makes it possible to identify cotton crop phenological stages. Spectral analysis has demonstrated quantitatively the presence of one cycle in AS2 and two in AS1 and the unimodal and bimodal behaviour of fire seasonality in the Mediterranean and temperate ecoregions respectively. Autoregressive models has been used to characterize the dynamics of fire seasonality in two ecoregions and to forecasts accurately fire risk on a pixel basis. The usefulness of temporal autocorrelation to define and characterized land surface functioning has been demonstrated. And finally the “Optical Functional Types” concept has been proposed, in this approach pixels could be as temporal unities based on its temporal dynamics or functioning.

Bayesian scene analysis for multi-camera 3D tracking and camera positioning

Los sistemas de seguimiento mono-cámara han demostrado su notable capacidad para el análisis de trajectorias de objectos móviles y para monitorización de escenas de interés; sin embargo, tanto su robustez como sus posibilidades en cuanto a comprensión semántica de la escena están fuertemente limitadas por su naturaleza local y monocular, lo que los hace insuficientes para aplicaciones realistas de videovigilancia. El objetivo de esta tesis es la extensión de las posibilidades de los sistemas de seguimiento de objetos móviles para lograr un mayor grado de robustez y comprensión de la escena. La extensión propuesta se divide en dos direcciones separadas. La primera puede considerarse local, ya que está orientada a la mejora y enriquecimiento de las posiciones estimadas para los objetos móviles observados directamente por las cámaras del sistema; dicha extensión se logra mediante el desarrollo de un sistema multi-cámara de seguimiento 3D, capaz de proporcionar consistentemente las posiciones 3D de múltiples objetos a partir de las observaciones capturadas por un conjunto de sensores calibrados y con campos de visión solapados. La segunda extensión puede considerarse global, dado que su objetivo consiste en proporcionar un contexto global para relacionar las observaciones locales realizadas por una cámara con una escena de mucho mayor tamaño; para ello se propone un sistema automático de localización de cámaras basado en las trayectorias observadas de varios objetos móviles y en un mapa esquemático de la escena global monitorizada. Ambas líneas de investigación se tratan utilizando, como marco común, técnicas de estimación bayesiana: esta elección está justificada por la versatilidad y flexibilidad proporcionada por dicho marco estadístico, que permite la combinación natural de múltiples fuentes de información sobre los parámetros a estimar, así como un tratamiento riguroso de la incertidumbre asociada a las mismas mediante la inclusión de modelos de observación específicamente diseñados. Además, el marco seleccionado abre grandes posibilidades operacionales, puesto que permite la creación de diferentes métodos numéricos adaptados a las necesidades y características específicas de distintos problemas tratados. El sistema de seguimiento 3D con múltiples cámaras propuesto está específicamente diseñado para permitir descripciones esquemáticas de las medidas realizadas individualmente por cada una de las cámaras del sistema: esta elección de diseño, por tanto, no asume ningún algoritmo específico de detección o seguimiento 2D en ninguno de los sensores de la red, y hace que el sistema propuesto sea aplicable a redes reales de vigilancia con capacidades limitadas tanto en términos de procesamiento como de transmision. La combinación robusta de las observaciones capturadas individualmente por las cámaras, ruidosas, incompletas y probablemente contaminadas por falsas detecciones, se basa en un metodo de asociación bayesiana basado en geometría y color: los resultados de dicha asociación permiten el seguimiento 3D de los objetos de la escena mediante el uso de un filtro de partículas. El sistema de fusión de observaciones propuesto tiene, como principales características, una gran precisión en términos de localización 3D de objetos, y una destacable capacidad de recuperación tras eventuales errores debidos a un número insuficiente de datos de entrada. El sistema automático de localización de cámaras se basa en la observación de múltiples objetos móviles y un mapa esquemático de las áreas transitables del entorno monitorizado para inferir la posición absoluta de dicho sensor. Para este propósito, se propone un novedoso marco bayesiano que combina modelos dinámicos inducidos por el mapa en los objetos móviles presentes en la escena con las trayectorias observadas por la cámara, lo que representa un enfoque nunca utilizado en la literatura existente. El sistema de localización se divide en dos sub-tareas diferenciadas, debido a que cada una de estas tareas requiere del diseño de algoritmos específicos de muestreo para explotar en profundidad las características del marco desarrollado: por un lado, análisis de la ambigüedad del caso específicamente tratado y estimación aproximada de la localización de la cámara, y por otro, refinado de la localización de la cámara. El sistema completo, diseñado y probado para el caso específico de localización de cámaras en entornos de tráfico urbano, podría tener aplicación también en otros entornos y sensores de diferentes modalidades tras ciertas adaptaciones. ABSTRACT Mono-camera tracking systems have proved their capabilities for moving object trajectory analysis and scene monitoring, but their robustness and semantic possibilities are strongly limited by their local and monocular nature and are often insufficient for realistic surveillance applications. This thesis is aimed at extending the possibilities of moving object tracking systems to a higher level of scene understanding. The proposed extension comprises two separate directions. The first one is local, since is aimed at enriching the inferred positions of the moving objects within the area of the monitored scene directly covered by the cameras of the system; this task is achieved through the development of a multi-camera system for robust 3D tracking, able to provide 3D tracking information of multiple simultaneous moving objects from the observations reported by a set of calibrated cameras with semi-overlapping fields of view. The second extension is global, as is aimed at providing local observations performed within the field of view of one camera with a global context relating them to a much larger scene; to this end, an automatic camera positioning system relying only on observed object trajectories and a scene map is designed. The two lines of research in this thesis are addressed using Bayesian estimation as a general unifying framework. Its suitability for these two applications is justified by the flexibility and versatility of that stochastic framework, which allows the combination of multiple sources of information about the parameters to estimate in a natural and elegant way, addressing at the same time the uncertainty associated to those sources through the inclusion of models designed to this end. In addition, it opens multiple possibilities for the creation of different numerical methods for achieving satisfactory and efficient practical solutions to each addressed application. The proposed multi-camera 3D tracking method is specifically designed to work on schematic descriptions of the observations performed by each camera of the system: this choice allows the use of unspecific off-the-shelf 2D detection and/or tracking subsystems running independently at each sensor, and makes the proposal suitable for real surveillance networks with moderate computational and transmission capabilities. The robust combination of such noisy, incomplete and possibly unreliable schematic descriptors relies on a Bayesian association method, based on geometry and color, whose results allow the tracking of the targets in the scene with a particle filter. The main features exhibited by the proposal are, first, a remarkable accuracy in terms of target 3D positioning, and second, a great recovery ability after tracking losses due to insufficient input data. The proposed system for visual-based camera self-positioning uses the observations of moving objects and a schematic map of the passable areas of the environment to infer the absolute sensor position. To this end, a new Bayesian framework combining trajectory observations and map-induced dynamic models for moving objects is designed, which represents an approach to camera positioning never addressed before in the literature. This task is divided into two different sub-tasks, setting ambiguity analysis and approximate position estimation, on the one hand, and position refining, on the other, since they require the design of specific sampling algorithms to correctly exploit the discriminative features of the developed framework. This system, designed for camera positioning and demonstrated in urban traffic environments, can also be applied to different environments and sensors of other modalities after certain required adaptations.

Caracterización dinámica del glaciar Hurd combinando observaciones de campo y simulaciones numéricas

El objetivo fundamental de esta tesis es la caracterización de la morfología y del estado de deformaciones y tensiones del Glaciar Hurd (Isla Livingston, Archipiélago de las Shetland del Sur, Antártida), mediante una combinación de observaciones de campo, registros de georradar y simulaciones numéricas. La morfología y el estado de deformaciones y tensiones actuales son la expresión de la evolución dinámica del glaciar desde tiempos pretéritos hasta recientes, y su análisis nos dará las pautas con las cuales ser capaces de predecir, con el apoyo de las simulaciones numéricas, su evolución futura. El primer aspecto que se aborda es el estudio de las estructuras que pueden observarse en la superficie del glaciar. Describimos las distintas técnicas utilizadas (medidas de campo, fotointerpretación de ortofotografías, análisis geoquímico de cenizas volcánicas, etc.) y presentamos el análisis e interpretación de los resultados morfo-estructurales, así como la correlación, mediante análisis geoquímicos (fluorescencia de rayos X), entre las cenizas volcánicas que extruyen en la superficie del Glaciar Hurd y las del volcán Decepción, origen de las cenizas. Esto nos permite realizar una datación de las mismas como Tefra 1, correspondiente a la erupción de 1970, Tefra 2, correspondiente a las erupciones pre-1829, y el conjunto Tefra 3, asociado a las erupciones más antiguas. En segundo lugar nos ocupamos de las estructuras presentes en el interior del glaciar, cuya herramienta de detección fundamental es el georradar. Identificadas estas estructuras internas, las vinculamos con las observadas en la superficie del glaciar. También hemos estudiado la estructura hidrotérmica del glaciar, obteniendo una serie de evidencias adicionales de su carácter politérmico. Entre éstas se contaban, hasta ahora, las basadas en el valor del parámetro de rigidez de la relación constitutiva del hielo determinada por ajuste de modelos dinámicos y observaciones realizados por Otero (2008) y las basadas en las velocidades de las ondas de radar en el hielo determinadas con el método de punto medio común por Navarro y otros (2009). Las evidencias adicionales que aportamos en esta tesis son: 1) la presencia de estructuras típicas de régimen compresivo en la zona terminal del glaciar y de cizalla en los márgenes del mismo, y 2) la presencia de un estrato superficial de hielo frío (por encima de otro templado) en la zona de ablación de los tres lóbulos del Glaciar Hurd –Sally Rocks, Argentina y Las Palmas–, que alcanzan espesores de 70, 50 y 40 m, respectivamente. Este estrato de hielo frío está probablemente congelado al lecho subglaciar en la zona terminal (Molina y otros, 2007; esta tesis). Por último, nos ocupamos de la simulación numérica de la dinámica glaciar. Presentamos el modelo físico-matemático utilizado, discutimos sus condiciones de contorno y cómo éstas se miden en los trabajos de campo, y describimos el procedimiento de resolución numérica del sistema de ecuaciones parciales del modelo. Presentamos los resultados para los campos de velocidades, deformaciones y tensiones, comparando estos resultados con las estructuras observadas. También incluimos el análisis de las elipses de deformación acumulativa, que proporcionan información sobre las estructuras a las que puede dar lugar la evolución del estado de deformaciones y tensiones a las que se ve sometido el hielo según avanza, lentamente, desde la cabecera hasta la zona terminal del glaciar, con tiempos de tránsito de hasta 1.250 años, recogiendo así la historia de deformaciones en el glaciar. Concluyendo, ponemos de manifiesto en esta tesis que las medidas de campo de las estructuras y niveles de cenizas, las medidas de georradar y las simulaciones numéricas de la dinámica glaciar, realizadas de forma combinada, permiten caracterizar el régimen actual de velocidades, deformaciones y tensiones del glaciar, entender su evolución en el pasado y predecir su evolución futura. ABSTRACT The main objective of this thesis is to characterize the morphology and the state of strains and stresses of Hurd Glacier (Livingston Island, South Shetland Islands archipelago, Antarctica) through a combination of field observations, ground-penetrating radar measurements and numerical simulations. The morphology and the current state of strain and stresses are the expression of the dynamic evolution of the glacier from the past to recent times, and their analysis gives us the guidelines to be able to predict, with the support of numerical simulations, its future evolution. The first subject addressed is the study of structures that can be observed on the glacier surface. We describe the different techniques used (field measurements, photointerpretation of orthophotos, geochemical analysis of volcanic ashes, etc.) and we present the analysis and interpretation of the morpho-structural results, as well as the correlation with geochemical analysis (XRF) between the volcanic ashes extruded to the surface of Hurd Glacier and those of Deception Island volcano, from which the ashes originate. This allows us dating the ashes as Tephra 1, corresponding to the 1970 eruption, Tephra 2, corresponding to the pre-1829 eruptions, and the Tephra 3 group, associated with older eruptions. Secondly we focus on the study of the structures present within the glacier, which are detected with the help of ground-penetrating radar. Once identified, we link these internal structures with those observed on the glacier surface. We also study the hydrothermal structure of the glacier, getting a series of additional evidences of its polythermal structure. Among the evidences available so far, we can mention those based on the value of the stiffness parameter of the constitutive relation of ice, determined by fitting dynamic models to observations, as done by Otero (2008), and those based on the velocity of propagation of the radar waves through the glacier ice, measured using the common midpoint method, as done by Navarro et al. (2009). The additional evidences that we provide in this thesis are: 1) the presence of structures typical of compressive regime in the terminal zone of the glacier, together with shear at its margins, and 2) the presence of a surface layer of cold ice (overlying a layer of temperate ice) in the ablation zone of the three lobes of Hurd Glacier –Sally Rocks, Argentina and Las Palmas–, reaching thicknesses of 70, 50 and 40 m, respectively. This cold layer is probably frozen to the subglacial bed in the terminal zone (Molina and others 2007; this thesis). Finally, we deal with the numerical simulation of glacier dynamics. We present the physical-mathematical model, discuss its boundary conditions and how they are measured in the field work, and describe the method of numerical solution of the model’s partial differential equations. We present the results for the velocity, strain and stress fields, comparing these results with the observed structures. We also include an analysis of the ellipses of cumulative deformation, which provide information about the structures that can result from the evolution of the strain and stress regime of the glacier ice as it moves slowly from the head to the snout of the glacier, with transit times of up to 1,250 years, so picking the history of deformation of the glacier. Summarizing, we show in this thesis that field measurements of structures and ash layers, ground-penetrating radar measurements and numerical simulations of glacier dynamics, performed in combination, allow us to characterize the current regime of velocities, strains and stresses of the glacier, to understand its past evolution and to predict its future evolution.

Bayesian scene analysis for multi-camera 3D tracking and camera positioning

Los sistemas de seguimiento mono-cámara han demostrado su notable capacidad para el análisis de trajectorias de objectos móviles y para monitorización de escenas de interés; sin embargo, tanto su robustez como sus posibilidades en cuanto a comprensión semántica de la escena están fuertemente limitadas por su naturaleza local y monocular, lo que los hace insuficientes para aplicaciones realistas de videovigilancia. El objetivo de esta tesis es la extensión de las posibilidades de los sistemas de seguimiento de objetos móviles para lograr un mayor grado de robustez y comprensión de la escena. La extensión propuesta se divide en dos direcciones separadas. La primera puede considerarse local, ya que está orientada a la mejora y enriquecimiento de las posiciones estimadas para los objetos móviles observados directamente por las cámaras del sistema; dicha extensión se logra mediante el desarrollo de un sistema multi-cámara de seguimiento 3D, capaz de proporcionar consistentemente las posiciones 3D de múltiples objetos a partir de las observaciones capturadas por un conjunto de sensores calibrados y con campos de visión solapados. La segunda extensión puede considerarse global, dado que su objetivo consiste en proporcionar un contexto global para relacionar las observaciones locales realizadas por una cámara con una escena de mucho mayor tamaño; para ello se propone un sistema automático de localización de cámaras basado en las trayectorias observadas de varios objetos móviles y en un mapa esquemático de la escena global monitorizada. Ambas líneas de investigación se tratan utilizando, como marco común, técnicas de estimación bayesiana: esta elección está justificada por la versatilidad y flexibilidad proporcionada por dicho marco estadístico, que permite la combinación natural de múltiples fuentes de información sobre los parámetros a estimar, así como un tratamiento riguroso de la incertidumbre asociada a las mismas mediante la inclusión de modelos de observación específicamente diseñados. Además, el marco seleccionado abre grandes posibilidades operacionales, puesto que permite la creación de diferentes métodos numéricos adaptados a las necesidades y características específicas de distintos problemas tratados. El sistema de seguimiento 3D con múltiples cámaras propuesto está específicamente diseñado para permitir descripciones esquemáticas de las medidas realizadas individualmente por cada una de las cámaras del sistema: esta elección de diseño, por tanto, no asume ningún algoritmo específico de detección o seguimiento 2D en ninguno de los sensores de la red, y hace que el sistema propuesto sea aplicable a redes reales de vigilancia con capacidades limitadas tanto en términos de procesamiento como de transmision. La combinación robusta de las observaciones capturadas individualmente por las cámaras, ruidosas, incompletas y probablemente contaminadas por falsas detecciones, se basa en un metodo de asociación bayesiana basado en geometría y color: los resultados de dicha asociación permiten el seguimiento 3D de los objetos de la escena mediante el uso de un filtro de partículas. El sistema de fusión de observaciones propuesto tiene, como principales características, una gran precisión en términos de localización 3D de objetos, y una destacable capacidad de recuperación tras eventuales errores debidos a un número insuficiente de datos de entrada. El sistema automático de localización de cámaras se basa en la observación de múltiples objetos móviles y un mapa esquemático de las áreas transitables del entorno monitorizado para inferir la posición absoluta de dicho sensor. Para este propósito, se propone un novedoso marco bayesiano que combina modelos dinámicos inducidos por el mapa en los objetos móviles presentes en la escena con las trayectorias observadas por la cámara, lo que representa un enfoque nunca utilizado en la literatura existente. El sistema de localización se divide en dos sub-tareas diferenciadas, debido a que cada una de estas tareas requiere del diseño de algoritmos específicos de muestreo para explotar en profundidad las características del marco desarrollado: por un lado, análisis de la ambigüedad del caso específicamente tratado y estimación aproximada de la localización de la cámara, y por otro, refinado de la localización de la cámara. El sistema completo, diseñado y probado para el caso específico de localización de cámaras en entornos de tráfico urbano, podría tener aplicación también en otros entornos y sensores de diferentes modalidades tras ciertas adaptaciones. ABSTRACT Mono-camera tracking systems have proved their capabilities for moving object trajectory analysis and scene monitoring, but their robustness and semantic possibilities are strongly limited by their local and monocular nature and are often insufficient for realistic surveillance applications. This thesis is aimed at extending the possibilities of moving object tracking systems to a higher level of scene understanding. The proposed extension comprises two separate directions. The first one is local, since is aimed at enriching the inferred positions of the moving objects within the area of the monitored scene directly covered by the cameras of the system; this task is achieved through the development of a multi-camera system for robust 3D tracking, able to provide 3D tracking information of multiple simultaneous moving objects from the observations reported by a set of calibrated cameras with semi-overlapping fields of view. The second extension is global, as is aimed at providing local observations performed within the field of view of one camera with a global context relating them to a much larger scene; to this end, an automatic camera positioning system relying only on observed object trajectories and a scene map is designed. The two lines of research in this thesis are addressed using Bayesian estimation as a general unifying framework. Its suitability for these two applications is justified by the flexibility and versatility of that stochastic framework, which allows the combination of multiple sources of information about the parameters to estimate in a natural and elegant way, addressing at the same time the uncertainty associated to those sources through the inclusion of models designed to this end. In addition, it opens multiple possibilities for the creation of different numerical methods for achieving satisfactory and efficient practical solutions to each addressed application. The proposed multi-camera 3D tracking method is specifically designed to work on schematic descriptions of the observations performed by each camera of the system: this choice allows the use of unspecific off-the-shelf 2D detection and/or tracking subsystems running independently at each sensor, and makes the proposal suitable for real surveillance networks with moderate computational and transmission capabilities. The robust combination of such noisy, incomplete and possibly unreliable schematic descriptors relies on a Bayesian association method, based on geometry and color, whose results allow the tracking of the targets in the scene with a particle filter. The main features exhibited by the proposal are, first, a remarkable accuracy in terms of target 3D positioning, and second, a great recovery ability after tracking losses due to insufficient input data. The proposed system for visual-based camera self-positioning uses the observations of moving objects and a schematic map of the passable areas of the environment to infer the absolute sensor position. To this end, a new Bayesian framework combining trajectory observations and map-induced dynamic models for moving objects is designed, which represents an approach to camera positioning never addressed before in the literature. This task is divided into two different sub-tasks, setting ambiguity analysis and approximate position estimation, on the one hand, and position refining, on the other, since they require the design of specific sampling algorithms to correctly exploit the discriminative features of the developed framework. This system, designed for camera positioning and demonstrated in urban traffic environments, can also be applied to different environments and sensors of other modalities after certain required adaptations.

Computational and Experimental Modelling of Mooring Lines Dynamics for Offshore Floating Wind Turbines

El cálculo de cargas de aerogeneradores flotantes requiere herramientas de simulación en el dominio del tiempo que consideren todos los fenómenos que afectan al sistema, como la aerodinámica, la dinámica estructural, la hidrodinámica, las estrategias de control y la dinámica de las líneas de fondeo. Todos estos efectos están acoplados entre sí y se influyen mutuamente. Las herramientas integradas se utilizan para calcular las cargas extremas y de fatiga que son empleadas para dimensionar estructuralmente los diferentes componentes del aerogenerador. Por esta razón, un cálculo preciso de las cargas influye de manera importante en la optimización de los componentes y en el coste final del aerogenerador flotante. En particular, el sistema de fondeo tiene gran impacto en la dinámica global del sistema. Muchos códigos integrados para la simulación de aerogeneradores flotantes utilizan modelos simplificados que no consideran los efectos dinámicos de las líneas de fondeo. Una simulación precisa de las líneas de fondeo dentro de los modelos integrados puede resultar fundamental para obtener resultados fiables de la dinámica del sistema y de los niveles de cargas en los diferentes componentes. Sin embargo, el impacto que incluir la dinámica de los fondeos tiene en la simulación integrada y en las cargas todavía no ha sido cuantificada rigurosamente. El objetivo principal de esta investigación es el desarrollo de un modelo dinámico para la simulación de líneas de fondeo con precisión, validarlo con medidas en un tanque de ensayos e integrarlo en un código de simulación para aerogeneradores flotantes. Finalmente, esta herramienta, experimentalmente validada, es utilizada para cuantificar el impacto que un modelos dinámicos de líneas de fondeo tienen en la computación de las cargas de fatiga y extremas de aerogeneradores flotantes en comparación con un modelo cuasi-estático. Esta es una información muy útil para los futuros diseñadores a la hora de decidir qué modelo de líneas de fondeo es el adecuado, dependiendo del tipo de plataforma y de los resultados esperados. El código dinámico de líneas de fondeo desarrollado en esta investigación se basa en el método de los Elementos Finitos, utilizando en concreto un modelo ”Lumped Mass” para aumentar su eficiencia de computación. Los experimentos realizados para la validación del código se realizaron en el tanque del École Céntrale de Nantes (ECN), en Francia, y consistieron en sumergir una cadena con uno de sus extremos anclados en el fondo del tanque y excitar el extremo suspendido con movimientos armónicos de diferentes periodos. El código demostró su capacidad para predecir la tensión y los movimientos en diferentes posiciones a lo largo de la longitud de la línea con gran precisión. Los resultados indicaron la importancia de capturar la dinámica de las líneas de fondeo para la predicción de la tensión especialmente en movimientos de alta frecuencia. Finalmente, el código se utilizó en una exhaustiva evaluación del efecto que la dinámica de las líneas de fondeo tiene sobre las cargas extremas y de fatiga de diferentes conceptos de aerogeneradores flotantes. Las cargas se calcularon para tres tipologías de aerogenerador flotante (semisumergible, ”spar-buoy” y ”tension leg platform”) y se compararon con las cargas obtenidas utilizando un modelo cuasi-estático de líneas de fondeo. Se lanzaron y postprocesaron más de 20.000 casos de carga definidos por la norma IEC 61400-3 siguiendo todos los requerimientos que una entidad certificadora requeriría a un diseñador industrial de aerogeneradores flotantes. Los resultados mostraron que el impacto de la dinámica de las líneas de fondeo, tanto en las cargas de fatiga como en las extremas, se incrementa conforme se consideran elementos situados más cerca de la plataforma: las cargas en la pala y en el eje sólo son ligeramente modificadas por la dinámica de las líneas, las cargas en la base de la torre pueden cambiar significativamente dependiendo del tipo de plataforma y, finalmente, la tensión en las líneas de fondeo depende fuertemente de la dinámica de las líneas, tanto en fatiga como en extremas, en todos los conceptos de plataforma que se han evaluado. ABSTRACT The load calculation of floating offshore wind turbine requires time-domain simulation tools taking into account all the phenomena that affect the system such as aerodynamics, structural dynamics, hydrodynamics, control actions and the mooring lines dynamics. These effects present couplings and are mutually influenced. The results provided by integrated simulation tools are used to compute the fatigue and ultimate loads needed for the structural design of the different components of the wind turbine. For this reason, their accuracy has an important influence on the optimization of the components and the final cost of the floating wind turbine. In particular, the mooring system greatly affects the global dynamics of the floater. Many integrated codes for the simulation of floating wind turbines use simplified approaches that do not consider the mooring line dynamics. An accurate simulation of the mooring system within the integrated codes can be fundamental to obtain reliable results of the system dynamics and the loads. The impact of taking into account the mooring line dynamics in the integrated simulation still has not been thoroughly quantified. The main objective of this research consists on the development of an accurate dynamic model for the simulation of mooring lines, validate it against wave tank tests and then integrate it in a simulation code for floating wind turbines. This experimentally validated tool is finally used to quantify the impact that dynamic mooring models have on the computation of fatigue and ultimate loads of floating wind turbines in comparison with quasi-static tools. This information will be very useful for future designers to decide which mooring model is adequate depending on the platform type and the expected results. The dynamic mooring lines code developed in this research is based in the Finite Element Method and is oriented to the achievement of a computationally efficient code, selecting a Lumped Mass approach. The experimental tests performed for the validation of the code were carried out at the `Ecole Centrale de Nantes (ECN) wave tank in France, consisting of a chain submerged into a water basin, anchored at the bottom of the basin, where the suspension point of the chain was excited with harmonic motions of different periods. The code showed its ability to predict the tension and the motions at several positions along the length of the line with high accuracy. The results demonstrated the importance of capturing the evolution of the mooring dynamics for the prediction of the line tension, especially for the high frequency motions. Finally, the code was used for an extensive assessment of the effect of mooring dynamics on the computation of fatigue and ultimate loads for different floating wind turbines. The loads were computed for three platforms topologies (semisubmersible, spar-buoy and tension leg platform) and compared with the loads provided using a quasi-static mooring model. More than 20,000 load cases were launched and postprocessed following the IEC 61400-3 guideline and fulfilling the conditions that a certification entity would require to an offshore wind turbine designer. The results showed that the impact of mooring dynamics in both fatigue and ultimate loads increases as elements located closer to the platform are evaluated; the blade and the shaft loads are only slightly modified by the mooring dynamics in all the platform designs, the tower base loads can be significantly affected depending on the platform concept and the mooring lines tension strongly depends on the lines dynamics both in fatigue and extreme loads in all the platform concepts evaluated.

Modelos Estadísticos Dinámicos para Análisis de Evolución de Tasas de Accidentes: Metodología y Herramientas Computacionales

Los accidentes del tráfico son un fenómeno social muy relevantes y una de las principales causas de mortalidad en los países desarrollados. Para entender este fenómeno complejo se aplican modelos econométricos sofisticados tanto en la literatura académica como por las administraciones públicas. Esta tesis está dedicada al análisis de modelos macroscópicos para los accidentes del tráfico en España. El objetivo de esta tesis se puede dividir en dos bloques: a. Obtener una mejor comprensión del fenómeno de accidentes de trafico mediante la aplicación y comparación de dos modelos macroscópicos utilizados frecuentemente en este área: DRAG y UCM, con la aplicación a los accidentes con implicación de furgonetas en España durante el período 2000-2009. Los análisis se llevaron a cabo con enfoque frecuencista y mediante los programas TRIO, SAS y TRAMO/SEATS. b. La aplicación de modelos y la selección de las variables más relevantes, son temas actuales de investigación y en esta tesis se ha desarrollado y aplicado una metodología que pretende mejorar, mediante herramientas teóricas y prácticas, el entendimiento de selección y comparación de los modelos macroscópicos. Se han desarrollado metodologías tanto para selección como para comparación de modelos. La metodología de selección de modelos se ha aplicado a los accidentes mortales ocurridos en la red viaria en el período 2000-2011, y la propuesta metodológica de comparación de modelos macroscópicos se ha aplicado a la frecuencia y la severidad de los accidentes con implicación de furgonetas en el período 2000-2009. Como resultado de los desarrollos anteriores se resaltan las siguientes contribuciones: a. Profundización de los modelos a través de interpretación de las variables respuesta y poder de predicción de los modelos. El conocimiento sobre el comportamiento de los accidentes con implicación de furgonetas se ha ampliado en este proceso. bl. Desarrollo de una metodología para selección de variables relevantes para la explicación de la ocurrencia de accidentes de tráfico. Teniendo en cuenta los resultados de a) la propuesta metodológica se basa en los modelos DRAG, cuyos parámetros se han estimado con enfoque bayesiano y se han aplicado a los datos de accidentes mortales entre los años 2000-2011 en España. Esta metodología novedosa y original se ha comparado con modelos de regresión dinámica (DR), que son los modelos más comunes para el trabajo con procesos estocásticos. Los resultados son comparables, y con la nueva propuesta se realiza una aportación metodológica que optimiza el proceso de selección de modelos, con escaso coste computacional. b2. En la tesis se ha diseñado una metodología de comparación teórica entre los modelos competidores mediante la aplicación conjunta de simulación Monte Cario, diseño de experimentos y análisis de la varianza ANOVA. Los modelos competidores tienen diferentes estructuras, que afectan a la estimación de efectos de las variables explicativas. Teniendo en cuenta el estudio desarrollado en bl) este desarrollo tiene el propósito de determinar como interpretar la componente de tendencia estocástica que un modelo UCM modela explícitamente, a través de un modelo DRAG, que no tiene un método específico para modelar este elemento. Los resultados de este estudio son importantes para ver si la serie necesita ser diferenciada antes de modelar. b3. Se han desarrollado nuevos algoritmos para realizar los ejercicios metodológicos, implementados en diferentes programas como R, WinBUGS, y MATLAB. El cumplimiento de los objetivos de la tesis a través de los desarrollos antes enunciados se remarcan en las siguientes conclusiones: 1. El fenómeno de accidentes del tráfico se ha analizado mediante dos modelos macroscópicos. Los efectos de los factores de influencia son diferentes dependiendo de la metodología aplicada. Los resultados de predicción son similares aunque con ligera superioridad de la metodología DRAG. 2. La metodología para selección de variables y modelos proporciona resultados prácticos en cuanto a la explicación de los accidentes de tráfico. La predicción y la interpretación también se han mejorado mediante esta nueva metodología. 3. Se ha implementado una metodología para profundizar en el conocimiento de la relación entre las estimaciones de los efectos de dos modelos competidores como DRAG y UCM. Un aspecto muy importante en este tema es la interpretación de la tendencia mediante dos modelos diferentes de la que se ha obtenido información muy útil para los investigadores en el campo del modelado. Los resultados han proporcionado una ampliación satisfactoria del conocimiento en torno al proceso de modelado y comprensión de los accidentes con implicación de furgonetas y accidentes mortales totales en España. ABSTRACT Road accidents are a very relevant social phenomenon and one of the main causes of death in industrialized countries. Sophisticated econometric models are applied in academic work and by the administrations for a better understanding of this very complex phenomenon. This thesis is thus devoted to the analysis of macro models for road accidents with application to the Spanish case. The objectives of the thesis may be divided in two blocks: a. To achieve a better understanding of the road accident phenomenon by means of the application and comparison of two of the most frequently used macro modelings: DRAG (demand for road use, accidents and their gravity) and UCM (unobserved components model); the application was made to van involved accident data in Spain in the period 2000-2009. The analysis has been carried out within the frequentist framework and using available state of the art software, TRIO, SAS and TRAMO/SEATS. b. Concern on the application of the models and on the relevant input variables to be included in the model has driven the research to try to improve, by theoretical and practical means, the understanding on methodological choice and model selection procedures. The theoretical developments have been applied to fatal accidents during the period 2000-2011 and van-involved road accidents in 2000-2009. This has resulted in the following contributions: a. Insight on the models has been gained through interpretation of the effect of the input variables on the response and prediction accuracy of both models. The behavior of van-involved road accidents has been explained during this process. b1. Development of an input variable selection procedure, which is crucial for an efficient choice of the inputs. Following the results of a) the procedure uses the DRAG-like model. The estimation is carried out within the Bayesian framework. The procedure has been applied for the total road accident data in Spain in the period 2000-2011. The results of the model selection procedure are compared and validated through a dynamic regression model given that the original data has a stochastic trend. b2. A methodology for theoretical comparison between the two models through Monte Carlo simulation, computer experiment design and ANOVA. The models have a different structure and this affects the estimation of the effects of the input variables. The comparison is thus carried out in terms of the effect of the input variables on the response, which is in general different, and should be related. Considering the results of the study carried out in b1) this study tries to find out how a stochastic time trend will be captured in DRAG model, since there is no specific trend component in DRAG. Given the results of b1) the findings of this study are crucial in order to see if the estimation of data with stochastic component through DRAG will be valid or whether the data need a certain adjustment (typically differencing) prior to the estimation. The model comparison methodology was applied to the UCM and DRAG models, considering that, as mentioned above, the UCM has a specific trend term while DRAG does not. b3. New algorithms were developed for carrying out the methodological exercises. For this purpose different softwares, R, WinBUGs and MATLAB were used. These objectives and contributions have been resulted in the following findings: 1. The road accident phenomenon has been analyzed by means of two macro models: The effects of the influential input variables may be estimated through the models, but it has been observed that the estimates vary from one model to the other, although prediction accuracy is similar, with a slight superiority of the DRAG methodology. 2. The variable selection methodology provides very practical results, as far as the explanation of road accidents is concerned. Prediction accuracy and interpretability have been improved by means of a more efficient input variable and model selection procedure. 3. Insight has been gained on the relationship between the estimates of the effects using the two models. A very relevant issue here is the role of trend in both models, relevant recommendations for the analyst have resulted from here. The results have provided a very satisfactory insight into both modeling aspects and the understanding of both van-involved and total fatal accidents behavior in Spain.

Comparación de un nuevo método de aceleración de análisis dinámicos con métodos de reducción de modelos

La dinámica estructural estudia la respuesta de una estructura ante cargas o fenómenos variables en el tiempo. En muchos casos, estos fenómenos requieren realizar análisis paramétricos de la estructura considerando una gran cantidad de configuraciones de diseño o modificaciones de la estructura. Estos cambios, ya sean en fases iniciales de diseño o en fases posteriores de rediseño, alteran las propiedades físicas de la estructura y por tanto del modelo empleado para su análisis, cuyo comportamiento dinámico se modifica en consecuencia. Un caso de estudio de este tipo de modificaciones es la supervisión de la integridad estructural, que trata de identificar la presencia de daño estructural y prever el comportamiento de la estructura tras ese daño, como puede ser la variación del comportamiento dinámico de la estructura debida a una delaminación, la aparición o crecimiento de grieta, la debida a la pérdida de pala sufrida por el motor de un avión en vuelo, o la respuesta dinámica de construcciones civiles como puentes o edificios frente a cargas sísmicas. Si a la complejidad de los análisis dinámicos requeridos en el caso de grandes estructuras se añade la variación de determinados parámetros en busca de una respuesta dinámica determinada o para simular la presencia de daños, resulta necesario la búsqueda de medios de simplificación o aceleración del conjunto de análisis que de otra forma parecen inabordables tanto desde el punto de vista del tiempo de computación, como de la capacidad requerida de almacenamiento y manejo de grandes volúmenes de archivos de datos. En la presente tesis doctoral se han revisado los métodos de reducción de elementos .nitos más habituales para análisis dinámicos de grandes estructuras. Se han comparado los resultados de casos de estudio de los métodos más aptos, para el tipo de estructuras y modificaciones descritas, con los resultados de aplicación de un método de reducción reciente. Entre los primeros están el método de condensación estática de Guyan extendido al caso con amortiguamiento no proporcional y posteriores implementaciones de condensaciones dinámicas en diferentes espacios vectoriales. El método de reducción recientemente presentado se denomina en esta tesis DACMAM (Dynamic Analysis in Complex Modal space Acceleration Method), y consiste en el análisis simplificado que proporciona una solución para la respuesta dinámica de una estructura, calculada en el espacio modal complejo y que admite modificaciones estructurales. El método DACMAM permite seleccionar un número reducido de grados de libertad significativos para la dinámica del fenómeno que se quiere estudiar como son los puntos de aplicación de la carga, localizaciones de los cambios estructurales o puntos donde se quiera conocer la respuesta, de forma que al implementar las modificaciones estructurales, se ejecutan los análisis necesarios sólo de dichos grados de libertad sin pérdida de precisión. El método permite considerar alteraciones de masa, rigidez, amortiguamiento y la adición de nuevos grados de libertad. Teniendo en cuenta la dimensión del conjunto de ecuaciones a resolver, la parametrización de los análisis no sólo resulta posible, sino que es también manejable y controlable gracias a la sencilla implementación del procedimiento para los códigos habituales de cálculo mediante elementos .nitos. En el presente trabajo se muestra la bondad y eficiencia del método en comparación con algunos de los métodos de reducción de grandes modelos estructurales, verificando las diferencias entre sí de los resultados obtenidos y respecto a la respuesta real de la estructura, y comprobando los medios empleados en ellos tanto en tiempo de ejecución como en tamaño de ficheros electrónicos. La influencia de los diversos factores que se tienen en cuenta permite identificar los límites y capacidades de aplicación del método y su exhaustiva comparación con los otros procedimientos. ABSTRACT Structural dynamics studies the response of a structure under loads or phenomena which vary over time. In many cases, these phenomena require the use of parametric analyses taking into consideration several design configurations or modifications of the structure. This is a typical need in an engineering o¢ ce, no matter the structural design is in early or final stages. These changes modify the physical properties of the structure, and therefore, the finite element model to analyse it. A case study, that exempli.es this circumstance, is the structural health monitoring to predict the variation of the dynamical behaviour after damage, such as a delaminated structure, a crack onset or growth, an aircraft that suffers a blade loss event or civil structures (buildings or bridges) under seismic loads. Not only large structures require complex analyses to appropriately acquire an accurate solution, but also the variation of certain parameters. There is a need to simplify the analytical process, in order to bring CPU time, data .les, management of solutions to a reasonable size. In the current doctoral thesis, the most common finite element reduction methods for large structures are reviewed. Results of case studies are compared between a recently proposed method, herein named DACMAM (Dynamic Analysis in Complex Modal space Acceleration Method), and different condensation methods, namely static or Guyan condensation and dynamic condensation in different vectorial spaces. All these methods are suitable for considering non-classical damping. The reduction method DACMAM consist of a structural modification in the complex modal domain which provides a dynamic response solution for the reduced models. This process allows the selection of a few degrees of freedom that are relevant for the dynamic response of the system. These d.o.f. are the load application points, relevant structural points or points in which it is important to know the response. Consequently, an analysis with structural modifications implies only the calculation of the dynamic response of the selected degrees of freedom added, but with no loss of information. Therefore, mass, stiffness or damping modifications are easily considered as well as new degrees of freedom. Taking into account the size of the equations to be solved, the parameterization of the dynamic solutions is not only possible, but also manageable and controllable due to the easy implementation of the procedure in the standard finite element solvers. In this thesis, the proposed reduction method for large structural models is compared with other published model order reduction methods. The comparison shows and underlines the efficiency of the new method, and veri.es the differences in the response when compared with the response of the full model. The CPU time, the data files and the scope of the parameterization are also addressed.

Estudio dinámico de puentes de ferrocarril sometidos a nuevos modelos de carga en el marco europeo

Más allá de la alta velocidad, y debido en parte a su éxito, en los últimos años han aparecido trenes de pasajeros capaces de circular a velocidades más elevadas y ser más eficientes (como, por ejemplo, los de tipo automotor). Además, algunos de los antiguos modelos recogidos en las normativas parecen no cubrir determinados casos, lo que ha llevado a la reciente modificación de éstas. A todo esto se le añade la necesidad de crear una normativa común europea que establezca las bases para lograr la interoperabilidad. Con este proyecto se pretende estudiar los efectos dinámicos en puentes de estas nuevas tipologías de trenes, haciendo especial hincapié en los trenes automotores. El trabajo se centra principalmente en puentes isostáticos de luces cortas, por ser éstos especialmente sensibles a este tipo de acciones. El parámetro crítico, en estos casos, son las aceleraciones en centro de vano. Se realizara el cálculo dinámico por diferentes métodos: elementos finitos, análisis modal, así como programas de integración numérica en Matlab de los modos de vibración, analizando y comparando la efectividad de estos. Las diferencias entre la consideración o no de la distribución de las cargas transmitidas al tablero de la estructura de la vía a serán discutidas en el proyecto, así como la interacción dinámica entre estructura y vehículo. Finalmente se aplicarán los conocimientos obtenidos a varios casos reales de puentes incluidos en la red ferroviaria española, como por ejemplo, el viaducto de alta velocidad del Jalón. Los resultados de estos estudios tienen una repercusión en diversas normativas europeas actualmente en revisión y en las cuales está involucrado el Grupo de Mecánica Computacional: EN15528 European Committee for Standarization (2008), EN1991-2 European Committee for Standarization (2003) y las Especificaciones Técnicas de Interoperabilidad Ferroviaria (TSI).

RVDynDB: Repositorio abierto para el intercambio de datos dinámicos de vehículos ferroviarios

En este artículo se describe el proceso de diseño e implementación de la base de datos RVDynDB (Rail Vehicle Dynamic parameters DataBase), que pretende ser un extenso repositorio de los modelos de dominio público empleados en la simulación dinámica de vehículos ferroviarios en todo el mundo. Atendiendo a sus características de flexibilidad, extensibilidad e independencia de la plataforma, se ha escogido un modelo de datos XML, que facilita el almacenamiento de datos de procedencia muy heterogénea, al tiempo que permite compartir el contenido de la base de datos con otros usuarios a través de internet. Se ha presentado también el lenguaje RVDynML (Rail Vehicle Dynamic parameters Markup Language), que define la estructura de la información almacenada en la base de datos. Al ser un lenguaje basado en XML, con el tiempo podría llegar a convertirse en un estándar para el intercambio de datos sobre los principales parámetros constructivos que definen el comportamiento dinámico de los vehículos.Se han seleccionado 173 referencias bibliográficas, cuyos datos se han utilizado para construir la base de datos, constituida por un total de 957 registros. Finalmente, se ha desarrollado una aplicación específica con MATLAB para gestionar las búsquedas en la base de datos. Para ello se ha empleando una API de Java que proporciona una interfaz para el DOM, que permite permiten acceder, modificar, insertar o eliminar los elementos y atributos que componen un documento XML.

Efectos dinámicos debidos al tráfico de ferrocarril sobre la infraestructura de vía y las estructuras

La vía tradicional sobre balasto sigue siendo una selección para las líneas de alta velocidad a pesar de los problemas técnicos y la prestación del funcionamiento. El problema de la vía sobre balasto es el proceso continuo del deterioro de éste debido a las cargas asociadas al tráfico ferroviario. En consecuencia es imprescindible un mantenimiento continuado para mantener un alineamiento adecuado de la vía. Por eso se surge la necesidad de comprender mejor el mecanismo involucrado en el deterioro de la vía y los factores claves que rigen su progresión a lo largo de ciclos de carga con el fin de reducir los costos del mantenimiento de la vía y mejorar el diseño de las nuevas vías. La presente tesis intenta por un lado desarrollar los modelos más adecuados y eficientes del vehículo y de la vía para los cálculos de los efectos dinámicos debido al tráfico de ferrocarril sobre la infraestructura de la vía sobre balasto, y por otro evaluar estos efectos dinámicos sobre el deterioro de la vía sobre balasto a largo plazo, empleando un adecuado modelo de predicción del deterioro de la misma. Se incluye en el trabajo una recopilación del estado del arte en lo referente a la dinámica de la vía, a la modelización del vehículo, de la vía y de la interacción entre ambos. También se hace un repaso al deterioro de la vía y los factores que influyen en su proceso. Para la primera línea de investigación de esta tesis, se han desarrollado los diferentes modelos del vehículo y de la vía y la modelización de la interacción entre ambos para los cálculos dinámicos en dos y tres dimensiones. En la interacción vehículo-vía, se ha empleado la formulación de contacto nodo-superficie para establecer la identificación de las superficies en contacto y el método de los multiplicadores de Lagrange para imponer las restricciones de contacto. El modelo de interacción se ha contrastado con los casos reportados en la literatura. Teniendo en cuenta el contacto no lineal entre rueda-carril y los perfiles de irregularidades distribuidas de la vía, se han evaluado y comparado los efectos dinámicos sobre el sistema vehículo-vía en la interacción de ambos, para distintas velocidades de circulación del vehículo, en los aspectos como la vibración del vehículo, fuerza de contacto, fuerza transmitida en los railpads, la vibración del carril. También se hace un estudio de la influencia de las propiedades de los componentes de la vía en la respuesta dinámica del sistema vehículo-vía. Se ha desarrollado el modelo del asiento de la vía que consiste en la implementación del modelo de acumulación de Bochum y del modelo de hipoplasticidad en la subrutina del usuario \UMAT" del programa ABAQUS. La implementación numérica ha sido comprobado al comparar los resultados de las simulaciones numéricas con los reportados en la literatura. Se ha evaluado la calidad geométrica de la vía sobre balasto de los tramos de estudio con datos reales de la auscultación proporcionados por ADIF (2012). Se ha propuesto una metodología de simulación, empleando el modelo de asiento, para reproducir el deterioro de la geometría de la vía. Se usan los perfiles de la nivelación longitudinal de la auscultación como perfiles de irregularidades iniciales de la vía en las simulaciones numéricas. También se evalúa la influencia de la velocidad de circulación sobre el deterioro de la vía. The traditional ballast track structures are still being used in high speed railways lines with success, however technical problems or performance features have led to ballast track solution in some cases. The considerable maintenance work is needed for ballasted tracks due to the track deterioration. Therefore it is very important to understand the mechanism of track deterioration and to predict the track settlement or track irregularity growth rate in order to reduce track maintenance costs and enable new track structures to be designed. This thesis attempts to develop the most adequate and efficient models for calculation of dynamic track load effects on railways track infrastructure, and to evaluate these dynamic effects on the track settlement, using a track settlement prediction model, which consists of the vehicle/track dynamic model previously selected and a track settlement law. A revision of the state of the knowledge regarding the track dynamics, the modelling of the vehicle, the track and the interaction between them is included. An overview related to the track deterioration and the factors influencing the track settlement is also done. For the first research of this thesis, the different models of vehicle, track and the modelling of the interaction between both have been developed. In the vehicle-track interaction, the node-surface contact formulation to establish the identification of the surfaces in contact and the Lagrange multipliers method to enforce contact constraint are used. The interaction model has been verified by contrast with some benchmarks reported in the literature. Considering the nonlinear contact between wheel-rail and the track irregularities, the dynamic effects on the vehicle-track system have been evaluated and compared, for different speeds of the vehicle, in aspects as vehicle vibration, contact force, force transmitted in railpads, rail vibration. A study of the influence of the properties of the track components on the the dynamic response of the vehicle-track system has been done. The track settlement model is developed that consist of the Bochum accumulation model and the hipoplasticity model in the user subroutine \UMAT" of the program ABAQUS. The numerical implementation has been verified by comparing the numerical results with those reported in the literature. The geometric quality of the ballast track has been evaluated with real data of auscultation provided by ADIF (2012). The simulation methodology has been proposed, using the settlement model for the ballast material, to reproduce the deterioration of the track geometry. The profiles of the longitudinal level of the auscultation is used as initial profiles of the track irregularities in the numerical simulation. The influence of the running speed on the track deterioration is also investigated.

Efectos dinámicos laterales en vehículos y puentes ferroviarios sometidos a la acción de vientos transversales

En las últimas décadas el aumento de la velocidad y la disminución del peso de los vehículos ferroviarios de alta velocidad ha provocado que aumente su riesgo de vuelco. Además, las exigencias de los trazados de las líneas exige en ocasiones la construcción de viaductos muy altos situados en zonas expuestas a fuertes vientos. Esta combinación puede poner en peligro la seguridad de la circulación. En esta tesis doctoral se estudian los efectos dinámicos que aparecen en los vehículos ferroviarios cuando circulan sobre viaductos en presencia de vientos transversales. Para ello se han desarrollado e implementado una serie de modelos numéricos que permiten estudiar estos efectos de una forma realista y general. Los modelos desarrollados permiten analizar la interacción dinámica tridimensional tren-estructura, formulada mediante coordenadas absolutas en un sistema de referencia inercial, en un contexto de elementos _nitos no lineales. Mediante estos modelos se pueden estudiar de forma realista casos extremos como el vuelco o descarrilamiento de los vehículos. Han sido implementados en Abaqus, utilizando sus capacidades para resolver sistemas multi-cuerpo para el vehículo y elementos finitos para la estructura. La interacción entre el vehículo y la estructura se establece a través del contacto entre rueda y carril. Para ello, se han desarrollado una restricción, que permite establecer la relación cinemática entre el eje ferroviario y la vía, teniendo en cuenta los posibles defectos geométricos de la vía; y un modelo de contacto rueda-carril para establecer la interacción entre el vehículo y la estructura. Las principales características del modelo de contacto son: considera la geometría real de ambos cuerpos de forma tridimensional; permite resolver situaciones en las que el contacto entre rueda y carril se da en más de una zona a la vez; y permite utilizar distintas formulaciones para el cálculo de la tensión tangencial entre ambos cuerpos. Además, se ha desarrollado una metodología para determinar, a partir de formulaciones estocásticas, las historias temporales de cargas aerodinámicas debidas al viento turbulento en estructuras grandes y con pilas altas y flexibles. Esta metodología tiene cuenta la variabilidad espacial de la velocidad de viento, considerando la correlación entre los distintos puntos; considera las componentes de la velocidad del viento en tres dimensiones; y permite el cálculo de la velocidad de viento incidente sobre los vehículos que atraviesan la estructura. La metodología desarrollada en este trabajo ha sido implementada, validada y se ha aplicado a un caso concreto en el que se ha estudiado la respuesta de un tren de alta velocidad, similar al Siemens Velaro, circulando sobre el viaducto del río Ulla en presencia viento cruzado. En este estudio se ha analizado la seguridad y el confort de la circulación y la respuesta dinámica de la estructura cuando el tren cruza el viaducto. During the last decades the increase of the speed and the reduction of the weight of high-speed railway vehicles has led to a rise of the overturn risk. In addition, the design requests of the railway lines require some times the construction of very tall viaducts in strong wind areas. This combination may endanger the traffic safety. In this doctoral thesis the dynamic effects that appear in the railway vehicles when crossing viaducts under strong winds are studied. For this purpose it has been developed and implemented numerical models for studying these effects in a realistic and general way. The developed models allow to analyze the train-structure three-dimensional dynamic interaction, that is formulated by using absolute coordinates in an inertial reference frame within a non-linear finite element framework. By means of these models it is possible to study in a realistic way extreme situations such vehicle overturn or derailment. They have been implemented for Abaqus, by using its capabilities for solving multi-body systems for the vehicle and finite elements for the structure. The interaction between the vehicle and the structure is established through the wheel-rail contact. For this purpose, a constraint has been developed. It allows to establish the kinematic relationship between the railway wheelset and the track, taking into account the track irregularities. In addition, a wheel-rail contact model for establishing the interaction of the vehicle and the structure has been developed. The main features of the contact model are: it considers the real geometry During the last decades the increase of the speed and the reduction of the weight of high-peed railway vehicles has led to a rise of the overturn risk. In addition, the design requests of the railway lines require some times the construction of very tall viaducts in strong wind areas. This combination may endanger the traffic safety. In this doctoral thesis the dynamic effects that appear in the railway vehicles when crossing viaducts under strong winds are studied. For this purpose it has been developed and implemented numerical models for studying these effects in a realistic and general way. The developed models allow to analyze the train-structure three-dimensional dynamic interaction, that is formulated by using absolute coordinates in an inertial reference frame within a non-linear finite element framework. By means of these models it is possible to study in a realistic way extreme situations such vehicle overturn or derailment. They have been implemented for Abaqus, by using its capabilities for solving multi-body systems for the vehicle and finite elements for the structure. The interaction between the vehicle and the structure is established through the wheel-rail contact. For this purpose, a constraint has been developed. It allows to establish the kinematic relationship between the railway wheelset and the track, taking into account the track irregularities. In addition, a wheel-rail contact model for establishing the interaction of the vehicle and the structure has been developed. The main features of the contact model are: it considers the real geometry

Estudio y modelado del comportamiento de una plataforma para ensayos dinámicos de estructuras

Las masas vibrantes, o plataformas dinámicas, han sido empleadas con intensidad creciente durante los últimos años en la ingeniería sísmica y la dinámica de estructuras, en general, para estudiar experimentalmente los efectos en las estructuras cuando son excitadas en su base; especialmente en la calificación de equipos para plantas nucleares. Este tipo de mesas son accionadas por actuadores hidráulicos dotados de servoválvulas y cuyo desplazamiento es controlado en bucle cerrado. Sin embargo, las curvas de respuesta esperables para este tipo de sistema son frecuentemente alteradas por la presencia de la estructura a ensayar o la cimentación suspendida de la plataforma. En esta comunicación se exponen los modelos teóricos utilizados con éxito para reproducir el comportamiento de una mesa vibrante de 1700 kg., haciendo una comparación entre curvas de respusta teóricas y experimentales.

Predicción de la velocidad crítica de flameo mediante el uso de modelos aeroelásticos extrapolados en tiempo real con datos de vuelo

La Aeroelasticidad fue definida por Arthur Collar en 1947 como "el estudio de la interacción mutua entre fuerzas inerciales, elásticas y aerodinámicas actuando sobre elementos estructurales expuestos a una corriente de aire". Actualmente, esta definición se ha extendido hasta abarcar la influencia del control („Aeroservoelasticidad‟) e, incluso, de la temperatura („Aerotermoelasticidad‟). En el ámbito de la Ingeniería Aeronáutica, los fenómenos aeroelásticos, tanto estáticos (divergencia, inversión de mando) como dinámicos (flameo, bataneo) son bien conocidos desde los inicios de la Aviación. Las lecciones aprendidas a lo largo de la Historia Aeronáutica han permitido establecer criterios de diseño destinados a mitigar la probabilidad de sufrir fenómenos aeroelásticos adversos durante la vida operativa de una aeronave. Adicionalmente, el gran avance experimentado durante esta última década en el campo de la Aerodinámica Computacional y en la modelización aeroelástica ha permitido mejorar la fiabilidad en el cálculo de las condiciones de flameo de una aeronave en su fase de diseño. Sin embargo, aún hoy, los ensayos en vuelo siguen siendo necesarios para validar modelos aeroelásticos, verificar que la aeronave está libre de inestabilidades aeroelásticas y certificar sus distintas envolventes. En particular, durante el proceso de expansión de la envolvente de una aeronave en altitud/velocidad, se requiere predecir en tiempo real las condiciones de flameo y, en consecuencia, evitarlas. A tal efecto, en el ámbito de los ensayos en vuelo, se han desarrollado diversas metodologías que predicen, en tiempo real, las condiciones de flameo en función de condiciones de vuelo ya verificadas como libres de inestabilidades aeroelásticas. De entre todas ellas, aquella que relaciona el amortiguamiento y la velocidad con un parámetro específico definido como „Margen de Flameo‟ (Flutter Margin), permanece como la técnica más común para proceder con la expansión de Envolventes en altitud/velocidad. No obstante, a pesar de su popularidad y facilidad de aplicación, dicha técnica no es adecuada cuando en la aeronave a ensayar se hallan presentes no-linealidades mecánicas como, por ejemplo, holguras. En particular, en vuelos de ensayo dedicados específicamente a expandir la envolvente en altitud/velocidad, las condiciones de „Oscilaciones de Ciclo Límite‟ (Limit Cycle Oscillations, LCOs) no pueden ser diferenciadas de manera precisa de las condiciones de flameo, llevando a una determinación excesivamente conservativa de la misma. La presente Tesis desarrolla una metodología novedosa, basada en el concepto de „Margen de Flameo‟, que permite predecir en tiempo real las condiciones de „Ciclo Límite‟, siempre que existan, distinguiéndolas de las de flameo. En una primera parte, se realiza una revisión bibliográfica de la literatura acerca de los diversos métodos de ensayo existentes para efectuar la expansión de la envolvente de una aeronave en altitud/velocidad, el efecto de las no-linealidades mecánicas en el comportamiento aeroelástico de dicha aeronave, así como una revisión de las Normas de Certificación civiles y militares respecto a este tema. En una segunda parte, se propone una metodología de expansión de envolvente en tiempo real, basada en el concepto de „Margen de Flameo‟, que tiene en cuenta la presencia de no-linealidades del tipo holgura en el sistema aeroelástico objeto de estudio. Adicionalmente, la metodología propuesta se valida contra un modelo aeroelástico bidimensional paramétrico e interactivo programado en Matlab. Para ello, se plantean las ecuaciones aeroelásticas no-estacionarias de un perfil bidimensional en la formulación espacio-estado y se incorpora la metodología anterior a través de un módulo de análisis de señal y otro módulo de predicción. En una tercera parte, se comparan las conclusiones obtenidas con las expuestas en la literatura actual y se aplica la metodología propuesta a resultados experimentales de ensayos en vuelo reales. En resumen, los principales resultados de esta Tesis son: 1. Resumen del estado del arte en los métodos de ensayo aplicados a la expansión de envolvente en altitud/velocidad y la influencia de no-linealidades mecánicas en la determinación de la misma. 2. Revisión de la normas de Certificación Civiles y las normas Militares en relación a la verificación aeroelástica de aeronaves y los límites permitidos en presencia de no-linealidades. 3. Desarrollo de una metodología de expansión de envolvente basada en el Margen de Flameo. 4. Validación de la metodología anterior contra un modelo aeroelástico bidimensional paramétrico e interactivo programado en Matlab/Simulink. 5. Análisis de los resultados obtenidos y comparación con resultados experimentales. ABSTRACT Aeroelasticity was defined by Arthur Collar in 1947 as “the study of the mutual interaction among inertia, elastic and aerodynamic forces when acting on structural elements surrounded by airflow”. Today, this definition has been updated to take into account the Controls („Aeroservoelasticity‟) and even the temperature („Aerothermoelasticity‟). Within the Aeronautical Engineering, aeroelastic phenomena, either static (divergence, aileron reversal) or dynamic (flutter, buzz), are well known since the early beginning of the Aviation. Lessons learned along the History of the Aeronautics have provided several design criteria in order to mitigate the probability of encountering adverse aeroelastic phenomena along the operational life of an aircraft. Additionally, last decade improvements experienced by the Computational Aerodynamics and aeroelastic modelization have refined the flutter onset speed calculations during the design phase of an aircraft. However, still today, flight test remains as a key tool to validate aeroelastic models, to verify flutter-free conditions and to certify the different envelopes of an aircraft. Specifically, during the envelope expansion in altitude/speed, real time prediction of flutter conditions is required in order to avoid them in flight. In that sense, within the flight test community, several methodologies have been developed to predict in real time flutter conditions based on free-flutter flight conditions. Among them, the damping versus velocity technique combined with a Flutter Margin implementation remains as the most common technique used to proceed with the envelope expansion in altitude/airspeed. However, although its popularity and „easy to implement‟ characteristics, several shortcomings can adversely affect to the identification of unstable conditions when mechanical non-linearties, as freeplay, are present. Specially, during test flights devoted to envelope expansion in altitude/airspeed, Limits Cycle Oscillations (LCOs) conditions can not be accurately distinguished from those of flutter and, in consequence, it leads to an excessively conservative envelope determination. The present Thesis develops a new methodology, based on the Flutter Margin concept, that enables in real time the prediction of the „Limit Cycle‟ conditions, whenever they exist, without degrading the capability of predicting the flutter onset speed. The first part of this Thesis presents a review of the state of the art regarding the test methods available to proceed with the envelope expansion of an aircraft in altitude/airspeed and the effect of mechanical non-linearities on the aeroelastic behavior. Also, both civil and military regulations are reviewed with respect aeroelastic investigation of air vehicles. The second part of this Thesis proposes a new methodology to perform envelope expansion in real time based on the Flutter Margin concept when non-linearities, as freeplay, are present. Additionally, this methodology is validated against a Matlab/Slimulink bidimensional aeroelastic model. This model, parametric and interactive, is formulated within the state-space field and it implements the proposed methodology through two main real time modules: A signal processing module and a prediction module. The third part of this Thesis compares the final conclusions derived from the proposed methodology with those stated by the flight test community and experimental results. In summary, the main results provided by this Thesis are: 1. State of the Art review of the test methods applied to envelope expansion in altitude/airspeed and the influence of mechanical non-linearities in its identification. 2. Review of the main civil and military regulations regarding the aeroelastic verification of air vehicles and the limits set when non-linearities are present. 3. Development of a methodology for envelope expansion based on the Flutter Margin concept. 4. A Matlab/Simulink 2D-[aeroelastic model], parametric and interactive, used as a tool to validate the proposed methodology. 5. Conclusions driven from the present Thesis and comparison with experimental results.

Auto-Emergencia de Comunicación Sintáctica en Entornos Estáticos y Dinámicos para Grupos de Robots mediante Evolución Gramatical y Aprendizaje por Refuerzo

La idea de dotar a un grupo de robots o agentes artificiales de un lenguaje ha sido objeto de intenso estudio en las ultimas décadas. Como no podía ser de otra forma los primeros intentos se enfocaron hacia el estudio de la emergencia de vocabularios compartidos convencionalmente por el grupo de robots. Las ventajas que puede ofrecer un léxico común son evidentes, como también lo es que un lenguaje con una estructura más compleja, en la que se pudieran combinar palabras, sería todavía más beneficioso. Surgen así algunas propuestas enfocadas hacia la emergencia de un lenguaje consensuado que muestre una estructura sintáctica similar al lenguaje humano, entre las que se encuentra este trabajo. Tomar el lenguaje humano como modelo supone adoptar algunas de las hipótesis y teorías que disciplinas como la filosofía, la psicología o la lingüística entre otras se han encargado de proponer. Según estas aproximaciones teóricas el lenguaje presenta una doble dimension formal y funcional. En base a su dimensión formal parece claro que el lenguaje sigue unas reglas, por lo que el uso de una gramática se ha considerado esencial para su representación, pero también porque las gramáticas son un dispositivo muy sencillo y potente que permite generar fácilmente estructuras simbólicas. En cuanto a la dimension funcional se ha tenido en cuenta la teoría quizá más influyente de los últimos tiempos, que no es otra que la Teoría de los Actos del Habla. Esta teoría se basa en la idea de Wittgenstein por la que el significado reside en el uso del lenguaje, hasta el punto de que éste se entiende como una manera de actuar y de comportarse, en definitiva como una forma de vida. Teniendo presentes estas premisas en esta tesis se pretende experimentar con modelos computacionales que permitan a un grupo de robots alcanzar un lenguaje común de manera autónoma, simplemente mediante interacciones individuales entre los robots, en forma de juegos de lenguaje. Para ello se proponen tres modelos distintos de lenguaje: • Un modelo basado en gramáticas probabilísticas y aprendizaje por refuerzo en el que las interacciones y el uso del lenguaje son claves para su emergencia y que emplea una gramática generativa estática y diseñada de antemano. Este modelo se aplica a dos grupos distintos: uno formado exclusivamente por robots y otro que combina robots y un humano, de manera que en este segundo caso se plantea un aprendizaje supervisado por humanos. • Un modelo basado en evolución gramatical que permite estudiar no solo el consenso sintáctico, sino también cuestiones relativas a la génesis del lenguaje y que emplea una gramática universal a partir de la cual los robots pueden evolucionar por sí mismos la gramática más apropiada según la situación lingüística que traten en cada momento. • Un modelo basado en evolución gramatical y aprendizaje por refuerzo que toma aspectos de los anteriores y amplia las posibilidades de los robots al permitir desarrollar un lenguaje que se adapta a situaciones lingüísticas dinámicas que pueden cambiar en el tiempo y también posibilita la imposición de restricciones de orden muy frecuentes en las estructuras sintácticas complejas. Todos los modelos implican un planteamiento descentralizado y auto-organizado, de manera que ninguno de los robots es el dueño del lenguaje y todos deben cooperar y colaborar de forma coordinada para lograr el consenso sintáctico. En cada caso se plantean experimentos que tienen como objetivo validar los modelos propuestos, tanto en lo relativo al éxito en la emergencia del lenguaje como en lo relacionado con cuestiones paralelas de importancia, como la interacción hombre-máquina o la propia génesis del lenguaje. ABSTRACT The idea of giving a language to a group of robots or artificial agents has been the subject of intense study in recent decades. The first attempts have focused on the development and emergence of a conventionally shared vocabulary. The advantages that can provide a common vocabulary are evident and therefore a more complex language that combines words would be even more beneficial. Thus some proposals are put forward towards the emergence of a consensual language with a sintactical structure in similar terms to the human language. This work follows this trend. Taking the human language as a model means taking some of the assumptions and theories that disciplines such as philosophy, psychology or linguistics among others have provided. According to these theoretical positions language has a double formal and functional dimension. Based on its formal dimension it seems clear that language follows rules, so that the use of a grammar has been considered essential for representation, but also because grammars are a very simple and powerful device that easily generates these symbolic structures. As for the functional dimension perhaps the most influential theory of recent times, the Theory of Speech Acts has been taken into account. This theory is based on the Wittgenstein’s idea about that the meaning lies in the use of language, to the extent that it is understood as a way of acting and behaving. Having into account these issues this work implements some computational models in order to test if they allow a group of robots to reach in an autonomous way a shared language by means of individual interaction among them, that is by means of language games. Specifically, three different models of language for robots are proposed: • A reinforcement learning based model in which interactions and language use are key to its emergence. This model uses a static probabilistic generative grammar which is designed beforehand. The model is applied to two different groups: one formed exclusively by robots and other combining robots and a human. Therefore, in the second case the learning process is supervised by the human. • A model based on grammatical evolution that allows us to study not only the syntactic consensus, but also the very genesis of language. This model uses a universal grammar that allows robots to evolve for themselves the most appropriate grammar according to the current linguistic situation they deal with. • A model based on grammatical evolution and reinforcement learning that takes aspects of the previous models and increases their possibilities. This model allows robots to develop a language in order to adapt to dynamic language situations that can change over time and also allows the imposition of syntactical order restrictions which are very common in complex syntactic structures. All models involve a decentralized and self-organized approach so that none of the robots is the language’s owner and everyone must cooperate and work together in a coordinated manner to achieve syntactic consensus. In each case experiments are presented in order to validate the proposed models, both in terms of success about the emergence of language and it relates to the study of important parallel issues, such as human-computer interaction or the very genesis of language.

Aplicación de la teoría de redes complejas a procesos dinámicos en la sociedad

Podemos definir la sociedad como un sistema complejo que emerge de la cooperación y coordinación de billones de individuos y centenares de países. En este sentido no vivimos en una isla sino que estamos integrados en redes sociales que influyen en nuestro comportamiento. En esta tesis doctoral, presentamos un modelo analítico y una serie de estudios empíricos en los que analizamos distintos procesos sociales dinámicos desde una perspectiva de la teoría de redes complejas. En primer lugar, introducimos un modelo para explorar el impacto que las redes sociales en las que vivimos inmersos tienen en la actividad económica que transcurre sobre ellas, y mas concretamente en hasta qué punto la estructura de estas redes puede limitar la meritocracia de una sociedad. Como concepto contrario a meritocracia, en esta tesis, introducimos el término topocracia. Definimos un sistema como topocrático cuando la influencia o el poder y los ingresos de los individuos vienen principalmente determinados por la posición que ocupan en la red. Nuestro modelo es perfectamente meritocrático para redes completamente conectadas (todos los nodos están enlazados con el resto de nodos). Sin embargo nuestro modelo predice una transición hacia la topocracia a medida que disminuye la densidad de la red, siendo las redes poco densascomo las de la sociedad- topocráticas. En este modelo, los individuos por un lado producen y venden contenidos, pero por otro lado también distribuyen los contenidos producidos por otros individuos mediando entre comprador y vendedor. La producción y distribución de contenidos definen dos medios por los que los individuos reciben ingresos. El primero de ellos es meritocrático, ya que los individuos ingresan de acuerdo a lo que producen. Por el contrario el segundo es topocrático, ya que los individuos son compensados de acuerdo al número de cadenas mas cortas de la red que pasan a través de ellos. En esta tesis resolvemos el modelo computacional y analíticamente. Los resultados indican que un sistema es meritocrático solamente si la conectividad media de los individuos es mayor que una raíz del número de individuos que hay en el sistema. Por tanto, a la luz de nuestros resultados la estructura de la red social puede representar una limitación para la meritocracia de una sociedad. En la segunda parte de esta tesis se presentan una serie de estudios empíricos en los que se analizan datos extraídos de la red social Twitter para caracterizar y modelar el comportamiento humano. En particular, nos centramos en analizar conversaciones políticas, como las que tienen lugar durante campañas electorales. Nuestros resultados indican que la atención colectiva está distribuida de una forma muy heterogénea, con una minoría de cuentas extremadamente influyente. Además, la capacidad de los individuos para diseminar información en Twitter está limitada por la estructura y la posición que ocupan en la red de seguidores. Por tanto, de acuerdo a nuestras observaciones las redes sociales de Internet no posibilitan que la mayoría sea escuchada por la mayoría. De hecho, nuestros resultados implican que Twitter es topocrático, ya que únicamente una minoría de cuentas ubicadas en posiciones privilegiadas en la red de seguidores consiguen que sus mensajes se expandan por toda la red social. En conversaciones políticas, esta minoría de cuentas influyentes se compone principalmente de políticos y medios de comunicación. Los políticos son los mas mencionados ya que la gente les dirige y se refiere a ellos en sus tweets. Mientras que los medios de comunicación son las fuentes desde las que la gente propaga información. En un mundo en el que los datos personales quedan registrados y son cada día mas abundantes y precisos, los resultados del modelo presentado en esta tesis pueden ser usados para fomentar medidas que promuevan la meritocracia. Además, los resultados de los estudios empíricos sobre Twitter que se presentan en la segunda parte de esta tesis son de vital importancia para entender la nueva "sociedad digital" que emerge. En concreto hemos presentado resultados relevantes que caracterizan el comportamiento humano en Internet y que pueden ser usados para crear futuros modelos. Abstract Society can be defined as a complex system that emerges from the cooperation and coordination of billions of individuals and hundreds of countries. Thus, we do not live in social vacuum and the social networks in which we are embedded inevitably shapes our behavior. Here, we present an analytical model and several empirical studies in which we analyze dynamical social systems through a network science perspective. First, we introduce a model to explore how the structure of the social networks underlying society can limit the meritocracy of the economies. Conversely to meritocracy, in this work we introduce the term topocracy. We say that a system is topocratic if the compensation and power available to an individual is determined primarily by her position in a network. Our model is perfectly meritocratic for fully connected networks but becomes topocratic for sparse networks-like the ones in society. In the model, individuals produce and sell content, but also distribute the content produced by others when they belong to the shortest path connecting a buyer and a seller. The production and distribution of content defines two channels of compensation: a meritocratic channel, where individuals are compensated for the content they produce, and a topocratic channel, where individual compensation is based on the number of shortest paths that go through them in the network. We solve the model analytically and show that the distribution of payoffs is meritocratic only if the average degree of the nodes is larger than a root of the total number of nodes. Hence, in the light of our model, the sparsity and structure of networks represents a fundamental constraint to the meritocracy of societies. Next, we present several empirical studies that use data gathered from Twitter to analyze online human behavioral patterns. In particular, we focus on political conversations such as electoral campaigns. We found that the collective attention is highly heterogeneously distributed, as there is a minority of extremely influential accounts. In fact, the ability of individuals to propagate messages or ideas through the platform is constrained by the structure of the follower network underlying the social media and the position they occupy on it. Hence, although people have argued that social media can allow more voices to be heard, our results suggest that Twitter is highly topocratic, as only the minority of well positioned users are widely heard. This minority of influential accounts belong mostly to politicians and traditional media. Politicians tend to be the most mentioned, while media are the sources of information from which people propagate messages. We also propose a methodology to study and measure the emergence of political polarization from social interactions. To this end, we first propose a model to estimate opinions in which a minority of influential individuals propagate their opinions through a social network. The result of the model is an opinion probability density function. Next, we propose an index to quantify the extent to which the resulting distribution is polarized. Finally, we illustrate our methodology by applying it to Twitter data. In a world where personal data is increasingly available, the results of the analytical model introduced in this work can be used to enhance meritocracy and promote policies that help to build more meritocratic societies. Moreover, the results obtained in the latter part, where we have analyzed Twitter, are key to understand the new data-driven society that is emerging. In particular, we have presented relevant information that can be used to benchmark future models for online communication systems or can be used as empirical rules characterizing our online behavior.