Aplicación de la regresión logística en la predicción empírica de fenómenos complejos en obras subterráneas : squeezing y rotura de pilares de carbón

La heterogeneidad del medio geológico introduce en el proyecto de obra subterránea un alto grado de incertidumbre que debe ser debidamente gestionado a fin de reducir los riesgos asociados, que son fundamentalmente de tipo geotécnico. Entre los principales problemas a los que se enfrenta la Mecánica de Rocas moderna en el ámbito de la construcción subterránea, se encuentran la fluencia de roca en túneles (squeezing) y la rotura de pilares de carbón. Es ampliamente conocido que su aparición causa importantes perjuicios en el coste y la seguridad de los proyectos por lo que su estudio, ha estado tradicionalmente vinculado a la predicción de su ocurrencia. Entre las soluciones existentes para la determinación de estos problemas se encuentran las que se basan en métodos analíticos y numéricos. Estas metodologías son capaces de proporcionar un alto nivel de representatividad respecto del comportamiento geotécnico real, sin embargo, su utilización solo es posible cuando se dispone de una suficiente caracterización geotécnica y por tanto de una detallada definición de los parámetros que alimentan los complejos modelos constitutivos y criterios de rotura que los fenómenos estudiados requieren. Como es lógico, este nivel de definición solo es posible cuando se alcanzan etapas avanzadas de proyecto, incluso durante la propia construcción, a fin de calibrar adecuadamente los parámetros introducidos en los modelos, lo que supone una limitación de uso en etapas iniciales, cuando su predicción tiene verdadero sentido. Por su parte, los métodos empíricos permiten proporcionar soluciones a estos complejos problemas de un modo sencillo, con una baja parametrización y, dado su eminente enfoque observacional, de gran fiabilidad cuando se implementan sobre condiciones de contorno similares a las originales. La sencillez y escasez de los parámetros utilizados permiten a estas metodologías ser utilizadas desde las fases preliminares del proyecto, ya que estos constituyen en general, información habitual de fácil y económica adquisición. Este aspecto permite por tanto incorporar la predicción desde el principio del proceso de diseño, anticipando el riesgo en origen. En esta tesis doctoral, se presenta una nueva metodología empírica que sirve para proporcionar predicciones para la ocurrencia de squeezing y el fallo de pilares de carbón basada en una extensa recopilación de información de casos reales de túneles y minas en las que ambos fenómenos fueron evaluados. Esta información, recogida de referencias bibliográficas de prestigio, ha permitido recopilar una de las más extensas bases de datos existentes hasta la fecha relativa a estos fenómenos, lo que supone en sí mismo una importante contribución sobre el estado del arte. Con toda esta información, y con la ayuda de la teoría de clasificadores estadísticos, se ha implementado sobre las bases de datos un clasificador lineal de tipo regresión logística que permite hacer predicciones sobre la ocurrencia de ambos fenómenos en términos de probabilidad, y por tanto ponderar la incertidumbre asociada a la heterogeneidad incorporada por el medio geológico. Este aspecto del desarrollo es el verdadero valor añadido proporcionado por la tesis y la principal ventaja de la solución propuesta respecto de otras metodologías empíricas. Esta capacidad de ponderación probabilística permite al clasificador constituir una solución muy interesante como metodología para la evaluación de riesgo geotécnico y la toma de decisiones. De hecho, y como ejercicio de validación práctica, se ha implementado la solución desarrollada en un modelo coste-beneficio asociado a la optimización del diseño de pilares involucrados en una de mina “virtual” explotada por tajos largos. La capacidad del clasificador para cuantificar la probabilidad de fallo del diseño, junto con una adecuada cuantificación de las consecuencias de ese fallo, ha permitido definir una ley de riesgo que se ha incorporado al balance de costes y beneficios, que es capaz, a partir del redimensionamiento iterativo del sistema de pilares y de la propia configuración de la mina, maximizar el resultado económico del proyecto minero bajo unas condiciones de seguridad aceptables, fijadas de antemano. Geological media variability introduces to the subterranean project a high grade of uncertainty that should be properly managed with the aim to reduce the associated risks, which are mainly geotechnical. Among the major problems facing the modern Rock Mechanics in the field of underground construction are both, the rock squeezing while tunneling and the failure of coal pillars. Given their harmfulness to the cost and safety of the projects, their study has been traditionally linked to the determination of its occurrence. Among the existing solutions for the determination of these problems are those that are based on analytical and numerical methods. Those methodologies allow providing a high level of reliability of the geotechnical behavior, and therefore a detailed definition of the parameters that feed the complex constitutive models and failure criteria that require the studied phenomena. Obviously, this level of definition is only possible when advanced stages of the project are achieved and even during construction in order to properly calibrate the parameters entered in the models, which suppose a limited use in early stages, when the prediction has true sense. Meanwhile, empirical methods provide solutions to these complex problems in a simple way, with low parameterization and, given his observational scope, with highly reliability when implemented on similar conditions to the original context. The simplicity and scarcity of the parameters used allow these methodologies be applied in the early stages of the project, since that information should be commonly easy and cheaply to get. This aspect can therefore incorporate the prediction from the beginning of the design process, anticipating the risk beforehand. This thesis, based on the extensive data collection of case histories of tunnels and underground mines, presents a novel empirical approach used to provide predictions for the occurrence of both, squeezing and coal pillars failures. The information has been collected from prestigious references, providing one of the largest databases to date concerning phenomena, a fact which provides an important contribution to the state of the art. With all this information, and with the aid of the theory of statistical classifiers, it has been implemented on both databases, a type linear logistic regression classifier that allows predictions about the occurrence of these phenomena in terms of probability, and therefore weighting the uncertainty associated with geological variability. This aspect of the development is the real added value provided by the thesis and the main advantage of the proposed solution over other empirical methodologies. This probabilistic weighting capacity, allows being the classifier a very interesting methodology for the evaluation of geotechnical risk and decision making. In fact, in order to provide a practical validation, we have implemented the developed solution within a cost-benefit analysis associated with the optimization of the design of coal pillar systems involved in a "virtual" longwall mine. The ability of the classifier to quantify the probability of failure of the design along with proper quantification of the consequences of that failure, has allowed defining a risk law which is introduced into the cost-benefits model, which is able, from iterative resizing of the pillar system and the configuration of the mine, maximize the economic performance of the mining project under acceptable safety conditions established beforehand.

Advances in the Simultaneous Multiple Surface optical design method for imaging and non-imaging applications

Classical imaging optics has been developed over centuries in many areas, such as its paraxial imaging theory and practical design methods like multi-parametric optimization techniques. Although these imaging optical design methods can provide elegant solutions to many traditional optical problems, there are more and more new design problems, like solar concentrator, illumination system, ultra-compact camera, etc., that require maximum energy transfer efficiency, or ultra-compact optical structure. These problems do not have simple solutions from classical imaging design methods, because not only paraxial rays, but also non-paraxial rays should be well considered in the design process. Non-imaging optics is a newly developed optical discipline, which does not aim to form images, but to maximize energy transfer efficiency. One important concept developed from non-imaging optics is the “edge-ray principle”, which states that the energy flow contained in a bundle of rays will be transferred to the target, if all its edge rays are transferred to the target. Based on that concept, many CPC solar concentrators have been developed with efficiency close to the thermodynamic limit. When more than one bundle of edge-rays needs to be considered in the design, one way to obtain solutions is to use SMS method. SMS stands for Simultaneous Multiple Surface, which means several optical surfaces are constructed simultaneously. The SMS method was developed as a design method in Non-imaging optics during the 90s. The method can be considered as an extension to the Cartesian Oval calculation. In the traditional Cartesian Oval calculation, one optical surface is built to transform an input wave-front to an out-put wave-front. The SMS method however, is dedicated to solve more than 1 wave-fronts transformation problem. In the beginning, only 2 input wave-fronts and 2 output wave-fronts transformation problem was considered in the SMS design process for rotational optical systems or free-form optical systems. Usually “SMS 2D” method stands for the SMS procedure developed for rotational optical system, and “SMS 3D” method for the procedure for free-form optical system. Although the SMS method was originally employed in non-imaging optical system designs, it has been found during this thesis that with the improved capability to design more surfaces and control more input and output wave-fronts, the SMS method can also be applied to imaging system designs and possesses great advantage over traditional design methods. In this thesis, one of the main goals to achieve is to further develop the existing SMS-2D method to design with more surfaces and improve the stability of the SMS-2D and SMS-3D algorithms, so that further optimization process can be combined with SMS algorithms. The benefits of SMS plus optimization strategy over traditional optimization strategy will be explained in details for both rotational and free-form imaging optical system designs. Another main goal is to develop novel design concepts and methods suitable for challenging non-imaging applications, e.g. solar concentrator and solar tracker. This thesis comprises 9 chapters and can be grouped into two parts: the first part (chapter 2-5) contains research works in the imaging field, and the second part (chapter 6-8) contains works in the non-imaging field. In the first chapter, an introduction to basic imaging and non-imaging design concepts and theories is given. Chapter 2 presents a basic SMS-2D imaging design procedure using meridian rays. In this chapter, we will set the imaging design problem from the SMS point of view, and try to solve the problem numerically. The stability of this SMS-2D design procedure will also be discussed. The design concepts and procedures developed in this chapter lay the path for further improvement. Chapter 3 presents two improved SMS 3 surfaces’ design procedures using meridian rays (SMS-3M) and skew rays (SMS-1M2S) respectively. The major improvement has been made to the central segments selections, so that the whole SMS procedures become more stable compared to procedures described in Chapter 2. Since these two algorithms represent two types of phase space sampling, their image forming capabilities are compared in a simple objective design. Chapter 4 deals with an ultra-compact SWIR camera design with the SMS-3M method. The difficulties in this wide band camera design is how to maintain high image quality meanwhile reduce the overall system length. This interesting camera design provides a playground for the classical design method and SMS design methods. We will show designs and optical performance from both classical design method and the SMS design method. Tolerance study is also given as the end of the chapter. Chapter 5 develops a two-stage SMS-3D based optimization strategy for a 2 freeform mirrors imaging system. In the first optimization phase, the SMS-3D method is integrated into the optimization process to construct the two mirrors in an accurate way, drastically reducing the unknown parameters to only few system configuration parameters. In the second optimization phase, previous optimized mirrors are parameterized into Qbfs type polynomials and set up in code V. Code V optimization results demonstrates the effectiveness of this design strategy in this 2-mirror system design. Chapter 6 shows an etendue-squeezing condenser optics, which were prepared for the 2010 IODC illumination contest. This interesting design employs many non-imaging techniques such as the SMS method, etendue-squeezing tessellation, and groove surface design. This device has theoretical efficiency limit as high as 91.9%. Chapter 7 presents a freeform mirror-type solar concentrator with uniform irradiance on the solar cell. Traditional parabolic mirror concentrator has many drawbacks like hot-pot irradiance on the center of the cell, insufficient use of active cell area due to its rotational irradiance pattern and small acceptance angle. In order to conquer these limitations, a novel irradiance homogenization concept is developed, which lead to a free-form mirror design. Simulation results show that the free-form mirror reflector has rectangular irradiance pattern, uniform irradiance distribution and large acceptance angle, which confirm the viability of the design concept. Chapter 8 presents a novel beam-steering array optics design strategy. The goal of the design is to track large angle parallel rays by only moving optical arrays laterally, and convert it to small angle parallel output rays. The design concept is developed as an extended SMS method. Potential applications of this beam-steering device are: skylights to provide steerable natural illumination, building integrated CPV systems, and steerable LED illumination. Conclusion and future lines of work are given in Chapter 9. Resumen La óptica de formación de imagen clásica se ha ido desarrollando durante siglos, dando lugar tanto a la teoría de óptica paraxial y los métodos de diseño prácticos como a técnicas de optimización multiparamétricas. Aunque estos métodos de diseño óptico para formación de imagen puede aportar soluciones elegantes a muchos problemas convencionales, siguen apareciendo nuevos problemas de diseño óptico, concentradores solares, sistemas de iluminación, cámaras ultracompactas, etc. que requieren máxima transferencia de energía o dimensiones ultracompactas. Este tipo de problemas no se pueden resolver fácilmente con métodos clásicos de diseño porque durante el proceso de diseño no solamente se deben considerar los rayos paraxiales sino también los rayos no paraxiales. La óptica anidólica o no formadora de imagen es una disciplina que ha evolucionado en gran medida recientemente. Su objetivo no es formar imagen, es maximazar la eficiencia de transferencia de energía. Un concepto importante de la óptica anidólica son los “rayos marginales”, que se pueden utilizar para el diseño de sistemas ya que si todos los rayos marginales llegan a nuestra área del receptor, todos los rayos interiores también llegarán al receptor. Haciendo uso de este principio, se han diseñado muchos concentradores solares que funcionan cerca del límite teórico que marca la termodinámica. Cuando consideramos más de un haz de rayos marginales en nuestro diseño, una posible solución es usar el método SMS (Simultaneous Multiple Surface), el cuál diseña simultáneamente varias superficies ópticas. El SMS nació como un método de diseño para óptica anidólica durante los años 90. El método puede ser considerado como una extensión del cálculo del óvalo cartesiano. En el método del óvalo cartesiano convencional, se calcula una superficie para transformar un frente de onda entrante a otro frente de onda saliente. El método SMS permite transformar varios frentes de onda de entrada en frentes de onda de salida. Inicialmente, sólo era posible transformar dos frentes de onda con dos superficies con simetría de rotación y sin simetría de rotación, pero esta limitación ha sido superada recientemente. Nos referimos a “SMS 2D” como el método orientado a construir superficies con simetría de rotación y llamamos “SMS 3D” al método para construir superficies sin simetría de rotación o free-form. Aunque el método originalmente fue aplicado en el diseño de sistemas anidólicos, se ha observado que gracias a su capacidad para diseñar más superficies y controlar más frentes de onda de entrada y de salida, el SMS también es posible aplicarlo a sistemas de formación de imagen proporcionando una gran ventaja sobre los métodos de diseño tradicionales. Uno de los principales objetivos de la presente tesis es extender el método SMS-2D para permitir el diseño de sistemas con mayor número de superficies y mejorar la estabilidad de los algoritmos del SMS-2D y SMS-3D, haciendo posible combinar la optimización con los algoritmos. Los beneficios de combinar SMS y optimización comparado con el proceso de optimización tradicional se explican en detalle para sistemas con simetría de rotación y sin simetría de rotación. Otro objetivo importante de la tesis es el desarrollo de nuevos conceptos de diseño y nuevos métodos en el área de la concentración solar fotovoltaica. La tesis está estructurada en 9 capítulos que están agrupados en dos partes: la primera de ellas (capítulos 2-5) se centra en la óptica formadora de imagen mientras que en la segunda parte (capítulos 6-8) se presenta el trabajo del área de la óptica anidólica. El primer capítulo consta de una breve introducción de los conceptos básicos de la óptica anidólica y la óptica en formación de imagen. El capítulo 2 describe un proceso de diseño SMS-2D sencillo basado en los rayos meridianos. En este capítulo se presenta el problema de diseñar un sistema formador de imagen desde el punto de vista del SMS y se intenta obtener una solución de manera numérica. La estabilidad de este proceso se analiza con detalle. Los conceptos de diseño y los algoritmos desarrollados en este capítulo sientan la base sobre la cual se realizarán mejoras. El capítulo 3 presenta dos procedimientos para el diseño de un sistema con 3 superficies SMS, el primero basado en rayos meridianos (SMS-3M) y el segundo basado en rayos oblicuos (SMS-1M2S). La mejora más destacable recae en la selección de los segmentos centrales, que hacen más estable todo el proceso de diseño comparado con el presentado en el capítulo 2. Estos dos algoritmos representan dos tipos de muestreo del espacio de fases, su capacidad para formar imagen se compara diseñando un objetivo simple con cada uno de ellos. En el capítulo 4 se presenta un diseño ultra-compacto de una cámara SWIR diseñada usando el método SMS-3M. La dificultad del diseño de esta cámara de espectro ancho radica en mantener una alta calidad de imagen y al mismo tiempo reducir drásticamente sus dimensiones. Esta cámara es muy interesante para comparar el método de diseño clásico y el método de SMS. En este capítulo se presentan ambos diseños y se analizan sus características ópticas. En el capítulo 5 se describe la estrategia de optimización basada en el método SMS-3D. El método SMS-3D calcula las superficies ópticas de manera precisa, dejando sólo unos pocos parámetros libres para decidir la configuración del sistema. Modificando el valor de estos parámetros se genera cada vez mediante SMS-3D un sistema completo diferente. La optimización se lleva a cabo variando los mencionados parámetros y analizando el sistema generado. Los resultados muestran que esta estrategia de diseño es muy eficaz y eficiente para un sistema formado por dos espejos. En el capítulo 6 se describe un sistema de compresión de la Etendue, que fue presentado en el concurso de iluminación del IODC en 2010. Este interesante diseño hace uso de técnicas propias de la óptica anidólica, como el método SMS, el teselado de las lentes y el diseño mediante grooves. Este dispositivo tiene un límite teórica en la eficiencia del 91.9%. El capítulo 7 presenta un concentrador solar basado en un espejo free-form con irradiancia uniforme sobre la célula. Los concentradores parabólicos tienen numerosas desventajas como los puntos calientes en la zona central de la célula, uso no eficiente del área de la célula al ser ésta cuadrada y además tienen ángulos de aceptancia de reducido. Para poder superar estas limitaciones se propone un novedoso concepto de homogeneización de la irrandancia que se materializa en un diseño con espejo free-form. El análisis mediante simulación demuestra que la irradiancia es homogénea en una región rectangular y con mayor ángulo de aceptancia, lo que confirma la viabilidad del concepto de diseño. En el capítulo 8 se presenta un novedoso concepto para el diseño de sistemas afocales dinámicos. El objetivo del diseño es realizar un sistema cuyo haz de rayos de entrada pueda llegar con ángulos entre ±45º mientras que el haz de rayos a la salida sea siempre perpendicular al sistema, variando únicamente la posición de los elementos ópticos lateralmente. Las aplicaciones potenciales de este dispositivo son varias: tragaluces que proporcionan iluminación natural, sistemas de concentración fotovoltaica integrados en los edificios o iluminación direccionable con LEDs. Finalmente, el último capítulo contiene las conclusiones y las líneas de investigación futura.

Application of Bayesian approach in geotechnical engineering

En esta Tesis Doctoral se emplean y desarrollan Métodos Bayesianos para su aplicación en análisis geotécnicos habituales, con un énfasis particular en (i) la valoración y selección de modelos geotécnicos basados en correlaciones empíricas; en (ii) el desarrollo de predicciones acerca de los resultados esperados en modelos geotécnicos complejos. Se llevan a cabo diferentes aplicaciones a problemas geotécnicos, como es el caso de: (1) En el caso de rocas intactas, se presenta un método Bayesiano para la evaluación de modelos que permiten estimar el módulo de Young a partir de la resistencia a compresión simple (UCS). La metodología desarrollada suministra estimaciones de las incertidumbres de los parámetros y predicciones y es capaz de diferenciar entre las diferentes fuentes de error. Se desarrollan modelos "específicos de roca" para los tipos de roca más comunes y se muestra cómo se pueden "actualizar" esos modelos "iniciales" para incorporar, cuando se encuentra disponible, la nueva información específica del proyecto, reduciendo las incertidumbres del modelo y mejorando sus capacidades predictivas. (2) Para macizos rocosos, se presenta una metodología, fundamentada en un criterio de selección de modelos, que permite determinar el modelo más apropiado, entre un conjunto de candidatos, para estimar el módulo de deformación de un macizo rocoso a partir de un conjunto de datos observados. Una vez que se ha seleccionado el modelo más apropiado, se emplea un método Bayesiano para obtener distribuciones predictivas de los módulos de deformación de macizos rocosos y para actualizarlos con la nueva información específica del proyecto. Este método Bayesiano de actualización puede reducir significativamente la incertidumbre asociada a la predicción, y por lo tanto, afectar las estimaciones que se hagan de la probabilidad de fallo, lo cual es de un interés significativo para los diseños de mecánica de rocas basados en fiabilidad. (3) En las primeras etapas de los diseños de mecánica de rocas, la información acerca de los parámetros geomecánicos y geométricos, las tensiones in-situ o los parámetros de sostenimiento, es, a menudo, escasa o incompleta. Esto plantea dificultades para aplicar las correlaciones empíricas tradicionales que no pueden trabajar con información incompleta para realizar predicciones. Por lo tanto, se propone la utilización de una Red Bayesiana para trabajar con información incompleta y, en particular, se desarrolla un clasificador Naïve Bayes para predecir la probabilidad de ocurrencia de grandes deformaciones (squeezing) en un túnel a partir de cinco parámetros de entrada habitualmente disponibles, al menos parcialmente, en la etapa de diseño. This dissertation employs and develops Bayesian methods to be used in typical geotechnical analyses, with a particular emphasis on (i) the assessment and selection of geotechnical models based on empirical correlations; on (ii) the development of probabilistic predictions of outcomes expected for complex geotechnical models. Examples of application to geotechnical problems are developed, as follows: (1) For intact rocks, we present a Bayesian framework for model assessment to estimate the Young’s moduli based on their UCS. Our approach provides uncertainty estimates of parameters and predictions, and can differentiate among the sources of error. We develop ‘rock-specific’ models for common rock types, and illustrate that such ‘initial’ models can be ‘updated’ to incorporate new project-specific information as it becomes available, reducing model uncertainties and improving their predictive capabilities. (2) For rock masses, we present an approach, based on model selection criteria to select the most appropriate model, among a set of candidate models, to estimate the deformation modulus of a rock mass, given a set of observed data. Once the most appropriate model is selected, a Bayesian framework is employed to develop predictive distributions of the deformation moduli of rock masses, and to update them with new project-specific data. Such Bayesian updating approach can significantly reduce the associated predictive uncertainty, and therefore, affect our computed estimates of probability of failure, which is of significant interest to reliability-based rock engineering design. (3) In the preliminary design stage of rock engineering, the information about geomechanical and geometrical parameters, in situ stress or support parameters is often scarce or incomplete. This poses difficulties in applying traditional empirical correlations that cannot deal with incomplete data to make predictions. Therefore, we propose the use of Bayesian Networks to deal with incomplete data and, in particular, a Naïve Bayes classifier is developed to predict the probability of occurrence of tunnel squeezing based on five input parameters that are commonly available, at least partially, at design stages.