Vision-based vehicle detection and tracking with a mobile camera using a statistical framework

En esta tesis se aborda la detección y el seguimiento automático de vehículos mediante técnicas de visión artificial con una cámara monocular embarcada. Este problema ha suscitado un gran interés por parte de la industria automovilística y de la comunidad científica ya que supone el primer paso en aras de la ayuda a la conducción, la prevención de accidentes y, en última instancia, la conducción automática. A pesar de que se le ha dedicado mucho esfuerzo en los últimos años, de momento no se ha encontrado ninguna solución completamente satisfactoria y por lo tanto continúa siendo un tema de investigación abierto. Los principales problemas que plantean la detección y seguimiento mediante visión artificial son la gran variabilidad entre vehículos, un fondo que cambia dinámicamente debido al movimiento de la cámara, y la necesidad de operar en tiempo real. En este contexto, esta tesis propone un marco unificado para la detección y seguimiento de vehículos que afronta los problemas descritos mediante un enfoque estadístico. El marco se compone de tres grandes bloques, i.e., generación de hipótesis, verificación de hipótesis, y seguimiento de vehículos, que se llevan a cabo de manera secuencial. No obstante, se potencia el intercambio de información entre los diferentes bloques con objeto de obtener el máximo grado posible de adaptación a cambios en el entorno y de reducir el coste computacional. Para abordar la primera tarea de generación de hipótesis, se proponen dos métodos complementarios basados respectivamente en el análisis de la apariencia y la geometría de la escena. Para ello resulta especialmente interesante el uso de un dominio transformado en el que se elimina la perspectiva de la imagen original, puesto que este dominio permite una búsqueda rápida dentro de la imagen y por tanto una generación eficiente de hipótesis de localización de los vehículos. Los candidatos finales se obtienen por medio de un marco colaborativo entre el dominio original y el dominio transformado. Para la verificación de hipótesis se adopta un método de aprendizaje supervisado. Así, se evalúan algunos de los métodos de extracción de características más populares y se proponen nuevos descriptores con arreglo al conocimiento de la apariencia de los vehículos. Para evaluar la efectividad en la tarea de clasificación de estos descriptores, y dado que no existen bases de datos públicas que se adapten al problema descrito, se ha generado una nueva base de datos sobre la que se han realizado pruebas masivas. Finalmente, se presenta una metodología para la fusión de los diferentes clasificadores y se plantea una discusión sobre las combinaciones que ofrecen los mejores resultados. El núcleo del marco propuesto está constituido por un método Bayesiano de seguimiento basado en filtros de partículas. Se plantean contribuciones en los tres elementos fundamentales de estos filtros: el algoritmo de inferencia, el modelo dinámico y el modelo de observación. En concreto, se propone el uso de un método de muestreo basado en MCMC que evita el elevado coste computacional de los filtros de partículas tradicionales y por consiguiente permite que el modelado conjunto de múltiples vehículos sea computacionalmente viable. Por otra parte, el dominio transformado mencionado anteriormente permite la definición de un modelo dinámico de velocidad constante ya que se preserva el movimiento suave de los vehículos en autopistas. Por último, se propone un modelo de observación que integra diferentes características. En particular, además de la apariencia de los vehículos, el modelo tiene en cuenta también toda la información recibida de los bloques de procesamiento previos. El método propuesto se ejecuta en tiempo real en un ordenador de propósito general y da unos resultados sobresalientes en comparación con los métodos tradicionales. ABSTRACT This thesis addresses on-road vehicle detection and tracking with a monocular vision system. This problem has attracted the attention of the automotive industry and the research community as it is the first step for driver assistance and collision avoidance systems and for eventual autonomous driving. Although many effort has been devoted to address it in recent years, no satisfactory solution has yet been devised and thus it is an active research issue. The main challenges for vision-based vehicle detection and tracking are the high variability among vehicles, the dynamically changing background due to camera motion and the real-time processing requirement. In this thesis, a unified approach using statistical methods is presented for vehicle detection and tracking that tackles these issues. The approach is divided into three primary tasks, i.e., vehicle hypothesis generation, hypothesis verification, and vehicle tracking, which are performed sequentially. Nevertheless, the exchange of information between processing blocks is fostered so that the maximum degree of adaptation to changes in the environment can be achieved and the computational cost is alleviated. Two complementary strategies are proposed to address the first task, i.e., hypothesis generation, based respectively on appearance and geometry analysis. To this end, the use of a rectified domain in which the perspective is removed from the original image is especially interesting, as it allows for fast image scanning and coarse hypothesis generation. The final vehicle candidates are produced using a collaborative framework between the original and the rectified domains. A supervised classification strategy is adopted for the verification of the hypothesized vehicle locations. In particular, state-of-the-art methods for feature extraction are evaluated and new descriptors are proposed by exploiting the knowledge on vehicle appearance. Due to the lack of appropriate public databases, a new database is generated and the classification performance of the descriptors is extensively tested on it. Finally, a methodology for the fusion of the different classifiers is presented and the best combinations are discussed. The core of the proposed approach is a Bayesian tracking framework using particle filters. Contributions are made on its three key elements: the inference algorithm, the dynamic model and the observation model. In particular, the use of a Markov chain Monte Carlo method is proposed for sampling, which circumvents the exponential complexity increase of traditional particle filters thus making joint multiple vehicle tracking affordable. On the other hand, the aforementioned rectified domain allows for the definition of a constant-velocity dynamic model since it preserves the smooth motion of vehicles in highways. Finally, a multiple-cue observation model is proposed that not only accounts for vehicle appearance but also integrates the available information from the analysis in the previous blocks. The proposed approach is proven to run near real-time in a general purpose PC and to deliver outstanding results compared to traditional methods.

Automated wordlength optimization framework for multi-source statistical interval-based analysis of nonlinear systems with control-flow structures

El uso de aritmética de punto fijo es una opción de diseño muy extendida en sistemas con fuertes restricciones de área, consumo o rendimiento. Para producir implementaciones donde los costes se minimicen sin impactar negativamente en la precisión de los resultados debemos llevar a cabo una asignación cuidadosa de anchuras de palabra. Encontrar la combinación óptima de anchuras de palabra en coma fija para un sistema dado es un problema combinatorio NP-hard al que los diseñadores dedican entre el 25 y el 50 % del ciclo de diseño. Las plataformas hardware reconfigurables, como son las FPGAs, también se benefician de las ventajas que ofrece la aritmética de coma fija, ya que éstas compensan las frecuencias de reloj más bajas y el uso más ineficiente del hardware que hacen estas plataformas respecto a los ASICs. A medida que las FPGAs se popularizan para su uso en computación científica los diseños aumentan de tamaño y complejidad hasta llegar al punto en que no pueden ser manejados eficientemente por las técnicas actuales de modelado de señal y ruido de cuantificación y de optimización de anchura de palabra. En esta Tesis Doctoral exploramos distintos aspectos del problema de la cuantificación y presentamos nuevas metodologías para cada uno de ellos: Las técnicas basadas en extensiones de intervalos han permitido obtener modelos de propagación de señal y ruido de cuantificación muy precisos en sistemas con operaciones no lineales. Nosotros llevamos esta aproximación un paso más allá introduciendo elementos de Multi-Element Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) y combinándolos con una técnica moderna basada en Modified Affine Arithmetic (MAA) estadístico para así modelar sistemas que contienen estructuras de control de flujo. Nuestra metodología genera los distintos caminos de ejecución automáticamente, determina las regiones del dominio de entrada que ejercitarán cada uno de ellos y extrae los momentos estadísticos del sistema a partir de dichas soluciones parciales. Utilizamos esta técnica para estimar tanto el rango dinámico como el ruido de redondeo en sistemas con las ya mencionadas estructuras de control de flujo y mostramos la precisión de nuestra aproximación, que en determinados casos de uso con operadores no lineales llega a tener tan solo una desviación del 0.04% con respecto a los valores de referencia obtenidos mediante simulación. Un inconveniente conocido de las técnicas basadas en extensiones de intervalos es la explosión combinacional de términos a medida que el tamaño de los sistemas a estudiar crece, lo cual conlleva problemas de escalabilidad. Para afrontar este problema presen tamos una técnica de inyección de ruidos agrupados que hace grupos con las señales del sistema, introduce las fuentes de ruido para cada uno de los grupos por separado y finalmente combina los resultados de cada uno de ellos. De esta forma, el número de fuentes de ruido queda controlado en cada momento y, debido a ello, la explosión combinatoria se minimiza. También presentamos un algoritmo de particionado multi-vía destinado a minimizar la desviación de los resultados a causa de la pérdida de correlación entre términos de ruido con el objetivo de mantener los resultados tan precisos como sea posible. La presente Tesis Doctoral también aborda el desarrollo de metodologías de optimización de anchura de palabra basadas en simulaciones de Monte-Cario que se ejecuten en tiempos razonables. Para ello presentamos dos nuevas técnicas que exploran la reducción del tiempo de ejecución desde distintos ángulos: En primer lugar, el método interpolativo aplica un interpolador sencillo pero preciso para estimar la sensibilidad de cada señal, y que es usado después durante la etapa de optimización. En segundo lugar, el método incremental gira en torno al hecho de que, aunque es estrictamente necesario mantener un intervalo de confianza dado para los resultados finales de nuestra búsqueda, podemos emplear niveles de confianza más relajados, lo cual deriva en un menor número de pruebas por simulación, en las etapas iniciales de la búsqueda, cuando todavía estamos lejos de las soluciones optimizadas. Mediante estas dos aproximaciones demostramos que podemos acelerar el tiempo de ejecución de los algoritmos clásicos de búsqueda voraz en factores de hasta x240 para problemas de tamaño pequeño/mediano. Finalmente, este libro presenta HOPLITE, una infraestructura de cuantificación automatizada, flexible y modular que incluye la implementación de las técnicas anteriores y se proporciona de forma pública. Su objetivo es ofrecer a desabolladores e investigadores un entorno común para prototipar y verificar nuevas metodologías de cuantificación de forma sencilla. Describimos el flujo de trabajo, justificamos las decisiones de diseño tomadas, explicamos su API pública y hacemos una demostración paso a paso de su funcionamiento. Además mostramos, a través de un ejemplo sencillo, la forma en que conectar nuevas extensiones a la herramienta con las interfaces ya existentes para poder así expandir y mejorar las capacidades de HOPLITE. ABSTRACT Using fixed-point arithmetic is one of the most common design choices for systems where area, power or throughput are heavily constrained. In order to produce implementations where the cost is minimized without negatively impacting the accuracy of the results, a careful assignment of word-lengths is required. The problem of finding the optimal combination of fixed-point word-lengths for a given system is a combinatorial NP-hard problem to which developers devote between 25 and 50% of the design-cycle time. Reconfigurable hardware platforms such as FPGAs also benefit of the advantages of fixed-point arithmetic, as it compensates for the slower clock frequencies and less efficient area utilization of the hardware platform with respect to ASICs. As FPGAs become commonly used for scientific computation, designs constantly grow larger and more complex, up to the point where they cannot be handled efficiently by current signal and quantization noise modelling and word-length optimization methodologies. In this Ph.D. Thesis we explore different aspects of the quantization problem and we present new methodologies for each of them: The techniques based on extensions of intervals have allowed to obtain accurate models of the signal and quantization noise propagation in systems with non-linear operations. We take this approach a step further by introducing elements of MultiElement Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) and combining them with an stateof- the-art Statistical Modified Affine Arithmetic (MAA) based methodology in order to model systems that contain control-flow structures. Our methodology produces the different execution paths automatically, determines the regions of the input domain that will exercise them, and extracts the system statistical moments from the partial results. We use this technique to estimate both the dynamic range and the round-off noise in systems with the aforementioned control-flow structures. We show the good accuracy of our approach, which in some case studies with non-linear operators shows a 0.04 % deviation respect to the simulation-based reference values. A known drawback of the techniques based on extensions of intervals is the combinatorial explosion of terms as the size of the targeted systems grows, which leads to scalability problems. To address this issue we present a clustered noise injection technique that groups the signals in the system, introduces the noise terms in each group independently and then combines the results at the end. In this way, the number of noise sources in the system at a given time is controlled and, because of this, the combinato rial explosion is minimized. We also present a multi-way partitioning algorithm aimed at minimizing the deviation of the results due to the loss of correlation between noise terms, in order to keep the results as accurate as possible. This Ph.D. Thesis also covers the development of methodologies for word-length optimization based on Monte-Carlo simulations in reasonable times. We do so by presenting two novel techniques that explore the reduction of the execution times approaching the problem in two different ways: First, the interpolative method applies a simple but precise interpolator to estimate the sensitivity of each signal, which is later used to guide the optimization effort. Second, the incremental method revolves on the fact that, although we strictly need to guarantee a certain confidence level in the simulations for the final results of the optimization process, we can do it with more relaxed levels, which in turn implies using a considerably smaller amount of samples, in the initial stages of the process, when we are still far from the optimized solution. Through these two approaches we demonstrate that the execution time of classical greedy techniques can be accelerated by factors of up to ×240 for small/medium sized problems. Finally, this book introduces HOPLITE, an automated, flexible and modular framework for quantization that includes the implementation of the previous techniques and is provided for public access. The aim is to offer a common ground for developers and researches for prototyping and verifying new techniques for system modelling and word-length optimization easily. We describe its work flow, justifying the taken design decisions, explain its public API and we do a step-by-step demonstration of its execution. We also show, through an example, the way new extensions to the flow should be connected to the existing interfaces in order to expand and improve the capabilities of HOPLITE.

Variational Stereo Imaging of Oceanic Waves with Statistical Constraints

An image processing observational technique for the stereoscopic reconstruction of the wave form of oceanic sea states is developed. The technique incorporates the enforcement of any given statistical wave law modeling the quasi Gaussianity of oceanic waves observed in nature. The problem is posed in a variational optimization framework, where the desired wave form is obtained as the minimizer of a cost functional that combines image observations, smoothness priors and a weak statistical constraint. The minimizer is obtained combining gradient descent and multigrid methods on the necessary optimality equations of the cost functional. Robust photometric error criteria and a spatial intensity compensation model are also developed to improve the performance of the presented image matching strategy. The weak statistical constraint is thoroughly evaluated in combination with other elements presented to reconstruct and enforce constraints on experimental stereo data, demonstrating the improvement in the estimation of the observed ocean surface.

Conceptual framework for the design, implementation and validation of psychomotor skills’ assessment systems in minimally invasive surgery

Las técnicas de cirugía de mínima invasión (CMI) se están consolidando hoy en día como alternativa a la cirugía tradicional, debido a sus numerosos beneficios para los pacientes. Este cambio de paradigma implica que los cirujanos deben aprender una serie de habilidades distintas de aquellas requeridas en cirugía abierta. El entrenamiento y evaluación de estas habilidades se ha convertido en una de las mayores preocupaciones en los programas de formación de cirujanos, debido en gran parte a la presión de una sociedad que exige cirujanos bien preparados y una reducción en el número de errores médicos. Por tanto, se está prestando especial atención a la definición de nuevos programas que permitan el entrenamiento y la evaluación de las habilidades psicomotoras en entornos seguros antes de que los nuevos cirujanos puedan operar sobre pacientes reales. Para tal fin, hospitales y centros de formación están gradualmente incorporando instalaciones de entrenamiento donde los residentes puedan practicar y aprender sin riesgos. Es cada vez más común que estos laboratorios dispongan de simuladores virtuales o simuladores físicos capaces de registrar los movimientos del instrumental de cada residente. Estos simuladores ofrecen una gran variedad de tareas de entrenamiento y evaluación, así como la posibilidad de obtener información objetiva de los ejercicios. Los diferentes estudios de validación llevados a cabo dan muestra de su utilidad; pese a todo, los niveles de evidencia presentados son en muchas ocasiones insuficientes. Lo que es más importante, no existe un consenso claro a la hora de definir qué métricas son más útiles para caracterizar la pericia quirúrgica. El objetivo de esta tesis doctoral es diseñar y validar un marco de trabajo conceptual para la definición y validación de entornos para la evaluación de habilidades en CMI, en base a un modelo en tres fases: pedagógica (tareas y métricas a emplear), tecnológica (tecnologías de adquisición de métricas) y analítica (interpretación de la competencia en base a las métricas). Para tal fin, se describe la implementación práctica de un entorno basado en (1) un sistema de seguimiento de instrumental fundamentado en el análisis del vídeo laparoscópico; y (2) la determinación de la pericia en base a métricas de movimiento del instrumental. Para la fase pedagógica se diseñó e implementó un conjunto de tareas para la evaluación de habilidades psicomotoras básicas, así como una serie de métricas de movimiento. La validación de construcción llevada a cabo sobre ellas mostró buenos resultados para tiempo, camino recorrido, profundidad, velocidad media, aceleración media, economía de área y economía de volumen. Adicionalmente, los resultados obtenidos en la validación de apariencia fueron en general positivos en todos los grupos considerados (noveles, residentes, expertos). Para la fase tecnológica, se introdujo el EVA Tracking System, una solución para el seguimiento del instrumental quirúrgico basado en el análisis del vídeo endoscópico. La precisión del sistema se evaluó a 16,33ppRMS para el seguimiento 2D de la herramienta en la imagen; y a 13mmRMS para el seguimiento espacial de la misma. La validación de construcción con una de las tareas de evaluación mostró buenos resultados para tiempo, camino recorrido, profundidad, velocidad media, aceleración media, economía de área y economía de volumen. La validación concurrente con el TrEndo® Tracking System por su parte presentó valores altos de correlación para 8 de las 9 métricas analizadas. Finalmente, para la fase analítica se comparó el comportamiento de tres clasificadores supervisados a la hora de determinar automáticamente la pericia quirúrgica en base a la información de movimiento del instrumental, basados en aproximaciones lineales (análisis lineal discriminante, LDA), no lineales (máquinas de soporte vectorial, SVM) y difusas (sistemas adaptativos de inferencia neurodifusa, ANFIS). Los resultados muestran que en media SVM presenta un comportamiento ligeramente superior: 78,2% frente a los 71% y 71,7% obtenidos por ANFIS y LDA respectivamente. Sin embargo las diferencias estadísticas medidas entre los tres no fueron demostradas significativas. En general, esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas relativas a la definición de sistemas de evaluación de habilidades para cirugía de mínima invasión, a la utilidad del análisis de vídeo como fuente de información y a la importancia de la información de movimiento de instrumental a la hora de caracterizar la pericia quirúrgica. Basándose en estos cimientos, se han de abrir nuevos campos de investigación que contribuyan a la definición de programas de formación estructurados y objetivos, que puedan garantizar la acreditación de cirujanos sobradamente preparados y promocionen la seguridad del paciente en el quirófano. Abstract Minimally invasive surgery (MIS) techniques have become a standard in many surgical sub-specialties, due to their many benefits for patients. However, this shift in paradigm implies that surgeons must acquire a complete different set of skills than those normally attributed to open surgery. Training and assessment of these skills has become a major concern in surgical learning programmes, especially considering the social demand for better-prepared professionals and for the decrease of medical errors. Therefore, much effort is being put in the definition of structured MIS learning programmes, where practice with real patients in the operating room (OR) can be delayed until the resident can attest for a minimum level of psychomotor competence. To this end, skills’ laboratory settings are being introduced in hospitals and training centres where residents may practice and be assessed on their psychomotor skills. Technological advances in the field of tracking technologies and virtual reality (VR) have enabled the creation of new learning systems such as VR simulators or enhanced box trainers. These systems offer a wide range of tasks, as well as the capability of registering objective data on the trainees’ performance. Validation studies give proof of their usefulness; however, levels of evidence reported are in many cases low. More importantly, there is still no clear consensus on topics such as the optimal metrics that must be used to assess competence, the validity of VR simulation, the portability of tracking technologies into real surgeries (for advanced assessment) or the degree to which the skills measured and obtained in laboratory environments transfer to the OR. The purpose of this PhD is to design and validate a conceptual framework for the definition and validation of MIS assessment environments based on a three-pillared model defining three main stages: pedagogical (tasks and metrics to employ), technological (metric acquisition technologies) and analytical (interpretation of competence based on metrics). To this end, a practical implementation of the framework is presented, focused on (1) a video-based tracking system and (2) the determination of surgical competence based on the laparoscopic instruments’ motionrelated data. The pedagogical stage’s results led to the design and implementation of a set of basic tasks for MIS psychomotor skills’ assessment, as well as the definition of motion analysis parameters (MAPs) to measure performance on said tasks. Validation yielded good construct results for parameters such as time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area and economy of volume. Additionally, face validation results showed positive acceptance on behalf of the experts, residents and novices. For the technological stage the EVA Tracking System is introduced. EVA provides a solution for tracking laparoscopic instruments from the analysis of the monoscopic video image. Accuracy tests for the system are presented, which yielded an average RMSE of 16.33pp for 2D tracking of the instrument on the image and of 13mm for 3D spatial tracking. A validation experiment was conducted using one of the tasks and the most relevant MAPs. Construct validation showed significant differences for time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area and economy of volume; especially between novices and residents/experts. More importantly, concurrent validation with the TrEndo® Tracking System presented high correlation values (>0.7) for 8 of the 9 MAPs proposed. Finally, the analytical stage allowed comparing the performance of three different supervised classification strategies in the determination of surgical competence based on motion-related information. The three classifiers were based on linear (linear discriminant analysis, LDA), non-linear (support vector machines, SVM) and fuzzy (adaptive neuro fuzzy inference systems, ANFIS) approaches. Results for SVM show slightly better performance than the other two classifiers: on average, accuracy for LDA, SVM and ANFIS was of 71.7%, 78.2% and 71% respectively. However, when confronted, no statistical significance was found between any of the three. Overall, this PhD corroborates the investigated research hypotheses regarding the definition of MIS assessment systems, the use of endoscopic video analysis as the main source of information and the relevance of motion analysis in the determination of surgical competence. New research fields in the training and assessment of MIS surgeons can be proposed based on these foundations, in order to contribute to the definition of structured and objective learning programmes that guarantee the accreditation of well-prepared professionals and the promotion of patient safety in the OR.

A mathematical framework for new fault detection schemes in nonlinear stochastic continuous-time dynamical systems

n this work, a mathematical unifying framework for designing new fault detection schemes in nonlinear stochastic continuous-time dynamical systems is developed. These schemes are based on a stochastic process, called the residual, which reflects the system behavior and whose changes are to be detected. A quickest detection scheme for the residual is proposed, which is based on the computed likelihood ratios for time-varying statistical changes in the Ornstein–Uhlenbeck process. Several expressions are provided, depending on a priori knowledge of the fault, which can be employed in a proposed CUSUM-type approximated scheme. This general setting gathers different existing fault detection schemes within a unifying framework, and allows for the definition of new ones. A comparative simulation example illustrates the behavior of the proposed schemes.

Statistical models for short-term wind power ramp forecasting

La predicción de energía eólica ha desempeñado en la última década un papel fundamental en el aprovechamiento de este recurso renovable, ya que permite reducir el impacto que tiene la naturaleza fluctuante del viento en la actividad de diversos agentes implicados en su integración, tales como el operador del sistema o los agentes del mercado eléctrico. Los altos niveles de penetración eólica alcanzados recientemente por algunos países han puesto de manifiesto la necesidad de mejorar las predicciones durante eventos en los que se experimenta una variación importante de la potencia generada por un parque o un conjunto de ellos en un tiempo relativamente corto (del orden de unas pocas horas). Estos eventos, conocidos como rampas, no tienen una única causa, ya que pueden estar motivados por procesos meteorológicos que se dan en muy diferentes escalas espacio-temporales, desde el paso de grandes frentes en la macroescala a procesos convectivos locales como tormentas. Además, el propio proceso de conversión del viento en energía eléctrica juega un papel relevante en la ocurrencia de rampas debido, entre otros factores, a la relación no lineal que impone la curva de potencia del aerogenerador, la desalineación de la máquina con respecto al viento y la interacción aerodinámica entre aerogeneradores. En este trabajo se aborda la aplicación de modelos estadísticos a la predicción de rampas a muy corto plazo. Además, se investiga la relación de este tipo de eventos con procesos atmosféricos en la macroescala. Los modelos se emplean para generar predicciones de punto a partir del modelado estocástico de una serie temporal de potencia generada por un parque eólico. Los horizontes de predicción considerados van de una a seis horas. Como primer paso, se ha elaborado una metodología para caracterizar rampas en series temporales. La denominada función-rampa está basada en la transformada wavelet y proporciona un índice en cada paso temporal. Este índice caracteriza la intensidad de rampa en base a los gradientes de potencia experimentados en un rango determinado de escalas temporales. Se han implementado tres tipos de modelos predictivos de cara a evaluar el papel que juega la complejidad de un modelo en su desempeño: modelos lineales autorregresivos (AR), modelos de coeficientes variables (VCMs) y modelos basado en redes neuronales (ANNs). Los modelos se han entrenado en base a la minimización del error cuadrático medio y la configuración de cada uno de ellos se ha determinado mediante validación cruzada. De cara a analizar la contribución del estado macroescalar de la atmósfera en la predicción de rampas, se ha propuesto una metodología que permite extraer, a partir de las salidas de modelos meteorológicos, información relevante para explicar la ocurrencia de estos eventos. La metodología se basa en el análisis de componentes principales (PCA) para la síntesis de la datos de la atmósfera y en el uso de la información mutua (MI) para estimar la dependencia no lineal entre dos señales. Esta metodología se ha aplicado a datos de reanálisis generados con un modelo de circulación general (GCM) de cara a generar variables exógenas que posteriormente se han introducido en los modelos predictivos. Los casos de estudio considerados corresponden a dos parques eólicos ubicados en España. Los resultados muestran que el modelado de la serie de potencias permitió una mejora notable con respecto al modelo predictivo de referencia (la persistencia) y que al añadir información de la macroescala se obtuvieron mejoras adicionales del mismo orden. Estas mejoras resultaron mayores para el caso de rampas de bajada. Los resultados también indican distintos grados de conexión entre la macroescala y la ocurrencia de rampas en los dos parques considerados. Abstract One of the main drawbacks of wind energy is that it exhibits intermittent generation greatly depending on environmental conditions. Wind power forecasting has proven to be an effective tool for facilitating wind power integration from both the technical and the economical perspective. Indeed, system operators and energy traders benefit from the use of forecasting techniques, because the reduction of the inherent uncertainty of wind power allows them the adoption of optimal decisions. Wind power integration imposes new challenges as higher wind penetration levels are attained. Wind power ramp forecasting is an example of such a recent topic of interest. The term ramp makes reference to a large and rapid variation (1-4 hours) observed in the wind power output of a wind farm or portfolio. Ramp events can be motivated by a broad number of meteorological processes that occur at different time/spatial scales, from the passage of large-scale frontal systems to local processes such as thunderstorms and thermally-driven flows. Ramp events may also be conditioned by features related to the wind-to-power conversion process, such as yaw misalignment, the wind turbine shut-down and the aerodynamic interaction between wind turbines of a wind farm (wake effect). This work is devoted to wind power ramp forecasting, with special focus on the connection between the global scale and ramp events observed at the wind farm level. The framework of this study is the point-forecasting approach. Time series based models were implemented for very short-term prediction, this being characterised by prediction horizons up to six hours ahead. As a first step, a methodology to characterise ramps within a wind power time series was proposed. The so-called ramp function is based on the wavelet transform and it provides a continuous index related to the ramp intensity at each time step. The underlying idea is that ramps are characterised by high power output gradients evaluated under different time scales. A number of state-of-the-art time series based models were considered, namely linear autoregressive (AR) models, varying-coefficient models (VCMs) and artificial neural networks (ANNs). This allowed us to gain insights into how the complexity of the model contributes to the accuracy of the wind power time series modelling. The models were trained in base of a mean squared error criterion and the final set-up of each model was determined through cross-validation techniques. In order to investigate the contribution of the global scale into wind power ramp forecasting, a methodological proposal to identify features in atmospheric raw data that are relevant for explaining wind power ramp events was presented. The proposed methodology is based on two techniques: principal component analysis (PCA) for atmospheric data compression and mutual information (MI) for assessing non-linear dependence between variables. The methodology was applied to reanalysis data generated with a general circulation model (GCM). This allowed for the elaboration of explanatory variables meaningful for ramp forecasting that were utilized as exogenous variables by the forecasting models. The study covered two wind farms located in Spain. All the models outperformed the reference model (the persistence) during both ramp and non-ramp situations. Adding atmospheric information had a noticeable impact on the forecasting performance, specially during ramp-down events. Results also suggested different levels of connection between the ramp occurrence at the wind farm level and the global scale.

Statistical distributions obtained from the compression of monodisperse, soft and frictionless particles

The cyclic compression of several granular systems has been simulated with a molecular dynamics code. All the samples consisted of bidimensional, soft, frictionless and equal-sized particles that were initially arranged according to a squared lattice and were compressed by randomly generated irregular walls. The compression protocols can be described by some control variables (volume or external force acting on the walls) and by some dimensionless factors, that relate stiffness, density, diameter, damping ratio and water surface tension to the external forces, displacements and periods. Each protocol, that is associated to a dynamic process, results in an arrangement with its own macroscopic features: volume (or packing ratio), coordination number, and stress; and the differences between packings can be highly significant. The statistical distribution of the force-moment state of the particles (i.e. the equivalent average stress multiplied by the volume) is analyzed. In spite of the lack of a theoretical framework based on statistical mechanics specific for these protocols, it is shown how the obtained distributions of mean and relative deviatoric force-moment are. Then it is discussed on the nature of these distributions and on their relation to specific protocols.

Experimental and statistical investigation of canonical problems in sloshing

En hidrodinámica, el fenómeno de Sloshing se puede definir como el movimiento de la superficie libre de un fluido dentro de un contenedor sometido a fuerzas y perturbaciones externas. El fluido en cuestión experimenta violentos movimientos con importantes deformaciones de su superficie libre. La dinámica del fluido puede llegar a generar cargas hidrodinámicas considerables las cuales pueden afectar la integridad estructural y/o comprometer la estabilidad del vehículo que transporta dicho contenedor. El fenómeno de Sloshing ha sido extensivamente investigado matemática, numérica y experimentalmente, siendo el enfoque experimental el más usado debido a la complejidad del problema, para el cual los modelos matemáticos y de simulación son aun incapaces de predecir con suficiente rapidez y precisión las cargas debidas a dicho fenómeno. El flujo generado por el Sloshing usualmente se caracteriza por la presencia de un fluido multifase (gas-liquido) y turbulencia. Reducir al máximo posible la complejidad del fenómeno de Sloshing sin perder la esencia del problema es el principal reto de esta tesis doctoral, donde un trabajo experimental enfocado en casos canónicos de Sloshing es presentado y documentado con el objetivo de aumentar la comprensión de dicho fenómeno y por tanto intentar proveer información valiosa para validaciones de códigos numéricos. El fenómeno de Sloshing juega un papel importante en la industria del transporte marítimo de gas licuado (LNG). El mercado de LNG en los últimos años ha reportado un crecimiento hasta tres veces mayor al de los mercados de petróleo y gas convencionales. Ingenieros en laboratorios de investigación e ingenieros adscritos a la industria del LNG trabajan continuamente buscando soluciones económicas y seguras para contener, transferir y transportar grandes volúmenes de LNG. Los buques transportadores de LNG (LNGC) han pasado de ser unos pocos buques con capacidad de 75000 m3 hace unos treinta años, a una amplia flota con una capacidad de 140000 m3 actualmente. En creciente número, hoy día se construyen buques con capacidades que oscilan entre 175000 m3 y 250000 m3. Recientemente un nuevo concepto de buque LNG ha salido al mercado y se le conoce como FLNG. Un FLNG es un buque de gran valor añadido que solventa los problemas de extracción, licuefacción y almacenamiento del LNG, ya que cuenta con equipos de extracción y licuefacción a bordo, eliminando por tanto las tareas de transvase de las estaciones de licuefacción en tierra hacia los buques LNGC. EL LNG por tanto puede ser transferido directamente desde el FLNG hacia los buques LNGC en mar abierto. Niveles de llenado intermedios en combinación con oleaje durante las operaciones de trasvase inducen movimientos en los buques que generan por tanto el fenómeno de Sloshing dentro de los tanques de los FLNG y los LNGC. El trabajo de esta tesis doctoral lidia con algunos de los problemas del Sloshing desde un punto de vista experimental y estadístico, para ello una serie de tareas, descritas a continuación, se han llevado a cabo : 1. Un dispositivo experimental de Sloshing ha sido configurado. Dicho dispositivo ha permitido ensayar secciones rectangulares de tanques LNGC a escala con movimientos angulares de un grado de libertad. El dispositivo experimental ha sido instrumentado para realizar mediciones de movimiento, presiones, vibraciones y temperatura, así como la grabación de imágenes y videos. 2. Los impactos de olas generadas dentro de una sección rectangular de un LNGC sujeto a movimientos regulares forzados han sido estudiados mediante la caracterización del fenómeno desde un punto de vista estadístico enfocado en la repetitividad y la ergodicidad del problema. 3. El estudio de los impactos provocados por movimientos regulares ha sido extendido a un escenario más realístico mediante el uso de movimientos irregulares forzados. 4. El acoplamiento del Sloshing generado por el fluido en movimiento dentro del tanque LNGC y la disipación de la energía mecánica de un sistema no forzado de un grado de libertad (movimiento angular) sujeto a una excitación externa ha sido investigado. 5. En la última sección de esta tesis doctoral, la interacción entre el Sloshing generado dentro en una sección rectangular de un tanque LNGC sujeto a una excitación regular y un cuerpo elástico solidario al tanque ha sido estudiado. Dicho estudio corresponde a un problema de interacción fluido-estructura. Abstract In hydrodynamics, we refer to sloshing as the motion of liquids in containers subjected to external forces with large free-surface deformations. The liquid motion dynamics can generate loads which may affect the structural integrity of the container and the stability of the vehicle that carries such container. The prediction of these dynamic loads is a major challenge for engineers around the world working on the design of both the container and the vehicle. The sloshing phenomenon has been extensively investigated mathematically, numerically and experimentally. The latter has been the most fruitful so far, due to the complexity of the problem, for which the numerical and mathematical models are still incapable of accurately predicting the sloshing loads. The sloshing flows are usually characterised by the presence of multiphase interaction and turbulence. Reducing as much as possible the complexity of the sloshing problem without losing its essence is the main challenge of this phd thesis, where experimental work on selected canonical cases are presented and documented in order to better understand the phenomenon and to serve, in some cases, as an useful information for numerical validations. Liquid sloshing plays a key roll in the liquified natural gas (LNG) maritime transportation. The LNG market growth is more than three times the rated growth of the oil and traditional gas markets. Engineers working in research laboratories and companies are continuously looking for efficient and safe ways for containing, transferring and transporting the liquified gas. LNG carrying vessels (LNGC) have evolved from a few 75000 m3 vessels thirty years ago to a huge fleet of ships with a capacity of 140000 m3 nowadays and increasing number of 175000 m3 and 250000 m3 units. The concept of FLNG (Floating Liquified Natural Gas) has appeared recently. A FLNG unit is a high value-added vessel which can solve the problems of production, treatment, liquefaction and storage of the LNG because the vessel is equipped with a extraction and liquefaction facility. The LNG is transferred from the FLNG to the LNGC in open sea. The combination of partial fillings and wave induced motions may generate sloshing flows inside both the LNGC and the FLNG tanks. This work has dealt with sloshing problems from a experimental and statistical point of view. A series of tasks have been carried out: 1. A sloshing rig has been set up. It allows for testing tanks with one degree of freedom angular motion. The rig has been instrumented to measure motions, pressure and conduct video and image recording. 2. Regular motion impacts inside a rectangular section LNGC tank model have been studied, with forced motion tests, in order to characterise the phenomenon from a statistical point of view by assessing the repeatability and practical ergodicity of the problem. 3. The regular motion analysis has been extended to an irregular motion framework in order to reproduce more realistic scenarios. 4. The coupled motion of a single degree of freedom angular motion system excited by an external moment and affected by the fluid moment and the mechanical energy dissipation induced by sloshing inside the tank has been investigated. 5. The last task of the thesis has been to conduct an experimental investigation focused on the strong interaction between a sloshing flow in a rectangular section of a LNGC tank subjected to regular excitation and an elastic body clamped to the tank. It is thus a fluid structure interaction problem.