"Deporte inclusivo en la escuela": diseño y análisis de un programa de intervencion para promover la inclusión del alumnado con discapacidad en Educación Física

La Educación Física se muestra, a priori, como un área idónea para trabajar intervenciones educativas para facilitar la inclusión de alumnos con discapacidad. Sin embargo, poco se conoce sobre el potencial que presentan los deportes adaptados y paralímpicos como contenido para fomentar la sensibilización y concienciación del alumnado sin discapacidad, especialmente en situaciones inclusivas de práctica. Por otro lado, la actitud del docente y su formación se presentan como claves en este contexto, ya que es quien en última instancia selecciona los contenidos a trabajar. Entendemos que en EF disponemos de una ocasión única en el curriculum para fomentar la participación activa y efectiva del alumno con discapacidad en clase (especialmente a nivel de desarrollo de la competencia motriz, entre otras), si bien esto depende de factores relacionados con los dos agentes anteriores. Es por todo ello que la Educación Física, como protagonista y como contenido, se muestra como un contexto adecuado para la investigación de los procesos de inclusión de alumnos con discapacidad en el ámbito educativo. Este trabajo de investigación pretende arrojar luz a los interrogantes que condicionan y limitan este contexto, desde una perspectiva multidisciplinar, con distintas metodologías, sobre los tres agentes indicados. La falta de consenso en la literatura en cuanto a las características y tipo de intervenciones eficaces para facilitar esta sensibilización del alumnado, unido a que es un ámbito relativamente reciente como tema de investigación, nos ha impulsado a trabajar en esta línea. El primer objetivo de este trabajo de investigación fue diseñar e implementar un programa de sensibilización y concienciación hacia la discapacidad basado en los deportes adaptados en el área de Educación Física para alumnos de secundaria y bachillerato. Inicialmente, se realizó una búsqueda bibliográfica tanto a nivel nacional como internacional, con el fin de definir las características principales que aporta la literatura científica en este aspecto. Apoyándonos por un lado, en el programa educativo Paralympic School Day (CPI, 2004) y por otro, en la citada revisión, desarrollamos un planteamiento inicial de estructura y fases. Dicho proyecto, fue presentado al Comité Paralímpico Español y a las federaciones deportivas españolas para personas con discapacidad, con la finalidad de recabar su apoyo institucional en forma de aval y recursos no solo a nivel económico sino también como apoyo logístico y de difusión. Tras su aprobación y gracias también al apoyo de la UPM, la Fundación Sanitas y Liberty Seguros, se procedió a diseñar el programa. Para el desarrollo de los materiales didácticos se contactó con expertos en la materia de EF y Actividad Física Adaptada tanto del ámbito educativo (profesores de educación secundaria y profesorado universitario) como del deportivo a nivel nacional. A su vez, se comenzó a difundir entre el profesorado de los centros con el fin de detectar su interés en participar durante el curso académico (2012-2013) en el programa “Deporte Inclusivo en la Escuela”. Con la finalización del desarrollo de los materiales didácticos, se visitó a los centros educativos para presentar el dossier informativo donde se explicaba el programa, así como las características y fases para su implementación. El programa está fundamentado en la Teoría del Contacto (Allport, 1954) y basado en los deportes adaptados y paralímpicos, planteado con una metodología inclusiva, seleccionando la información, la simulación y el contacto directo como estrategias para el fomento de la sensibilización y concienciación hacia la inclusión. En la reunión celebrada en la Facultad de Ciencias de la Actividad Física y del Deporte (INEF-UPM) en febrero de 2013, se coordinó junto con el profesorado la implementación del programa en cada uno de los 13 centros educativos, con acciones concretas como la adecuación de la propuesta didáctica en la planificación anual del profesor, el préstamo de material o la ponencia del deportista paralímpico entre otras cuestiones. Para la consecución del objetivo 2 de este trabajo, analizar el efecto del programa en los distintos agentes implicados en el mismo, alumnos sin discapacidad, profesorado de EF y alumnos con discapacidad, se calendarizó la toma de datos y la administración de las diferentes herramientas metodológicas para antes (pretest) como después de la intervención (posttets). En el caso de los alumnos sin discapacidad (N= 1068), se analizó el efecto de la intervención sobre la actitud hacia la inclusión, utilizando el cuestionario “Children Attitude Integrated Physical Education-Revised” (CAIPE-R; Block, 1995) de carácter cuantitativo tras su validación y adaptación al contexto español. Los resultados mostraron cambios significativos positivos en la actitud el grupo que mantuvo un contacto no estructurado con alumnos con discapacidad. En esta muestra también se midió la actitud hacia el juego cooperativo con compañeros con discapacidad en clases de EF usando el cuestionario “Children's Beliefs Toward Cooperative Playing With Peers With Disabilities in Physical Education” (CBIPPD-MPE; Obrusnikova, Block, y Dillon, 2010). El desarrollo de un sistema de categorías fundamentado en la Teoría del Comportamiento Planificado (Azjen, 1991) sirvió como base para el análisis de las creencias del alumnado sin discapacidad. Tras la intervención, las creencias conductuales emergentes se mantuvieron, excepto en el caso de los factores identificados como obstáculos de la inclusión. En el caso de las creencias normativas también se mantuvieron tras la intervención y respecto a las creencias de control, los alumnos identificaron al profesor como principal agente facilitador de la inclusión. En el caso de los profesores de EF participantes en el programa (N=18), se analizó el efecto del programa en su actitud hacia la inclusión de alumnos con discapacidad en EF con el cuestionario “Attitud toward inclusion of individual with physical disabilities in Physical Education” (ATISDPE-R; Kudláèek, Válková, Sherrill, Myers, y French, 2002). Los resultados mostraron que no se produjeron diferencias significativas tras la intervención en la actitud general, encontrando algunas diferencias en determinados ítems relacionados con los beneficios de la inclusión en los alumnos sin discapacidad relacionados con los docentes con experiencia previa con discapacidad y en EF antes de la intervención. La otra dimensión analizada fue el efecto de la intervención en la autoeficacia del profesor en la enseñanza de la EF en condiciones inclusivas, habiendo utilizado el cuestionario "Self-efficacy in teaching PE under inclusive conditions" (SEIPE; Hutzler, Zach, y Gafni, 2005). Los resultados en este caso muestran diferencias significativas positivas en cuestiones relacionadas como sentirse capaces de mejorar las condiciones óptimas de enseñanza con alumnos con discapacidad física como movilidad reducida severa y amputación y discapacidad visual tanto en situaciones deportivas, como juegos o actividades fuera del centro educativo a favor de los docentes. En cuanto al género, los hombres obtuvieron valores superiores a las mujeres en relación a sentirse más capaces de incluir a alumnos con discapacidad física tanto en juegos durante el recreo como en la enseñanza de técnica deportiva. Los profesores con menos de 10 años de docencia mostraron valores más positivos en cuanto a sentirse capaces de incluir a un alumno con discapacidad fisica en deportes durante su tiempo libre. El análisis del diario del profesor muestra por un lado, las tendencias emergentes como principales elementos facilitadores u obstaculizadores de la inclusión en EF, identificando al propio alumno sin discapacidad, el propio profesor, los contenidos, los materiales y la organización. Por otro lado, el análisis de los contenidos propuestos en el programa. En el caso de los alumnos con discapacidad (N=22), se analizó el impacto del programa de intervención en el autoconcepto, con el cuestionario "Autoconcepto forma 5" (AF5; F. García y Musitu, 2001). Se encontraron diferencias significativas a favor de las mujeres antes de la intervención en la dimensión familiar, mientras que los hombres obtuvieron valores más altos en las dimensiones social y físico. En cuanto a la edad, se encontraron diferencias significativas antes de la intervención, con valores superiores en los alumnos más jóvenes (12-14 años) en la dimensión físico, mientras que los alumnos mayores (15-17 años) mostraron valores más altos en la dimensión social del cuestionario. Respeto al tipo de discapacidad, los alumnos con discapacidad motórica mostraron mejores valores que los que tienen discapacidad auditiva para la dimensión físico antes de la intervención. En cuanto al autoconcepto general, las diferencias significativas positivas se producen en la dimensión académica. En cuanto al efecto del programa en la autoestima de los alumnos con discapacidad, se utilizó la Escala de "Autoestima de Rosenberg" (Rosenberg, 1989), no obteniendo diferencias significativas en cuanto el género. Apareciendo diferencias significativas antes de la intervención en el caso de la variable edad en los alumnos más jóvenes, en cuanto a que desearían valorarse más, y en los alumnos con discapacidad auditiva en que no se sienten muy orgullosos de ellos mismos. Se produce una mejora en la autoestima general en cuanto a que se sienten menos inútiles tras la intervención. En relación al objetivo 3 de este trabajo, tras el análisis de los resultados y haber discutido los mismos con los autores de referencia, emergió la propuesta de orientaciones tanto para los programa de intervención en EF para la sensibilización y concienciación del alumnado hacia la inclusión como de cara a la formación específica del profesorado, como clave en este tipo de intervenciones. Creemos que el programa “Deporte Inclusivo Escuela” se convierte en un elemento transformador de la realidad, ya que responde a las necesidades detectadas a la luz de esta investigación y que vienen a dar respuesta a los distintos agentes implicados en su desarrollo. Por un lado, atiende la demanda del ámbito educativo en cuanto a las necesidades de formación del profesorado, sensibilización y concienciación del alumnado sin discapacidad, además de facilitar oportunidades de participación activa al alumno con discapacidad en las sesiones de EF. Por otro lado, satisface la demanda por parte de las instituciones deportivas del ámbito de la discapacidad en cuanto a la promoción y difusión de los deportes adaptados y paralímpicos. Por último, desde el ámbito universitario, se muestra como un recurso en la formación del alumnado del grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte, por su participación directa con la discapacidad. Por estos motivos, este trabajo se muestra como un punto de partida adecuado para seguir avanzando en la investigación en esta área. ABSTRACT Physical Education (PE) seems a priori, as a suitable area to work educational interventions to facilitate the inclusion of students with disabilities. However, little is known about the potential that have adapted and Paralympic sports as content to raise awareness of students without disabilities, especially in inclusive practice context. On the other hand, teachers’ attitude and their training are presented as key in this context because it is who selects the content to work. We understand that PE have a unique opportunity in the curriculum to encourage active and effective participation of students with disabilities in class (especially at motor competence development, etc.), although this depends on factors related to the two agents. For these reasons that the PE, as actors and as content is displayed as a context for investigating the processes of inclusion of students with disabilities in education. This research aims to shed light on the questions that condition and limit this context, from a multidisciplinary perspective, with different methodologies on the three agents mentioned. The lack of accord in the literature regarding the characteristics and type of effective facilitators of awareness of students, and that is a new area as a research topic, has prompted us to work in this topic research. The first aim of this research was to design and implement a program of awareness towards disability based on adapted sports in the area of physical education for middle and high school students. Initially, a literature search was performed both nationally and internationally, in order to define the main features that brings the scientific literature in this area. On the one hand, we supported in the Paralympic School Day (IPC, 2004) educative program and on the other hand, in that review, we developed an initial approach to structure and phases. The project was presented to the Spanish Paralympic Committee and the Spanish Sports Federations for people with disabilities, in order to obtain institutional support in the form of guarantees and resources not only in economic terms but also as logistical support and dissemination. Thanks to the support of Fundación Sanitas, Liberty Seguros and Politechnical University of Madrid, we proceeded to design the program. For the development of teaching resources it was contacted experts in the field of Adapted Physical Activity and physical education and both the field of education (high school teachers and university professors) as the adapted sport national. In turn, it began to spread among the teachers of the schools in order to identify their interest in participating in the academic year (2012-2013) in the "Inclusive Sport in School" program. With the completion of the development of educational materials to schools he was visited to present the briefing where the program, as well as features and steps for its implementation are explained. The program is based on the Contact Theory (Allport, 1954) and based on adapted and Paralympic sports, raised with an inclusive approach, selecting strategies for promoting awareness and awareness to inclusion like information, contact and simulation of disability. At the meeting held at the Faculty of Sciences of Physical Activity and Sport (INEF-UPM) in February 2013, it was coordinated with the teachers implementing the program in each of the 13 schools with concrete actions such as adequacy of methodological approach in the annual planning of the teacher, the loan or the presentation of materials Paralympian among other issues. To achieve the objective 2 of this paper, to analyze the effect of the program on the various actions involved it, students without disabilities, PE teachers and students with disabilities, the date for management of the different methodological tools for before (pretest) and after the intervention (posttets). For students without disabilities (N= 1068), the effect of the intervention on the attitude towards inclusion was analyzed, using the quantitative questionnaire "Integrated Physical Education Attitude Children-Revised" (CAIPE-R; Block, 1995), after validation and adaptation to the Spanish context. The results showed significant positive changes in the attitude of the group with no structured contact with students with disabilities. This shows the beliefs towards the cooperative play was with peers with disabilities in PE classes also measured, using the questionnaire "Children's Beliefs Toward Cooperative Playing With Peers With Disabilities in Physical Education" (CBIPPD-MPE; Obrusnikova, Block, and Dillon, 2010). The development of a system of categories based on the Theory of Planned Behavior (Azjen, 1991) served as the basis for analysis of the beliefs of students without disabilities. After surgery, emerging behavioral beliefs remained, except in the case of the factors identified as barriers to inclusion. In the case of normative beliefs also they remained after surgery and regarding control beliefs, students identified the teacher as the main facilitator of inclusion. Regarding PE teachers participating in the program (N = 18), the effect of the program was analyzed their attitude toward inclusion of students with disability in PE with the questionnaire "Toward Attitude inclusion of Individual with in Physical Education "(ATISDPE-R; Kudláèek, Válková, Sherrill, Myers, and French, 2002). The results showed no significant difference occurred after surgery in the general attitude, finding some differences in certain related benefits of inclusion in students without disability relating to teachers with previous experience with disability in PE before intervention. The other dimension was analyzed the effect of the intervention on self-efficacy of teachers in the teaching of PE in inclusive terms, having used the questionnaire "Self-efficacy in PE teaching even under conditions" (SEIPE; Hutzler, Zach, and Gafni, 2005). The results showed significant differences positive in issues like being able to enhance the optimal conditions for teaching students with physical disabilities as amputation and severe visual impairment in both sports situations, such as games or activities outside the school to for teachers. Regard to gender, men earned higher values regarding women about feel more able to include students with physical disabilities in both games during recess and teaching sports technique. Teachers with less than 10 years of teaching showed more positive values as you feel able to include a student with physical disabilities in sports during their leisure time. The analysis of daily teacher shows on the one hand, emerging trends as key facilitators or barrier of the inclusion elements in PE, identifying the students without disabilities themselves, the professor, contents, materials and organization. Furthermore, the analysis of daily teacher about the contents proposed in the program. In the case of students with disabilities (N=22), the impact of the intervention program on self-concept was analyzed, with the questionnaire "Self-concept form 5" (AF5, F. Garcia and Musitu, 2001). The women showed significant differences before the intervention in family dimension, while men scored higher values in the social and physical dimensions were found. In terms of age, significant differences were found before the intervention, with higher values in younger students (12-14 years) in the physical dimension, while older children (15-17 years) showed higher values the social dimension of the questionnaire. Respect disabilities, students with motor disabilities showed better values than those with hearing impairment to the physical dimension before surgery. As for the general self-concept, positive significant differences occur in the academic dimension. As for the effect of the program on self-esteem of students with disabilities Scale "Rosenberg Self-Esteem" (Rosenberg, 1989) was used, not getting significant differences in gender. Only appear significant difference before the intervention in the case of younger students as they wish to be valued more, and students with hearing disabilities who do not feel very proud of themselves. Improved self-esteem generally occurs in that they feel less useless after surgery. With regard to the aim 3 of this research, after analyzing the results and have discussed them with the authors, it emerged the proposal of guidelines for both intervention program EF for sensitization and awareness of students towards inclusion as in the face of specific training for teachers, as key in such interventions. We believe that "Inclusive Sport Schools" program becomes a transforming element of reality, as it responds to the needs identified in the light of this research and come to respond to the various elements involved in its development. On the one hand, it meets the demand of the education sector in terms of the needs of teacher training, awareness of students without disability, and facilitates opportunities for students with disabilities for active participation in PE class. On the other hand, it meets the demand of sports institutions in the field of disability regarding the promotion and dissemination of adapted and Paralympic sports. Finally, it is shown as a resource from the university level for the training of degree in Physical Activity and Sport Science students, by its direct involvement with disability. For these reasons, this work is shown as a good starting point to further advance research in this area.

A combined measure for quantifying and qualifying the topology preservation of growing self-organizing maps

The Self-OrganizingMap (SOM) is a neural network model that performs an ordered projection of a high dimensional input space in a low-dimensional topological structure. The process in which such mapping is formed is defined by the SOM algorithm, which is a competitive, unsupervised and nonparametric method, since it does not make any assumption about the input data distribution. The feature maps provided by this algorithm have been successfully applied for vector quantization, clustering and high dimensional data visualization processes. However, the initialization of the network topology and the selection of the SOM training parameters are two difficult tasks caused by the unknown distribution of the input signals. A misconfiguration of these parameters can generate a feature map of low-quality, so it is necessary to have some measure of the degree of adaptation of the SOM network to the input data model. The topologypreservation is the most common concept used to implement this measure. Several qualitative and quantitative methods have been proposed for measuring the degree of SOM topologypreservation, particularly using Kohonen's model. In this work, two methods for measuring the topologypreservation of the Growing Cell Structures (GCSs) model are proposed: the topographic function and the topology preserving map

Mechanical behaviour of laminated functionally graded fibre-reinforced self-compacting cementitious composites

El hormigón autocompactante (HAC) es una nueva tipología de hormigón o material compuesto base cemento que se caracteriza por ser capaz de fluir en el interior del encofrado o molde, llenándolo de forma natural, pasando entre las barras de armadura y consolidándose únicamente bajo la acción de su peso propio, sin ayuda de medios de compactación externos, y sin que se produzca segregación de sus componentes. Debido a sus propiedades frescas (capacidad de relleno, capacidad de paso, y resistencia a la segregación), el HAC contribuye de forma significativa a mejorar la calidad de las estructuras así como a abrir nuevos campos de aplicación del hormigón. Por otra parte, la utilidad del hormigón reforzado con fibras de acero (HRFA) es hoy en día incuestionable debido a la mejora significativa de sus propiedades mecánicas tales como resistencia a tracción, tenacidad, resistencia al impacto o su capacidad para absorber energía. Comparado con el HRFA, el hormigón autocompactante reforzado con fibras de acero (HACRFA) presenta como ventaja una mayor fluidez y cohesión ofreciendo, además de unas buenas propiedades mecánicas, importantes ventajas en relación con su puesta en obra. El objetivo global de esta tesis doctoral es el desarrollo de nuevas soluciones estructurales utilizando materiales compuestos base cemento autocompactantes reforzados con fibras de acero. La tesis presenta una nueva forma de resolver el problema basándose en el concepto de los materiales gradiente funcionales (MGF) o materiales con función gradiente (MFG) con el fin de distribuir de forma eficiente las fibras en la sección estructural. Para ello, parte del HAC se sustituye por HACRFA formando capas que presentan una transición gradual entre las mismas con el fin de obtener secciones robustas y exentas de tensiones entre capas con el fin de aplicar el concepto “MGF-laminados” a elementos estructurales tales como vigas, columnas, losas, etc. El proceso incluye asimismo el propio método de fabricación que, basado en la tecnología HAC, permite el desarrollo de interfases delgadas y robustas entre capas (1-3 mm) gracias a las propiedades reológicas del material. Para alcanzar dichos objetivos se ha llevado a cabo un amplio programa experimental cuyas etapas principales son las siguientes: • Definir y desarrollar un método de diseño que permita caracterizar de forma adecuada las propiedades mecánicas de la “interfase”. Esta primera fase experimental incluye: o las consideraciones generales del propio método de fabricación basado en el concepto de fabricación de materiales gradiente funcionales denominado “reología y gravedad”, o las consideraciones específicas del método de caracterización, o la caracterización de la “interfase”. • Estudiar el comportamiento mecánico sobre elementos estructurales, utilizando distintas configuraciones de MGF-laminado frente a acciones tanto estáticas como dinámicas con el fin de comprobar la viabilidad del material para ser usado en elementos estructurales tales como vigas, placas, pilares, etc. Los resultados indican la viabilidad de la metodología de fabricación adoptada, así como, las ventajas tanto estructurales como en reducción de costes de las soluciones laminadas propuestas. Es importante destacar la mejora en términos de resistencia a flexión, compresión o impacto del hormigón autocompactante gradiente funcional en comparación con soluciones de HACRFA monolíticos inclusos con un volumen neto de fibras (Vf) doble o superior. Self-compacting concrete (SCC) is an important advance in the concrete technology in the last decades. It is a new type of high performance concrete with the ability of flowing under its own weight and without the need of vibrations. Due to its specific fresh or rheological properties, such as filling ability, passing ability and segregation resistance, SCC may contribute to a significant improvement of the quality of concrete structures and open up new field for the application of concrete. On the other hand, the usefulness of steel fibre-reinforced concrete (SFRC) in civil engineering applications is unquestionable. SFRC can improve significantly the hardened mechanical properties such as tensile strength, impact resistance, toughness and energy absorption capacity. Compared to SFRC, self-compacting steel fibre-reinforced concrete (SCSFRC) is a relatively new type of concrete with high flowability and good cohesiveness. SCSFRC offers very attractive economical and technical benefits thanks to SCC rheological properties, which can be further extended, when combined with SFRC for improving their mechanical characteristics. However, for the different concrete structural elements, a single concrete mix is selected without an attempt to adapt the diverse fibre-reinforced concretes to the stress-strain sectional properly. This thesis focused on the development of high performance cement-based structural composites made of SCC with and without steel fibres, and their applications for enhanced mechanical properties in front of different types of load and pattern configurations. It presents a new direction for tackling the mechanical problem. The approach adopted is based on the concept of functionally graded cementitious composite (FGCC) where part of the plain SCC is strategically replaced by SCSFRC in order to obtain laminated functionally graded self-compacting cementitious composites, laminated-FGSCC, in single structural elements as beams, columns, slabs, etc. The approach also involves a most suitable casting method, which uses SCC technology to eliminate the potential sharp interlayer while easily forming a robust and regular reproducible graded interlayer of 1-3 mm by controlling the rheology of the mixes and using gravity at the same time to encourage the use of the powerful concept for designing more performance suitable and cost-efficient structural systems. To reach the challenging aim, a wide experimental programme has been carried out involving two main steps: • The definition and development of a novel methodology designed for the characterization of the main parameter associated to the interface- or laminated-FGSCC solutions: the graded interlayer. Work of this first part includes: o the design considerations of the innovative (in the field of concrete) production method based on “rheology and gravity” for producing FG-SCSFRC or as named in the thesis FGSCC, casting process and elements, o the design of a specific testing methodology, o the characterization of the interface-FGSCC by using the so designed testing methodology. • The characterization of the different medium size FGSCC samples under different static and dynamic loads patterns for exploring their possibilities to be used for structural elements as beams, columns, slabs, etc. The results revealed the efficiency of the manufacturing methodology, which allow creating robust structural sections, as well as the feasibility and cost effectiveness of the proposed FGSCC solutions for different structural uses. It is noticeable to say the improvement in terms of flexural, compressive or impact loads’ responses of the different FGSCC in front of equal strength class SCSFRC bulk elements with at least the double of overall net fibre volume fraction (Vf).

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

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