Model-based Self-awareness Patterns for Autonomy

Los sistemas técnicos son cada vez más complejos, incorporan funciones más avanzadas, están más integrados con otros sistemas y trabajan en entornos menos controlados. Todo esto supone unas condiciones más exigentes y con mayor incertidumbre para los sistemas de control, a los que además se demanda un comportamiento más autónomo y fiable. La adaptabilidad de manera autónoma es un reto para tecnologías de control actualmente. El proyecto de investigación ASys propone abordarlo trasladando la responsabilidad de la capacidad de adaptación del sistema de los ingenieros en tiempo de diseño al propio sistema en operación. Esta tesis pretende avanzar en la formulación y materialización técnica de los principios de ASys de cognición y auto-consciencia basadas en modelos y autogestión de los sistemas en tiempo de operación para una autonomía robusta. Para ello el trabajo se ha centrado en la capacidad de auto-conciencia, inspirada en los sistemas biológicos, y se ha explorado la posibilidad de integrarla en la arquitectura de los sistemas de control. Además de la auto-consciencia, se han explorado otros temas relevantes: modelado funcional, modelado de software, tecnología de los patrones, tecnología de componentes, tolerancia a fallos. Se ha analizado el estado de la técnica en los ámbitos pertinentes para las cuestiones de la auto-consciencia y la adaptabilidad en sistemas técnicos: arquitecturas cognitivas, control tolerante a fallos, y arquitecturas software dinámicas y computación autonómica. El marco teórico de ASys existente de sistemas autónomos cognitivos ha sido adaptado para servir de base para este análisis de autoconsciencia y adaptación y para dar sustento conceptual al posterior desarrollo de la solución. La tesis propone una solución general de diseño para la construcción de sistemas autónomos auto-conscientes. La idea central es la integración de un meta-controlador en la arquitectura de control del sistema autónomo, capaz de percibir la estado funcional del sistema de control y, si es necesario, reconfigurarlo en tiempo de operación. Esta solución de metacontrol se ha formalizado en cuatro patrones de diseño: i) el Patrón Metacontrol, que define la integración de un subsistema de metacontrol, responsable de controlar al propio sistema de control a través de la interfaz proporcionada por su plataforma de componentes, ii) el patrón Bucle de Control Epistémico, que define un bucle de control cognitivo basado en el modelos y que se puede aplicar al diseño del metacontrol, iii) el patrón de Reflexión basada en Modelo Profundo propone una solución para construir el modelo ejecutable utilizado por el meta-controlador mediante una transformación de modelo a modelo a partir del modelo de ingeniería del sistema, y, finalmente, iv) el Patrón Metacontrol Funcional, que estructura el meta-controlador en dos bucles, uno para el control de la configuración de los componentes del sistema de control, y otro sobre éste, controlando las funciones que realiza dicha configuración de componentes; de esta manera las consideraciones funcionales y estructurales se desacoplan. La Arquitectura OM y el metamodelo TOMASys son las piezas centrales del marco arquitectónico desarrollado para materializar la solución compuesta de los patrones anteriores. El metamodelo TOMASys ha sido desarrollado para la representación de la estructura y su relación con los requisitos funcionales de cualquier sistema autónomo. La Arquitectura OM es un patrón de referencia para la construcción de una metacontrolador integrando los patrones de diseño propuestos. Este meta-controlador se puede integrar en la arquitectura de cualquier sistema control basado en componentes. El elemento clave de su funcionamiento es un modelo TOMASys del sistema decontrol, que el meta-controlador usa para monitorizarlo y calcular las acciones de reconfiguración necesarias para adaptarlo a las circunstancias en cada momento. Un proceso de ingeniería, complementado con otros recursos, ha sido elaborado para guiar la aplicación del marco arquitectónico OM. Dicho Proceso de Ingeniería OM define la metodología a seguir para construir el subsistema de metacontrol para un sistema autónomo a partir del modelo funcional del mismo. La librería OMJava proporciona una implementación del meta-controlador OM que se puede integrar en el control de cualquier sistema autónomo, independientemente del dominio de la aplicación o de su tecnología de implementación. Para concluir, la solución completa ha sido validada con el desarrollo de un robot móvil autónomo que incorpora un meta-controlador con la Arquitectura OM. Las propiedades de auto-consciencia y adaptación proporcionadas por el meta-controlador han sido validadas en diferentes escenarios de operación del robot, en los que el sistema era capaz de sobreponerse a fallos en el sistema de control mediante reconfiguraciones orquestadas por el metacontrolador. ABSTRACT Technical systems are becoming more complex, they incorporate more advanced functionalities, they are more integrated with other systems and they are deployed in less controlled environments. All this supposes a more demanding and uncertain scenario for control systems, which are also required to be more autonomous and dependable. Autonomous adaptivity is a current challenge for extant control technologies. The ASys research project proposes to address it by moving the responsibility for adaptivity from the engineers at design time to the system at run-time. This thesis has intended to advance in the formulation and technical reification of ASys principles of model-based self-cognition and having systems self-handle at runtime for robust autonomy. For that it has focused on the biologically inspired capability of self-awareness, and explored the possibilities to embed it into the very architecture of control systems. Besides self-awareness, other themes related to the envisioned solution have been explored: functional modeling, software modeling, patterns technology, components technology, fault tolerance. The state of the art in fields relevant for the issues of self-awareness and adaptivity has been analysed: cognitive architectures, fault-tolerant control, and software architectural reflection and autonomic computing. The extant and evolving ASys Theoretical Framework for cognitive autonomous systems has been adapted to provide a basement for this selfhood-centred analysis and to conceptually support the subsequent development of our solution. The thesis proposes a general design solution for building self-aware autonomous systems. Its central idea is the integration of a metacontroller in the control architecture of the autonomous system, capable of perceiving the functional state of the control system and reconfiguring it if necessary at run-time. This metacontrol solution has been formalised into four design patterns: i) the Metacontrol Pattern, which defines the integration of a metacontrol subsystem, controlling the domain control system through an interface provided by its implementation component platform, ii) the Epistemic Control Loop pattern, which defines a modelbased cognitive control loop that can be applied to the design of such a metacontroller, iii) the Deep Model Reflection pattern proposes a solution to produce the online executable model used by the metacontroller by model-to-model transformation from the engineering model, and, finally, iv) the Functional Metacontrol pattern, which proposes to structure the metacontroller in two loops, one for controlling the configuration of components of the controller, and another one on top of the former, controlling the functions being realised by that configuration; this way the functional and structural concerns become decoupled. The OM Architecture and the TOMASys metamodel are the core pieces of the architectural framework developed to reify this patterned solution. The TOMASys metamodel has been developed for representing the structure and its relation to the functional requirements of any autonomous system. The OM architecture is a blueprint for building a metacontroller according to the patterns. This metacontroller can be integrated on top of any component-based control architecture. At the core of its operation lies a TOMASys model of the control system. An engineering process and accompanying assets have been constructed to complete and exploit the architectural framework. The OM Engineering Process defines the process to follow to develop the metacontrol subsystem from the functional model of the controller of the autonomous system. The OMJava library provides a domain and application-independent implementation of an OM Metacontroller than can be used in the implementation phase of OMEP. Finally, the complete solution has been validated in the development of an autonomous mobile robot that incorporates an OM metacontroller. The functional selfawareness and adaptivity properties achieved thanks to the metacontrol system have been validated in different scenarios. In these scenarios the robot was able to overcome failures in the control system thanks to reconfigurations performed by the metacontroller.

Efectos sociales y urbanísticos generados por la implantación del sistema de transporte masivo “Transbarca” en la ciudad de Barquisimeto, Estado Lara, Venezuela

El propósito principal de éste trabajo tiene que ver con los procesos de modelado del espacio social, utilizando como campo de estudio los efectos sobre la morfología urbana generados por la implantación del sistema de transporte Masivo Transbarca en la ciudad venezolana de Barquisimeto. La investigación se apoya en buena medida en las teorías de la morfología social elaboradas por el sociólogo E. Durkheim y desarrolladas sobre todo en el campo del urbanismo por M. Halbwachs. En ellas se vincula la morfología social con su sustrato material, la forma urbana, desde una perspectiva sociológica. De igual manera se consideran categorías conceptuales como fragmentación y segregación, según otros enfoques (M. Castells y Reales). El trabajo se desarrolla según una metodología empírica, realizando análisis cuantitativos de los fenómenos que se consideran indicativos (el mercado de vivienda, por ejemplo) y comprobando su relación con la cualificación del espacio urbano donde destacan los procesos de remodelación de la centralidad que resultan de la implantación del Transporte Masivo. Desde esta perspectiva, la solución al transporte colectivo adquiere una dimensión que trasciende su papel como pieza fundamental para el buen funcionamiento de la ciudad moderna en crecimiento, con independencia de que sea capaz de ofrecer una solución a ese desafío, para convertirse en un instrumento de ordenación de la ciudad que afecta a la morfología social y urbana, que supone profundas alteraciones del centro urbano propiamente dicho, que implica una redistribución de los grupos sociales en el espacio reformado de la ciudad: un proceso de remodelación y transformación del espacio funcional y social, presentado como una solución a los problemas de movilidad. También en Venezuela, como en otras partes, la evolución de la morfología social está relacionada con profundos cambios ocurridos en los sustratos físico-estructurales de las ciudades, que a su vez se vinculan con la dinámica de los procesos de globalización que nutren la dinámica interna de construcción y reconstrucción de esos espacios. SUMMARY The main purpose of this work deals with modeling processes of social space, using as a field of study the effects on urban morphology generated by the implementation of the transport system Transbarca Mass in the Venezuelan city of Barquisimeto. The research was based largely on theories of social morphology developed by sociologist E. Durkheim and developed primarily in the field of urban M. Halbwachs. They linked the social morphology with its substrate material, urban form, from a sociological perspective. Similarly conceptual categories are considered as fragmentation and segregation, as other approaches (M. Castells and Royals). The work is developed as an empirical methodology, performing quantitative analysis of the phenomena that are considered indicative (the housing market, for example) and checking its relation to the qualification of urban space which include remodeling processes resulting from the centrality the implementation of mass transportation. From this perspective, collective transport solution acquires a dimension that transcends its role as a cornerstone for the functioning of the modern city growing, regardless of who is able to offer a solution to this challenge, to become an instrument of City management affecting the social and urban morphology, reflecting profound alterations in the city center itself, which implies a redistribution of social groups in the city renovated space: a process of renovation and transformation of social and functional space presented as a solution to mobility problems. Also in Venezuela, as elsewhere, the development of social morphology is associated with profound changes in the physical and structural substrates of cities, which in turn are linked to the dynamics of globalization processes that nourish the internal dynamics construction and reconstruction of these areas.

El fitness como factor determinante en el riesgo de discapacidad, su relación con la composición corporal y el estado cognitivo en población mayor institucionalizada y de vida independiente = Fitness as a determinant factor in the risk of disability, and its relationship to body composition and cognitive status in institutionalized elderly population and independent living

La condición física, o como mejor se la conoce hoy en día el “fitness”, es una variable que está cobrando gran protagonismo, especialmente desde la perspectiva de la salud. La mejora de la calidad de vida que se ha experimentado en los últimos años en las sociedades desarrolladas, conlleva un aumento de la esperanza de vida, lo que hace que cada vez más personas vivan más años. Este rápido crecimiento de la población mayor de 60 años hace que, un grupo poblacional prácticamente olvidado desde el punto de vista de la investigación científica en el campo de la actividad física y del deporte, cobre gran relevancia, con el fin de poder ayudar a alcanzar el dicho “no se trata de aportar años a la vida sino vida a lo años”. La presente memoria de Tesis Doctoral tiene como principal objetivo valorar los niveles de fitness en población mayor española, además de analizar la relación existente entre el fitness, sus condicionantes y otros aspectos de la salud, tales como la composición corporal y el estado cognitivo. Entendemos que para poder establecer futuras políticas de salud pública en relación a la actividad física y el envejecimiento activo es necesario conocer cuáles son los niveles de partida de la población mayor en España y sus condicionantes. El trabajo está basado en los datos del estudio multicéntrico EXERNET (Estudio Multi-céntrico para la Evaluación de los Niveles de Condición Física y su relación con Estilos de Vida Saludables en población mayor española no institucionalizada), así como en los datos de dos estudios, llevados a cabo en población mayor institucionalizada. Se han analizado un total de 3136 mayores de vida independiente, procedentes de 6 comunidades autónomas, y 153 mayores institucionalizados en residencias de la Comunidad de Madrid. Los principales resultados de esta tesis son los siguientes: a) Fueron establecidos los valores de referencia, así como las curvas de percentiles, para cada uno de los test de fitness, de acuerdo a la edad y al sexo, en población mayor española de vida independiente y no institucionalizada. b) Los varones obtuvieron mejores niveles de fitness que las mujeres, excepto en los test de flexibilidad; existe una tendencia a disminuir la condición física en ambos sexos a medida que la edad aumenta. c) Niveles bajos de fitness funcional fueron asociados con un aumento en la percepción de problemas. d) El nivel mínimo de fitness funcional a partir del cual los mayores perciben problemas en sus actividades de la vida diaria (AVD) es similar en ambos sexos. e) Niveles elevados de fitness fueron asociados con un menor riesgo de sufrir obesidad sarcopénica y con una mejor salud percibida en los mayores. f) Las personas mayores con obesidad sarcopénica tienen menor capacidad funcional que las personas mayores sanas. g) Niveles elevados de fuerza fueron asociados con un mejor estado cognitivo siendo el estado cognitivo la variable que más influye en el deterioro de la fuerza, incluso más que el sexo y la edad. ABSTRACT Fitness is a variable that is gaining in prominence, especially from the health perspective. Improvement of life quality that has been experienced in the last few years in developed countries, leads to an expanded life expectancy, increasing the numbers of people living longer. This population consisting of people of over 60 years, an almost forgotten population group from the point of view of scientific research in the field of physical activity and sport, is becoming increasingly important, with the main aim of helping to achieve the saying “do not only add years to life, but also add life to years”. The principal aim of the current thesis was to assess physical fitness levels in Spanish elderly people, of over 65 years, analyzing relationship between physical fitness, its determinants, and other aspects of health such as body composition and cognitive status. In order to establish further public health policies in relation to physical activity and active ageing it is necessary to identify the starting physical fitness levels of the Spanish population and their determinants. The work is based on data from the EXERNET multi-center study ("Multi-center Study for the Evaluation of Fitness levels and their relationship to Healthy Lifestyles in noninstitutionalized Spanish elderly"), and on data from two studies conducted in institutionalized elderly people: a total of 3136 non-institutionalized elderly, from 6 Regions of Spain, and 153 institutionalized elderly in nursing homes of Madrid. The main outcomes of this thesis are: a) sex- and age-specific physical fitness normative values and percentile curves for independent and non-institutionalized Spanish elderly were established. b) Greater physical fitness was present in the elderly men than in women, except for the flexibility test, and a trend toward decreased physical fitness in both sexes as their age increased. c) Lower levels of functional fitness were associated with increased perceived problems. d) The minimum functional fitness level at which older adults perceive problems in their ADLs, is similar for both sexes e) Higher levels of physical fitness were associated with a reduced risk of suffering sarcopenic obesity and better perceived health among the elderly. f) The elderly with sarcopenic obesity have lower physical functioning than healthy counterparts. g) Higher strength values were associated with better cognitive status with cognitive status being the most influencing variable in strength deterioration even more than sex and age.

Definición e implementación de métricas objetivas para la evaluación funcional del miembro superior: aplicación a población con lesión medular cervical

En personas que padecen una Lesión Medular cervical, la función de los miembros superiores se ve afectada en mayor o menor medida, dependiendo fundamentalmente del nivel de la lesión y de la severidad de la misma. El déficit en la función del miembro superior hace que la autonomía e independencia de las personas se vea reducida en la ejecución de Actividades de la Vida Diaria. En el entorno clínico, la valoración de la función del miembro superior se realiza principalmente con escalas clínicas. Algunas de ellas valoran el nivel de dependencia o independencia en la ejecución de Actividades de la Vida Diaria, como, por ejemplo, el índice de Barthel y la escala FIM (Medida de la Independencia Funcional). Otras escalas, como Jebsen-Taylor Hand Function, miden la función del miembro superior valorando la destreza y la habilidad en la ejecución de determinadas tareas funcionales. Estas escalas son generales, es decir, se pueden aplicar a distintas poblaciones de sujetos y a la presencia de distintas patologías. Sin embargo, existen otras escalas desarrolladas específicamente para valorar una patología concreta, con el objetivo de hacer las evaluaciones funcionales más sensibles a cambios. Un ejemplo es la escala Spinal Cord Independence Measure (SCIM), desarrollada para valorar Lesión Medular. Las escalas clínicas son instrumentos de medida estandarizados, válidos para su uso en el entorno clínico porque se han validado en muestras grandes de pacientes. No obstante, suelen poseer una elevada componente de subjetividad que depende principalmente de la persona que puntúa el test. Otro aspecto a tener en cuenta, es que la sensibilidad de las escalas es alta, fundamentalmente, a cambios groseros en el estado de salud o en la función del miembro superior, de forma que cambios sutiles en el sujeto pueden no ser detectados. Además, en ocasiones, poseen saturaciones en el sistema de puntuación, de forma que mejorías que se puedan producir por encima de un determinado umbral no son detectadas. En definitiva, estas limitaciones hacen que las escalas clínicas no sean suficientes, por sí mismas, para evaluar estrategias motoras del miembro superior durante la ejecución de movimientos funcionales, siendo necesaria la búsqueda de instrumentos de medida que aporten objetividad, complementen las valoraciones y, al mismo tiempo, intenten solventar las limitaciones que poseen las escalas. Los estudios biomecánicos son ejemplos de métodos objetivos, en los que diversas tecnologías se pueden utilizar para recoger información de los sujetos. Una concreción de estos estudios son los estudios cinemáticos. Mediante tecnología optoelectrónica, inercial o electromagnética, estos estudios proporcionan información objetiva acerca del movimiento realizado por los sujetos, durante la ejecución de tareas concretas. Estos sistemas de medida proporcionan grandes cantidades de datos que carecen de una interpretación inmediata. Estos datos necesariamente deben ser tratados y reducidos a un conjunto de variables que, a priori, posean una interpretación más sencilla para ser utilizados en la práctica clínica. Estas han sido las principales motivaciones de esta investigación. El objetivo principal fue proponer un conjunto de índices cinemáticos que, de forma objetiva, valoren la función del miembro superior; y validar los índices propuestos en poblaciones con Lesión Medular, para su uso como instrumentos de valoración en el entorno clínico. Esta tesis se enmarca dentro de un proyecto de investigación: HYPER (Hybrid Neuroprosthetic and Neurorobotic Devices for Functional Compensation and Rehabilitation of Motor Disorders, referencia CSD2009-00067 CONSOLIDER INGENIO 2010). Dentro de este proyecto se lleva a cabo investigación en el desarrollo de modelos, para determinar los requisitos biomecánicos y los patrones de movimiento de los miembros superiores en sujetos sanos y personas con lesión medular. Además, se realiza investigación en la propuesta de nuevos instrumentos de evaluación funcional en el campo de la rehabilitación de los miembros superiores. ABSTRACT In people who have suffered a cervical Spinal Cord Injury, upper limbs function is affected to a greater or lesser extent, depending primarily on the level of the injury and the severity of it. The deficit in the upper limb function reduces the autonomy and independence of persons in the execution of Activities of Daily Living. In the clinical setting, assessment of upper limb function is mainly performed based on clinical scales. Some value the level of dependence or independence in performing activities of daily living, such as the Barthel Index and the FIM scale (Functional Independence Measure). Other scales, such as the Jebsen-Taylor Hand Function, measure upper limb function in terms of the skill and ability to perform specific functional tasks. These scales are general, so can be applied to different populations of subjects and the presence of different pathologies. However, there are other scales developed for a specific injury, in order to make the functional assessments more sensitive to changes. An example is the Spinal Cord Independence Measure (SCIM), developed for people with Spinal Cord Injury. The clinical scales are standardized instruments measure, valid for use in the clinical setting because they have been validated in large patient samples. However, they usually have a high level of subjectivity which mainly depends on the person who scores the test. Another aspect to take into account is the high sensitivity of the scales mainly to gross changes in the health status or upper limb function, so that subtle changes in the subject may not be detected. Moreover, sometimes, have saturations in the scoring system, so that improvements which may occur above a certain threshold are not detected. For these reasons, clinical scales are not enough, by themselves, to assess motor strategies used during movements. So, it’s necessary to find measure instruments that provide objectivity, supplement the assessments and, at the same time, solving the limitations that scales have. Biomechanical studies are examples of objective methods, in which several technologies can be used to collect information from the subjects. One kind of these studies is the kinematic movement analysis. By means of optoelectronics, inertial and electromagnetic technology, these studies provide objective information about the movement performed by the subjects during the execution of specific tasks. These systems provide large quantities of data without easy and intuitive interpretation. These data must necessarily be treated and reduced to a set of variables that, a priori, having a simpler interpretation for their use in the clinical practice. These were the main motivations of this research. The main objective was to propose a set of kinematic indices, or metrics that, objectively, assess the upper limb function and validate the proposed rates in populations with Spinal Cord Injury, for use as assessment tools in the clinical setting. This dissertation is framed within a research project: HYPER (Neurorobotic Devices for Functional Compensation and Rehabilitation of Motor Disorders, grant CSD2009- 00067 CONSOLIDER INGENIO 2010). Within this research project, research is conducted in relation to the biomechanical models development for determining the biomechanical requirements and movement patterns of the upper limb in healthy and people with Spinal Cord Injury. Moreover, research is conducted with respect to the proposed of new functional assessment instruments in the field of upper limb rehabilitation.