Cooperation in the knowledge transfer process: evidence from the demand side in Mexico

This paper presents the results of the analysis focused on scientific-technological KT in four Mexican firms and carried out by the case study approach. The analysis highlights the use of KT mechanisms as a means to obtain scientific-technological knowledge, learning, building S&T capabilities, and achieve the results of the R&D and innovation by firms.

Next Generation of Energy Residential Gateways for Demand Response and Dynamic Pricing

Predictions about electric energy needs, based on current electric energy models, forecast that the global energy consumption on Earth for 2050 will double present rates. Using distributed procedures for control and integration, the expected needs can be halved. Therefore implementation of Smart Grids is necessary. Interaction between final consumers and utilities is a key factor of future Smart Grids. This interaction is aimed to reach efficient and responsible energy consumption. Energy Residential Gateways (ERG) are new in-building devices that will govern the communication between user and utility and will control electric loads. Utilities will offer new services empowering residential customers to lower their electric bill. Some of these services are Smart Metering, Demand Response and Dynamic Pricing. This paper presents a practical development of an ERG for residential buildings.

Análisis de los factores determinantes de la repetición del proceso de compra en el comercio electrónico entre empresas y consumidores finales. Aplicación al mercado español

Las Tecnologías de la Información y la Comunicación en general e Internet en particular han supuesto una revolución en nuestra forma de comunicarnos, relacionarnos, producir, comprar y vender acortando tiempo y distancias entre proveedores y consumidores. A la paulatina penetración del ordenador, los teléfonos inteligentes y la banda ancha fija y/o móvil ha seguido un mayor uso de estas tecnologías entre ciudadanos y empresas. El comercio electrónico empresa–consumidor (B2C) alcanzó en 2010 en España un volumen de 9.114 millones de euros, con un incremento del 17,4% respecto al dato registrado en 2009. Este crecimiento se ha producido por distintos hechos: un incremento en el porcentaje de internautas hasta el 65,1% en 2010 de los cuales han adquirido productos o servicios a través de la Red un 43,1% –1,6 puntos porcentuales más respecto a 2010–. Por otra parte, el gasto medio por comprador ha ascendido a 831€ en 2010, lo que supone un incremento del 10,9% respecto al año anterior. Si segmentamos a los compradores según por su experiencia anterior de compra podemos encontrar dos categorías: el comprador novel –que adquirió por primera vez productos o servicios en 2010– y el comprador constante –aquel que había adquirido productos o servicios en 2010 y al menos una vez en años anteriores–. El 85,8% de los compradores se pueden considerar como compradores constantes: habían comprado en la Red en 2010, pero también lo habían hecho anteriormente. El comprador novel tiene un perfil sociodemográfico de persona joven de entre 15–24 años, con estudios secundarios, de clase social media y media–baja, estudiante no universitario, residente en poblaciones pequeñas y sigue utilizando fórmulas de pago como el contra–reembolso (23,9%). Su gasto medio anual ascendió en 2010 a 449€. El comprador constante, o comprador que ya había comprado en Internet anteriormente, tiene un perfil demográfico distinto: estudios superiores, clase alta, trabajador y residente en grandes ciudades, con un comportamiento maduro en la compra electrónica dada su mayor experiencia –utiliza con mayor intensidad canales exclusivos en Internet que no disponen de tienda presencial–. Su gasto medio duplica al observado en compradores noveles (con una media de 930€ anuales). Por tanto, los compradores constantes suponen una mayoría de los compradores con un gasto medio que dobla al comprador que ha adoptado el medio recientemente. Por consiguiente es de interés estudiar los factores que predicen que un internauta vuelva a adquirir un producto o servicio en la Red. La respuesta a esta pregunta no se ha revelado sencilla. En España, la mayoría de productos y servicios aún se adquieren de manera presencial, con una baja incidencia de las ventas a distancia como la teletienda, la venta por catálogo o la venta a través de Internet. Para dar respuesta a las preguntas planteadas se ha investigado desde distintos puntos de vista: se comenzará con un estudio descriptivo desde el punto de vista de la demanda que trata de caracterizar la situación del comercio electrónico B2C en España, poniendo el foco en las diferencias entre los compradores constantes y los nuevos compradores. Posteriormente, la investigación de modelos de adopción y continuidad en el uso de las tecnologías y de los factores que inciden en dicha continuidad –con especial interés en el comercio electrónico B2C–, permiten afrontar el problema desde la perspectiva de las ecuaciones estructurales pudiendo también extraer conclusiones de tipo práctico. Este trabajo sigue una estructura clásica de investigación científica: en el capítulo 1 se introduce el tema de investigación, continuando con una descripción del estado de situación del comercio electrónico B2C en España utilizando fuentes oficiales (capítulo 2). Posteriormente se desarrolla el marco teórico y el estado del arte de modelos de adopción y de utilización de las tecnologías (capítulo 3) y de los factores principales que inciden en la adopción y continuidad en el uso de las tecnologías (capítulo 4). El capítulo 5 desarrolla las hipótesis de la investigación y plantea los modelos teóricos. Las técnicas estadísticas a utilizar se describen en el capítulo 6, donde también se analizan los resultados empíricos sobre los modelos desarrollados en el capítulo 5. El capítulo 7 expone las principales conclusiones de la investigación, sus limitaciones y propone nuevas líneas de investigación. La primera parte corresponde al capítulo 1, que introduce la investigación justificándola desde un punto de vista teórico y práctico. También se realiza una breve introducción a la teoría del comportamiento del consumidor desde una perspectiva clásica. Se presentan los principales modelos de adopción y se introducen los modelos de continuidad de utilización que se estudiarán más detalladamente en el capítulo 3. En este capítulo se desarrollan los objetivos principales y los objetivos secundarios, se propone el mapa mental de la investigación y se planifican en un cronograma los principales hitos del trabajo. La segunda parte corresponde a los capítulos dos, tres y cuatro. En el capítulo 2 se describe el comercio electrónico B2C en España utilizando fuentes secundarias. Se aborda un diagnóstico del sector de comercio electrónico y su estado de madurez en España. Posteriormente, se analizan las diferencias entre los compradores constantes, principal interés de este trabajo, frente a los compradores noveles, destacando las diferencias de perfiles y usos. Para los dos segmentos se estudian aspectos como el lugar de acceso a la compra, la frecuencia de compra, los medios de pago utilizados o las actitudes hacia la compra. El capítulo 3 comienza desarrollando los principales conceptos sobre la teoría del comportamiento del consumidor, para continuar estudiando los principales modelos de adopción de tecnología existentes, analizando con especial atención su aplicación en comercio electrónico. Posteriormente se analizan los modelos de continuidad en el uso de tecnologías (Teoría de la Confirmación de Expectativas; Teoría de la Justicia), con especial atención de nuevo a su aplicación en el comercio electrónico. Una vez estudiados los principales modelos de adopción y continuidad en el uso de tecnologías, el capítulo 4 analiza los principales factores que se utilizan en los modelos: calidad, valor, factores basados en la confirmación de expectativas –satisfacción, utilidad percibida– y factores específicos en situaciones especiales –por ejemplo, tras una queja– como pueden ser la justicia, las emociones o la confianza. La tercera parte –que corresponde al capítulo 5– desarrolla el diseño de la investigación y la selección muestral de los modelos. En la primera parte del capítulo se enuncian las hipótesis –que van desde lo general a lo particular, utilizando los factores específicos analizados en el capítulo 4– para su posterior estudio y validación en el capítulo 6 utilizando las técnicas estadísticas apropiadas. A partir de las hipótesis, y de los modelos y factores estudiados en los capítulos 3 y 4, se definen y vertebran dos modelos teóricos originales que den respuesta a los retos de investigación planteados en el capítulo 1. En la segunda parte del capítulo se diseña el trabajo empírico de investigación definiendo los siguientes aspectos: alcance geográfico–temporal, tipología de la investigación, carácter y ambiente de la investigación, fuentes primarias y secundarias utilizadas, técnicas de recolección de datos, instrumentos de medida utilizados y características de la muestra utilizada. Los resultados del trabajo de investigación constituyen la cuarta parte de la investigación y se desarrollan en el capítulo 6, que comienza analizando las técnicas estadísticas basadas en Modelos de Ecuaciones Estructurales. Se plantean dos alternativas, modelos confirmatorios correspondientes a Métodos Basados en Covarianzas (MBC) y modelos predictivos. De forma razonada se eligen las técnicas predictivas dada la naturaleza exploratoria de la investigación planteada. La segunda parte del capítulo 6 desarrolla el análisis de los resultados de los modelos de medida y modelos estructurales construidos con indicadores formativos y reflectivos y definidos en el capítulo 4. Para ello se validan, sucesivamente, los modelos de medida y los modelos estructurales teniendo en cuenta los valores umbrales de los parámetros estadísticos necesarios para la validación. La quinta parte corresponde al capítulo 7, que desarrolla las conclusiones basándose en los resultados del capítulo 6, analizando los resultados desde el punto de vista de las aportaciones teóricas y prácticas, obteniendo conclusiones para la gestión de las empresas. A continuación, se describen las limitaciones de la investigación y se proponen nuevas líneas de estudio sobre distintos temas que han ido surgiendo a lo largo del trabajo. Finalmente, la bibliografía recoge todas las referencias utilizadas a lo largo de este trabajo. Palabras clave: comprador constante, modelos de continuidad de uso, continuidad en el uso de tecnologías, comercio electrónico, B2C, adopción de tecnologías, modelos de adopción tecnológica, TAM, TPB, IDT, UTAUT, ECT, intención de continuidad, satisfacción, confianza percibida, justicia, emociones, confirmación de expectativas, calidad, valor, PLS. ABSTRACT Information and Communication Technologies in general, but more specifically those related to the Internet in particular, have changed the way in which we communicate, relate to one another, produce, and buy and sell products, reducing the time and shortening the distance between suppliers and consumers. The steady breakthrough of computers, Smartphones and landline and/or wireless broadband has been greatly reflected in its large scale use by both individuals and businesses. Business–to–consumer (B2C) e–commerce reached a volume of 9,114 million Euros in Spain in 2010, representing a 17.4% increase with respect to the figure in 2009. This growth is due in part to two different facts: an increase in the percentage of web users to 65.1% en 2010, 43.1% of whom have acquired products or services through the Internet– which constitutes 1.6 percentage points higher than 2010. On the other hand, the average spending by individual buyers rose to 831€ en 2010, constituting a 10.9% increase with respect to the previous year. If we select buyers according to whether or not they have previously made some type of purchase, we can divide them into two categories: the novice buyer–who first made online purchases in 2010– and the experienced buyer: who also made purchases in 2010, but had done so previously as well. The socio–demographic profile of the novice buyer is that of a young person between 15–24 years of age, with secondary studies, middle to lower–middle class, and a non–university educated student who resides in smaller towns and continues to use payment methods such as cash on delivery (23.9%). In 2010, their average purchase grew to 449€. The more experienced buyer, or someone who has previously made purchases online, has a different demographic profile: highly educated, upper class, resident and worker in larger cities, who exercises a mature behavior when making online purchases due to their experience– this type of buyer frequently uses exclusive channels on the Internet that don’t have an actual store. His or her average purchase doubles that of the novice buyer (with an average purchase of 930€ annually.) That said, the experienced buyers constitute the majority of buyers with an average purchase that doubles that of novice buyers. It is therefore of interest to study the factors that help to predict whether or not a web user will buy another product or use another service on the Internet. The answer to this question has proven not to be so simple. In Spain, the majority of goods and services are still bought in person, with a low amount of purchases being made through means such as the Home Shopping Network, through catalogues or Internet sales. To answer the questions that have been posed here, an investigation has been conducted which takes into consideration various viewpoints: it will begin with a descriptive study from the perspective of the supply and demand that characterizes the B2C e–commerce situation in Spain, focusing on the differences between experienced buyers and novice buyers. Subsequently, there will be an investigation concerning the technology acceptance and continuity of use of models as well as the factors that have an effect on their continuity of use –with a special focus on B2C electronic commerce–, which allows for a theoretic approach to the problem from the perspective of the structural equations being able to reach practical conclusions. This investigation follows the classic structure for a scientific investigation: the subject of the investigation is introduced (Chapter 1), then the state of the B2C e–commerce in Spain is described citing official sources of information (Chapter 2), the theoretical framework and state of the art of technology acceptance and continuity models are developed further (Chapter 3) and the main factors that affect their acceptance and continuity (Chapter 4). Chapter 5 explains the hypothesis behind the investigation and poses the theoretical models that will be confirmed or rejected partially or completely. In Chapter 6, the technical statistics that will be used are described briefly as well as an analysis of the empirical results of the models put forth in Chapter 5. Chapter 7 explains the main conclusions of the investigation, its limitations and proposes new projects. First part of the project, chapter 1, introduces the investigation, justifying it from a theoretical and practical point of view. It is also a brief introduction to the theory of consumer behavior from a standard perspective. Technology acceptance models are presented and then continuity and repurchase models are introduced, which are studied more in depth in Chapter 3. In this chapter, both the main and the secondary objectives are developed through a mind map and a timetable which highlights the milestones of the project. The second part of the project corresponds to Chapters Two, Three and Four. Chapter 2 describes the B2C e–commerce in Spain from the perspective of its demand, citing secondary official sources. A diagnosis concerning the e–commerce sector and the status of its maturity in Spain is taken on, as well as the barriers and alternative methods of e–commerce. Subsequently, the differences between experienced buyers, which are of particular interest to this project, and novice buyers are analyzed, highlighting the differences between their profiles and their main transactions. In order to study both groups, aspects such as the place of purchase, frequency with which online purchases are made, payment methods used and the attitudes of the purchasers concerning making online purchases are taken into consideration. Chapter 3 begins by developing the main concepts concerning consumer behavior theory in order to continue the study of the main existing acceptance models (among others, TPB, TAM, IDT, UTAUT and other models derived from them) – paying special attention to their application in e–commerce–. Subsequently, the models of technology reuse are analyzed (CDT, ECT; Theory of Justice), focusing again specifically on their application in e–commerce. Once the main technology acceptance and reuse models have been studied, Chapter 4 analyzes the main factors that are used in these models: quality, value, factors based on the contradiction of expectations/failure to meet expectations– satisfaction, perceived usefulness– and specific factors pertaining to special situations– for example, after receiving a complaint justice, emotions or confidence. The third part– which appears in Chapter 5– develops the plan for the investigation and the sample selection for the models that have been designed. In the first section of the Chapter, the hypothesis is presented– beginning with general ideas and then becoming more specific, using the detailed factors that were analyzed in Chapter 4– for its later study and validation in Chapter 6– as well as the corresponding statistical factors. Based on the hypothesis and the models and factors that were studied in Chapters 3 and 4, two original theoretical models are defined and organized in order to answer the questions posed in Chapter 1. In the second part of the Chapter, the empirical investigation is designed, defining the following aspects: geographic–temporal scope, type of investigation, nature and setting of the investigation, primary and secondary sources used, data gathering methods, instruments according to the extent of their use and characteristics of the sample used. The results of the project constitute the fourth part of the investigation and are developed in Chapter 6, which begins analyzing the statistical techniques that are based on the Models of Structural Equations. Two alternatives are put forth: confirmatory models which correspond to Methods Based on Covariance (MBC) and predictive models– Methods Based on Components–. In a well–reasoned manner, the predictive techniques are chosen given the explorative nature of the investigation. The second part of Chapter 6 explains the results of the analysis of the measurement models and structural models built by the formative and reflective indicators defined in Chapter 4. In order to do so, the measurement models and the structural models are validated one by one, while keeping in mind the threshold values of the necessary statistic parameters for their validation. The fifth part corresponds to Chapter 7 which explains the conclusions of the study, basing them on the results found in Chapter 6 and analyzing them from the perspective of the theoretical and practical contributions, and consequently obtaining conclusions for business management. The limitations of the investigation are then described and new research lines about various topics that came up during the project are proposed. Lastly, all of the references that were used during the project are listed in a final bibliography. Key Words: constant buyer, repurchase models, continuity of use of technology, e–commerce, B2C, technology acceptance, technology acceptance models, TAM, TPB, IDT, UTAUT, ECT, intention of repurchase, satisfaction, perceived trust/confidence, justice, feelings, the contradiction of expectations, quality, value, PLS.

Ubiquitous green computing techniques for high demand applications in smart environments

Ubiquitous sensor network deployments, such as the ones found in Smart cities and Ambient intelligence applications, require constantly increasing high computational demands in order to process data and offer services to users. The nature of these applications imply the usage of data centers. Research has paid much attention to the energy consumption of the sensor nodes in WSNs infrastructures. However, supercomputing facilities are the ones presenting a higher economic and environmental impact due to their very high power consumption. The latter problem, however, has been disregarded in the field of smart environment services. This paper proposes an energy-minimization workload assignment technique, based on heterogeneity and application-awareness, that redistributes low-demand computational tasks from high-performance facilities to idle nodes with low and medium resources in the WSN infrastructure. These non-optimal allocation policies reduce the energy consumed by the whole infrastructure and the total execution time.

Neural network controller for active demand side management with PV energy in the residential sector

In this paper, we describe the development of a control system for Demand-Side Management in the residential sector with Distributed Generation. The electrical system under study incorporates local PV energy generation, an electricity storage system, connection to the grid and a home automation system. The distributed control system is composed of two modules: a scheduler and a coordinator, both implemented with neural networks. The control system enhances the local energy performance, scheduling the tasks demanded by the user and maximizing the use of local generation.

Applying foresight tools to determine future demand requirements on tourist destinations

Applying foresight tools to determine future demand requirements on tourist destinations

Architectures for Video-on-Demand content distribution in managed networks

La demanda de contenidos de vídeo ha aumentado rápidamente en los últimos años como resultado del gran despliegue de la TV sobre IP (IPTV) y la variedad de servicios ofrecidos por los operadores de red. Uno de los servicios que se ha vuelto especialmente atractivo para los clientes es el vídeo bajo demanda (VoD) en tiempo real, ya que ofrece una transmisión (streaming) inmediata de gran variedad de contenidos de vídeo. El precio que los operadores tienen que pagar por este servicio es el aumento del tráfico en las redes, que están cada vez más congestionadas debido a la mayor demanda de contenidos de VoD y al aumento de la calidad de los propios contenidos de vídeo. Así, uno de los principales objetivos de esta tesis es encontrar soluciones que reduzcan el tráfico en el núcleo de la red, manteniendo la calidad del servicio en el nivel adecuado y reduciendo el coste del tráfico. La tesis propone un sistema jerárquico de servidores de streaming en el que se ejecuta un algoritmo para la ubicación óptima de los contenidos de acuerdo con el comportamiento de los usuarios y el estado de la red. Debido a que cualquier algoritmo óptimo de distribución de contenidos alcanza un límite en el que no se puede llegar a nuevas mejoras, la inclusión de los propios clientes del servicio (los peers) en el proceso de streaming puede reducir aún más el tráfico de red. Este proceso se logra aprovechando el control que el operador tiene en las redes de gestión privada sobre los equipos receptores (Set-Top Box) ubicados en las instalaciones de los clientes. El operador se reserva cierta capacidad de almacenamiento y streaming de los peers para almacenar los contenidos de vídeo y para transmitirlos a otros clientes con el fin de aliviar a los servidores de streaming. Debido a la incapacidad de los peers para sustituir completamente a los servidores de streaming, la tesis propone un sistema de streaming asistido por peers. Algunas de las cuestiones importantes que se abordan en la tesis son saber cómo los parámetros del sistema y las distintas distribuciones de los contenidos de vídeo en los peers afectan al rendimiento general del sistema. Para dar respuesta a estas preguntas, la tesis propone un modelo estocástico preciso y flexible que tiene en cuenta parámetros como las capacidades de enlace de subida y de almacenamiento de los peers, el número de peers, el tamaño de la biblioteca de contenidos de vídeo, el tamaño de los contenidos y el esquema de distribución de contenidos para estimar los beneficios del streaming asistido por los peers. El trabajo también propone una versión extendida del modelo matemático mediante la inclusión de la probabilidad de fallo de los peers y su tiempo de recuperación en el conjunto de parámetros del modelo. Estos modelos se utilizan como una herramienta para la realización de exhaustivos análisis del sistema de streaming de VoD asistido por los peers para la amplia gama de parámetros definidos en los modelos. Abstract The demand of video contents has rapidly increased in the past years as a result of the wide deployment of IPTV and the variety of services offered by the network operators. One of the services that has especially become attractive to the customers is real-time Video on Demand (VoD) because it offers an immediate streaming of a large variety of video contents. The price that the operators have to pay for this convenience is the increased traffic in the networks, which are becoming more congested due to the higher demand for VoD contents and the increased quality of the videos. Therefore, one of the main objectives of this thesis is finding solutions that would reduce the traffic in the core of the network, keeping the quality of service on satisfactory level and reducing the traffic cost. The thesis proposes a system of hierarchical structure of streaming servers that runs an algorithm for optimal placement of the contents according to the users’ behavior and the state of the network. Since any algorithm for optimal content distribution reaches a limit upon which no further improvements can be made, including service customers themselves (the peers) in the streaming process can further reduce the network traffic. This process is achieved by taking advantage of the control that the operator has in the privately managed networks over the Set-Top Boxes placed at the clients’ premises. The operator reserves certain storage and streaming capacity on the peers to store the video contents and to stream them to the other clients in order to alleviate the streaming servers. Because of the inability of the peers to completely substitute the streaming servers, the thesis proposes a system for peer-assisted streaming. Some of the important questions addressed in the thesis are how the system parameters and the various distributions of the video contents on the peers would impact the overall system performance. In order to give answers to these questions, the thesis proposes a precise and flexible stochastic model that takes into consideration parameters like uplink and storage capacity of the peers, number of peers, size of the video content library, size of contents and content distribution scheme to estimate the benefits of the peer-assisted streaming. The work also proposes an extended version of the mathematical model by including the failure probability of the peers and their recovery time in the set of parameters. These models are used as tools for conducting thorough analyses of the peer-assisted system for VoD streaming for the wide range of defined parameters.

Robust rolling stock under uncertain demand in rapid transit networks

This paper focuses on the railway rolling stock circulation problem in rapid transit networks where the known demand and train schedule must be met by a given fleet. In rapid transit networks the frequencies are high and distances are relatively short. Although the distances are not very large, service times are high due to the large number of intermediate stops required to allow proper passenger flow. The previous circumstances and the reduced capacity of the depot stations and that the rolling stock is shared between the different lines, force the introduction of empty trains and a careful control on shunting operation. In practice the future demand is generally unknown and the decisions must be based on uncertain forecast. We have developed a stochastic rolling stock formulation of the problem. The computational experiments were developed using a commercial line of the Madrid suburban rail network operated by RENFE (The main Spanish operator of suburban trains of passengers). Comparing the results obtained by deterministic scenarios and stochastic approach some useful conclusions may be obtained.

Optimizing PV use through active demand side management

With recent technological developments within the field of power conditioning and the progressive decrease of incentives for PV electricity in grid-connected markets, new operation modes for PV systems should be explored beyond the traditional maximization of PV electri city feed-in. An example can be found in the domestic sector, where the use of modern PV hybrid systems combin ed with efficient electrical appliances and demand side management strategies can significantly enhance the PV value for the user. This paper presents an active demand side management system able to displace the consumer’s load curve in response to local (PV hybrid system, user) and external conditions (external grid). In this way, th e consumer becomes an “active consumer” that can also cooperate with others and the grid, increasing even more the PV value for the electrical system.

A swarm intelligence approach based on coupled oscillators: an application in demand side management with photovoltaic distributed generation

Esta Tesis aborda los problemas de eficiencia de las redes eléctrica desde el punto de vista del consumo. En particular, dicha eficiencia es mejorada mediante el suavizado de la curva de consumo agregado. Este objetivo de suavizado de consumo implica dos grandes mejoras en el uso de las redes eléctricas: i) a corto plazo, un mejor uso de la infraestructura existente y ii) a largo plazo, la reducción de la infraestructura necesaria para suplir las mismas necesidades energéticas. Además, esta Tesis se enfrenta a un nuevo paradigma energético, donde la presencia de generación distribuida está muy extendida en las redes eléctricas, en particular, la generación fotovoltaica (FV). Este tipo de fuente energética afecta al funcionamiento de la red, incrementando su variabilidad. Esto implica que altas tasas de penetración de electricidad de origen fotovoltaico es perjudicial para la estabilidad de la red eléctrica. Esta Tesis trata de suavizar la curva de consumo agregado considerando esta fuente energética. Por lo tanto, no sólo se mejora la eficiencia de la red eléctrica, sino que también puede ser aumentada la penetración de electricidad de origen fotovoltaico en la red. Esta propuesta conlleva grandes beneficios en los campos económicos, social y ambiental. Las acciones que influyen en el modo en que los consumidores hacen uso de la electricidad con el objetivo producir un ahorro energético o un aumento de eficiencia son llamadas Gestión de la Demanda Eléctrica (GDE). Esta Tesis propone dos algoritmos de GDE diferentes para cumplir con el objetivo de suavizado de la curva de consumo agregado. La diferencia entre ambos algoritmos de GDE reside en el marco en el cual estos tienen lugar: el marco local y el marco de red. Dependiendo de este marco de GDE, el objetivo energético y la forma en la que se alcanza este objetivo son diferentes. En el marco local, el algoritmo de GDE sólo usa información local. Este no tiene en cuenta a otros consumidores o a la curva de consumo agregado de la red eléctrica. Aunque esta afirmación pueda diferir de la definición general de GDE, esta vuelve a tomar sentido en instalaciones locales equipadas con Recursos Energéticos Distribuidos (REDs). En este caso, la GDE está enfocada en la maximización del uso de la energía local, reduciéndose la dependencia con la red. El algoritmo de GDE propuesto mejora significativamente el auto-consumo del generador FV local. Experimentos simulados y reales muestran que el auto-consumo es una importante estrategia de gestión energética, reduciendo el transporte de electricidad y alentando al usuario a controlar su comportamiento energético. Sin embargo, a pesar de todas las ventajas del aumento de auto-consumo, éstas no contribuyen al suavizado del consumo agregado. Se han estudiado los efectos de las instalaciones locales en la red eléctrica cuando el algoritmo de GDE está enfocado en el aumento del auto-consumo. Este enfoque puede tener efectos no deseados, incrementando la variabilidad en el consumo agregado en vez de reducirlo. Este efecto se produce porque el algoritmo de GDE sólo considera variables locales en el marco local. Los resultados sugieren que se requiere una coordinación entre las instalaciones. A través de esta coordinación, el consumo debe ser modificado teniendo en cuenta otros elementos de la red y buscando el suavizado del consumo agregado. En el marco de la red, el algoritmo de GDE tiene en cuenta tanto información local como de la red eléctrica. En esta Tesis se ha desarrollado un algoritmo autoorganizado para controlar el consumo de la red eléctrica de manera distribuida. El objetivo de este algoritmo es el suavizado del consumo agregado, como en las implementaciones clásicas de GDE. El enfoque distribuido significa que la GDE se realiza desde el lado de los consumidores sin seguir órdenes directas emitidas por una entidad central. Por lo tanto, esta Tesis propone una estructura de gestión paralela en lugar de una jerárquica como en las redes eléctricas clásicas. Esto implica que se requiere un mecanismo de coordinación entre instalaciones. Esta Tesis pretende minimizar la cantidad de información necesaria para esta coordinación. Para lograr este objetivo, se han utilizado dos técnicas de coordinación colectiva: osciladores acoplados e inteligencia de enjambre. La combinación de estas técnicas para llevar a cabo la coordinación de un sistema con las características de la red eléctrica es en sí mismo un enfoque novedoso. Por lo tanto, este objetivo de coordinación no es sólo una contribución en el campo de la gestión energética, sino también en el campo de los sistemas colectivos. Los resultados muestran que el algoritmo de GDE propuesto reduce la diferencia entre máximos y mínimos de la red eléctrica en proporción a la cantidad de energía controlada por el algoritmo. Por lo tanto, conforme mayor es la cantidad de energía controlada por el algoritmo, mayor es la mejora de eficiencia en la red eléctrica. Además de las ventajas resultantes del suavizado del consumo agregado, otras ventajas surgen de la solución distribuida seguida en esta Tesis. Estas ventajas se resumen en las siguientes características del algoritmo de GDE propuesto: • Robustez: en un sistema centralizado, un fallo o rotura del nodo central provoca un mal funcionamiento de todo el sistema. La gestión de una red desde un punto de vista distribuido implica que no existe un nodo de control central. Un fallo en cualquier instalación no afecta el funcionamiento global de la red. • Privacidad de datos: el uso de una topología distribuida causa de que no hay un nodo central con información sensible de todos los consumidores. Esta Tesis va más allá y el algoritmo propuesto de GDE no utiliza información específica acerca de los comportamientos de los consumidores, siendo la coordinación entre las instalaciones completamente anónimos. • Escalabilidad: el algoritmo propuesto de GDE opera con cualquier número de instalaciones. Esto implica que se permite la incorporación de nuevas instalaciones sin afectar a su funcionamiento. • Bajo coste: el algoritmo de GDE propuesto se adapta a las redes actuales sin requisitos topológicos. Además, todas las instalaciones calculan su propia gestión con un bajo requerimiento computacional. Por lo tanto, no se requiere un nodo central con un alto poder de cómputo. • Rápido despliegue: las características de escalabilidad y bajo coste de los algoritmos de GDE propuestos permiten una implementación rápida. No se requiere una planificación compleja para el despliegue de este sistema. ABSTRACT This Thesis addresses the efficiency problems of the electrical grids from the consumption point of view. In particular, such efficiency is improved by means of the aggregated consumption smoothing. This objective of consumption smoothing entails two major improvements in the use of electrical grids: i) in the short term, a better use of the existing infrastructure and ii) in long term, the reduction of the required infrastructure to supply the same energy needs. In addition, this Thesis faces a new energy paradigm, where the presence of distributed generation is widespread over the electrical grids, in particular, the Photovoltaic (PV) generation. This kind of energy source affects to the operation of the grid by increasing its variability. This implies that a high penetration rate of photovoltaic electricity is pernicious for the electrical grid stability. This Thesis seeks to smooth the aggregated consumption considering this energy source. Therefore, not only the efficiency of the electrical grid is improved, but also the penetration of photovoltaic electricity into the grid can be increased. This proposal brings great benefits in the economic, social and environmental fields. The actions that influence the way that consumers use electricity in order to achieve energy savings or higher efficiency in energy use are called Demand-Side Management (DSM). This Thesis proposes two different DSM algorithms to meet the aggregated consumption smoothing objective. The difference between both DSM algorithms lie in the framework in which they take place: the local framework and the grid framework. Depending on the DSM framework, the energy goal and the procedure to reach this goal are different. In the local framework, the DSM algorithm only uses local information. It does not take into account other consumers or the aggregated consumption of the electrical grid. Although this statement may differ from the general definition of DSM, it makes sense in local facilities equipped with Distributed Energy Resources (DERs). In this case, the DSM is focused on the maximization of the local energy use, reducing the grid dependence. The proposed DSM algorithm significantly improves the self-consumption of the local PV generator. Simulated and real experiments show that self-consumption serves as an important energy management strategy, reducing the electricity transport and encouraging the user to control his energy behavior. However, despite all the advantages of the self-consumption increase, they do not contribute to the smooth of the aggregated consumption. The effects of the local facilities on the electrical grid are studied when the DSM algorithm is focused on self-consumption maximization. This approach may have undesirable effects, increasing the variability in the aggregated consumption instead of reducing it. This effect occurs because the algorithm only considers local variables in the local framework. The results suggest that coordination between these facilities is required. Through this coordination, the consumption should be modified by taking into account other elements of the grid and seeking for an aggregated consumption smoothing. In the grid framework, the DSM algorithm takes into account both local and grid information. This Thesis develops a self-organized algorithm to manage the consumption of an electrical grid in a distributed way. The goal of this algorithm is the aggregated consumption smoothing, as the classical DSM implementations. The distributed approach means that the DSM is performed from the consumers side without following direct commands issued by a central entity. Therefore, this Thesis proposes a parallel management structure rather than a hierarchical one as in the classical electrical grids. This implies that a coordination mechanism between facilities is required. This Thesis seeks for minimizing the amount of information necessary for this coordination. To achieve this objective, two collective coordination techniques have been used: coupled oscillators and swarm intelligence. The combination of these techniques to perform the coordination of a system with the characteristics of the electric grid is itself a novel approach. Therefore, this coordination objective is not only a contribution in the energy management field, but in the collective systems too. Results show that the proposed DSM algorithm reduces the difference between the maximums and minimums of the electrical grid proportionally to the amount of energy controlled by the system. Thus, the greater the amount of energy controlled by the algorithm, the greater the improvement of the efficiency of the electrical grid. In addition to the advantages resulting from the smoothing of the aggregated consumption, other advantages arise from the distributed approach followed in this Thesis. These advantages are summarized in the following features of the proposed DSM algorithm: • Robustness: in a centralized system, a failure or breakage of the central node causes a malfunction of the whole system. The management of a grid from a distributed point of view implies that there is not a central control node. A failure in any facility does not affect the overall operation of the grid. • Data privacy: the use of a distributed topology causes that there is not a central node with sensitive information of all consumers. This Thesis goes a step further and the proposed DSM algorithm does not use specific information about the consumer behaviors, being the coordination between facilities completely anonymous. • Scalability: the proposed DSM algorithm operates with any number of facilities. This implies that it allows the incorporation of new facilities without affecting its operation. • Low cost: the proposed DSM algorithm adapts to the current grids without any topological requirements. In addition, every facility calculates its own management with low computational requirements. Thus, a central computational node with a high computational power is not required. • Quick deployment: the scalability and low cost features of the proposed DSM algorithms allow a quick deployment. A complex schedule of the deployment of this system is not required.

Railway Rapid Transit timetables with variable and elastic demand.

This paper focuses on the design of railway timetables considering a variable elastic demand profile along a whole design day. Timetabling is the third stage in the classical hierarchical railway planning process. Most of previous works on this topic consider a uniform demand behavior for short planning intervals. In this paper, we propose a MINLP model for designing non-periodic timetables on a railway corridor where demand is dependent on waiting times. In the elastic demand case, long waiting times lead to a loss of passengers, who may select an alternative transportation mode. The mode choice is modeled using two alternative methods. The first one is based on a sigmoid function and can be used in case of absence of information for competitor modes. In the second one, the mode choice probability is obtained using a Logit model that explicitly considers the existence of a main alternative mode. With the purpose of obtaining optimal departure times, in both cases, a minimization of the loss of passengers is used as objective function. Finally, as illustration, the timetabling MINLP model with both mode choice methods is applied to a real case and computational results are shown.

Assessment methodology applied to demand measures to change urban mobility behavior

In order to minimize car-based trips, transport planners have been particularly interested in understanding the factors that explain modal choices. Transport modelling literature has been increasingly aware that socioeconomic attributes and quantitative variables are not sufficient to characterize travelers and forecast their travel behavior. Recent studies have also recognized that users’ social interactions and land use patterns influence travel behavior, especially when changes to transport systems are introduced; but links between international and Spanish perspectives are rarely dealt with. The overall objective of the thesis is to develop a stepped methodology that integrate diverse perspectives to evaluate the willingness to change patterns of urban mobility in Madrid, based on four steps: (1st) analysis of causal relationships between both objective and subjective personal variables, and travel behavior to capture pro-car and pro-public transport intentions; (2nd) exploring the potential influence of individual trip characteristics and social influence variables on transport mode choice; (3rd) identifying built environment dimensions on travel behavior; and (4th) exploring the potential influence on transport mode choice of extrinsic characteristics of individual trip using panel data, land use variables using spatial characteristics and social influence variables. The data used for this thesis have been collected from a two panel smartphone-based survey (n=255 and 190 respondents, respectively) carried out in Madrid. Although the steps above are mainly methodological, the application to the area of Madrid allows deriving important results that can be directly used to forecast travel demand and to evaluate the benefits of specific policies that might be implemented in the area. The results demonstrated, respectively: (1st) transport policy actions are more likely to be effective when pro-car intention has been disrupted first; (2nd) the consideration of “helped” and “voluntary” users as tested here could have a positive and negative impact, respectively, on the use of public transport; (3rd) the importance of density, design, diversity and accessibility underlying dimensions responsible for land use variables; and (4th) there are clearly different types of combinations of social interactions, land use and time frame on travel behavior studies. Finally, with the objective to study the impact of demand measures to change urban mobility behavior, those previous results have been considered in a unique way, a hybrid discrete choice model has been used on a 5th step. Then it can be concluded that urban mobility behavior is not only ruled by the maximum utility criterion, but also by a strong psychological-environment concept, developed without the mediation of cognitive processes during choice, i.e., many people using public transport on their way to work do not do it for utilitarian reasons, but because no other choice is available. Regarding built environment dimensions, the more diversity place of residence, the more difficult the use of public transport or walking.

Explaining light vehicle demand evolution in interurban toll roads: a dynamic panel data analysis in Spain

Tolls have increasingly become a common mechanism to fund road projects in recent decades. Therefore, improving knowledge of demand behavior constitutes a key aspect for stakeholders dealing with the management of toll roads. However, the literature concerning demand elasticity estimates for interurban toll roads is still limited due to their relatively scarce number in the international context. Furthermore, existing research has left some aspects to be investigated, among others, the choice of GDP as the most common socioeconomic variable to explain traffic growth over time. This paper intends to determine the variables that better explain the evolution of light vehicle demand in toll roads throughout the years. To that end, we establish a dynamic panel data methodology aimed at identifying the key socioeconomic variables explaining changes in light vehicle demand over time. The results show that, despite some usefulness, GDP does not constitute the most appropriate explanatory variable, while other parameters such as employment or GDP per capita lead to more stable and consistent results. The methodology is applied to Spanish toll roads for the 1990?2011 period, which constitutes a very interesting case on variations in toll road use, as road demand has experienced a significant decrease since the beginning of the economic crisis in 2008.

An integrated modeling approach to assess the impact on road freight transport demand of allowing longer and heavier vehicles (LHVs) in Spain

The assessment on introducing Longer and Heavier Vehicles (LHVs) on the road freight transport demand is performed in this paper by applying an integrated modeling approach composed of a Random Utility-Based Multiregional Input-Output model (RUBMRIO) and a road transport network model. The approach strongly supports the concept that changes in transport costs derived from the LHVs allowance as well as the economic structure of regions have both direct and indirect effects on the road freight transport system. In addition, we estimate the magnitude and extent of demand changes in the road freight transportation system by using the commodity-based structure of the approach to identify the effect on traffic flows and on pollutant emissions over the whole network of Spain by considering a sensitivity analysis of the main parameters which determine the share of Heavy-Goods Vehicles (HGVs) and LHVs. The results show that the introduction of LHVs will strengthen the competitiveness of the road haulage sector by reducing costs, emissions, and the total freight vehicles required.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.