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.

Prediction of PM10 concentrations using Fuzzy c-Means and ANN

Salamanca has been considered among the most polluted cities in Mexico. The vehicular park, the industry and the emissions produced by agriculture, as well as orography and climatic characteristics have propitiated the increment in pollutant concentration of Particulate Matter less than 10 μg/m3 in diameter (PM10). In this work, a Multilayer Perceptron Neural Network has been used to make the prediction of an hour ahead of pollutant concentration. A database used to train the Neural Network corresponds to historical time series of meteorological variables (wind speed, wind direction, temperature and relative humidity) and air pollutant concentrations of PM10. Before the prediction, Fuzzy c-Means clustering algorithm have been implemented in order to find relationship among pollutant and meteorological variables. These relationship help us to get additional information that will be used for predicting. Our experiments with the proposed system show the importance of this set of meteorological variables on the prediction of PM10 pollutant concentrations and the neural network efficiency. The performance estimation is determined using the Root Mean Square Error (RMSE) and Mean Absolute Error (MAE). The results shown that the information obtained in the clustering step allows a prediction of an hour ahead, with data from past 2 hours

How has Spain become a leader in the wind energy industry during the last decade?

During the last decade, wind energy has been the fastest growing renewable source of energy worldwide. Limited sources of fossil fuel in addition to the negative effects of greenhouse gas emissions on the environment have led many countries to support development of renewable energies such as wind energy. Spain as the fourth biggest producer of wind energy plays an important global role in wind industry. In this paper, some important factors in the rapid growth of wind energy in Spain such as policy design, industry and technology, economic environment and social acceptance have been studied. The objective of this study is to introduce a model based on the successful development of wind energy in Spain which can be implemented by other countries

Desintegración vertical en la industria del automóvil en España: un caso de estudio = Vertical disintegration in the automotive industry in Spain: a case study

En los años recientes se ha producido un rápido crecimiento del comercio internacional en productos semielaborados que son diseñados, producidos y ensamblados en diferentes localizaciones a lo largo de diferentes países, debido principalmente a los siguientes motivos: el desarrollo de las tecnologías de la información, la reducción de los costes de transporte, la liberalización de los mercados de capitales, la armonización de factores institucionales, la integración económica regional que implica la reducción y la eliminación de las barreras al comercio, el desarrollo económico de los países emergentes, el uso de economías de escala, así como una desregulación del comercio internacional. Todo ello ha incrementado la competencia a nivel mundial en los mercados y ha posibilitado a las compañías tener más facilidad de acceso a potenciales mercados, así como a la adquisición de capacidades y conocimientos en otros países y a la realización de alianzas estratégicas internacionales con terceros, creando un entorno con mayor incertidumbre y más exigente para las compañías que componen una industria, y que tiene consecuencias directas en las operaciones de las compañías y en la organización de su producción. Las compañías, para adaptarse, ser competitivas y beneficiarse de este nuevo escenario globalizado y más competitivo, han externalizado partes del proceso productivo hacia proveedores especializados, creando un nuevo mercado intermedio que divide el proceso productivo, anteriormente integrado en las compañías que conforman una industria, entre dos conjuntos de empresas especializadas en esa industria. Dicho proceso suele ocurrir conservando la industria en que tiene lugar, los mismos servicios y productos, la tecnología empleada y las compañías originales que la conformaban previamente a la desintegración vertical. Todo ello es así debido a que es beneficioso tanto para las compañías originales de la industria como para las nuevas compañías de este mercado intermedio por diversos motivos. La desintegración vertical en una industria tiene unas consecuencias que la transforman completamente, así como la forma de operar de las compañías que la integran, incluso para aquellas que permanecen verticalmente integradas. Una de las características más importantes de esta desintegración vertical en una industria es la posibilidad que tiene una compañía de adquirir a una tercera la primera parte del proceso productivo o un bien semielaborado, que posteriormente será finalizado por la compañía adquiriente con la práctica del outsourcing; así mismo, una compañía puede realizar la primera parte del proceso productivo o un bien semielaborado, que posteriormente será finalizado por una tercera compañía con la práctica de la fragmentación. El principal objetivo de la presente investigación es el estudio de los motivos, los facilitadores, los efectos, las consecuencias y los principales factores significativos, microeconómicos y macroeconómicos, que desencadenan o incrementan la práctica de la desintegración vertical en una industria; para ello, la investigación se divide en dos líneas completamente diferenciadas: el estudio de la práctica del outsourcing y, por otro lado, el estudio de la fragmentación por parte de las compañías que componen la industria del automóvil en España, puesto que se trata de una de las industrias más desintegradas verticalmente y fragmentadas, y este sector posee una gran importancia en la economía del país. En primer lugar, se hace una revisión de la literatura existente relativa a los siguientes aspectos: desintegración vertical, outsourcing, fragmentación, teoría del comercio internacional, historia de la industria del automóvil en España y el uso de las aglomeraciones geográficas y las tecnologías de la información en el sector del automóvil. La metodología empleada en cada uno de ellos ha sido diferente en función de la disponibilidad de los datos y del enfoque de investigación: los factores microeconómicos, utilizando el outsourcing, y los factores macroeconómicos, empleando la fragmentación. En el estudio del outsourcing, se usa un índice basado en las compras externas sobre el valor total de la producción. Así mismo, se estudia su correlación y significación con las variables económicas más importantes que definen a una compañía del sector del automóvil, utilizando la técnica estadística de regresión lineal. Aquellas variables relacionadas con la competencia en el mercado, la externalización de las actividades de menor valor añadido y el incremento de la modularización de las actividades de la cadena de valor, han resultado significativas con la práctica del outsourcing. En el estudio de la fragmentación se seleccionan un conjunto de factores macroeconómicos, comúnmente usados en este tipo de investigaciones, relacionados con las principales magnitudes económicas de un país, y un conjunto de factores macroeconómicos, no comúnmente usados en este tipo de investigaciones, relacionados con la libertad económica y el comercio internacional de un país. Se emplea un modelo de regresión logística para identificar qué factores son significativos en la práctica de la fragmentación. De entre todos los factores usados en el modelo, los relacionados con las economías de escala y los costes de servicio han resultado significativos. Los resultados obtenidos de los test estadísticos realizados en el modelo de regresión logística han resultado satisfactorios; por ello, el modelo propuesto de regresión logística puede ser considerado sólido, fiable y versátil; además, acorde con la realidad. De los resultados obtenidos en el estudio del outsourcing y de la fragmentación, combinados conjuntamente con el estado del arte, se concluye que el principal factor que desencadena la desintegración vertical en la industria del automóvil es la competencia en el mercado de vehículos. Cuanto mayor es la demanda de vehículos, más se reducen los beneficios y la rentabilidad para sus fabricantes. Estos, para ser competitivos, diferencian sus productos de la competencia centrándose en las actividades que mayor valor añadido aportan al producto final, externalizando las actividades de menor valor añadido a proveedores especializados, e incrementando la modularidad de las actividades de la cadena de valor. Las compañías de la industria del automóvil se especializan en alguna o varias de estas actividades modularizadas que, combinadas con el uso de factores facilitadores como las economías de escala, las tecnologías de la información, las ventajas de la globalización económica y la aglomeración geográfica de una industria, incrementan y motivan la desintegración vertical en la industria del automóvil, desencadenando la coespecialización en dos sectores claramente diferenciados: el sector de fabricantes de vehículos y el sector de proveedores especializados. Cada uno de ellos se especializa en unas actividades y en unos productos o servicios específicos de la cadena de valor, lo cual genera las siguientes consecuencias en la industria del automóvil: se reducen los costes de transacción en los productos o servicios intercambiados; se incrementan la relación de dependencia entre fabricantes de vehículos y proveedores especializados, provocando un aumento en la cooperación y la coordinación, acelerando el proceso de aprendizaje, posibilitando a ambos adquirir nuevas capacidades, conocimientos y recursos, y creando nuevas ventajas competitivas para ambos; por último, las barreras de entrada a la industria del automóvil y el número de compañías se ven alteradas cambiando su estructura. Como futura línea de investigación, los fabricantes de vehículos tenderán a centrarse en investigar, diseñar y comercializar el producto o servicio, delegando el ensamblaje en manos de nuevos especialistas en la materia, el contract manufacturer; por ello, sería conveniente investigar qué factores motivantes o facilitadores existen y qué consecuencias tendría la implantación de los contract manufacturer en la industria del automóvil. 1.1. ABSTRACT In recent years there has been a rapid growth of international trade in semi-finished products designed, produced and assembled in different locations across different countries, mainly due to the following reasons: development of information technologies, reduction of transportation costs, liberalisation of capital markets, harmonisation of institutional factors, regional economic integration, which involves the reduction and elimination of trade barriers, economic development of emerging countries, use of economies of scale and deregulation of international trade. All these factors have increased competition in markets at a global level and have allowed companies to gain easier access to potential markets and to the acquisition of skills and knowledge in other countries, as well as to the completion of international strategic alliances with third parties, thus creating a more demanding and uncertain environment for these companies constituting an industry, which has a direct impact on the companies' operations and the organization of their production. In order to adapt, be competitive and benefit from this new and more competitive global scenario, companies have outsourced some parts of their production process to specialist suppliers, generating a new intermediate market which divides the production process, previously integrated in the companies that made up the industry, into two sets of companies specialized in that industry. This process often occurs while preserving the industry where it takes place, its same services and products, the technology used and the original companies that formed it prior to vertical disintegration. This is because it is beneficial for both the industry's original companies and the companies belonging to this new intermediate market, for various reasons. Vertical disintegration has consequences which completely transform the industry where it takes place as well as the modus operandi of the companies that are part of it, even of those who remain vertically integrated. One of the most important features of vertical disintegration of an industry is the possibility for a company to acquire from a third one the first part of the production process or a semi-finished product, which will then be finished by the acquiring company through the practice of outsourcing; also, a company can perform the first part of the production process or a semi-finish product, which will then be completed by a third company through the practice of fragmentation. The main objective of this research is to study the motives, facilitators, effects, consequences and major significant microeconomic and macroeconomic factors that trigger or increase the practice of vertical disintegration in a certain industry; in order to do so, research is divided into two completely differentiated lines: on the one hand, the study of the practise of outsourcing and, on the other, the study of fragmentation by companies constituting the automotive industry in Spain, since this is one of the most vertically disintegrated and fragmented industries and this particular sector is of major significance in this country's economy. First, a review is made of the existing literature, on the following aspects: vertical disintegration, outsourcing, fragmentation, international trade theory, history of the automobile industry in Spain and the use of geographical agglomeration and information technologies in the automotive sector. The methodology used for each of these aspects has been different depending on the availability of data and the research approach: the microeconomic factors, using outsourcing, and the macroeconomic factors, using fragmentation. In the study on outsourcing, an index is used based on external purchases in relation to the total value of production. Likewise, their significance and correlation with the major economic variables that define an automotive company are studied, using the statistical technique of linear regression. Variables related to market competition, outsourcing of lowest value-added activities and increased modularisation of the activities of the value chain have turned out to be significant with the practice of outsourcing. In the study of fragmentation, a set of macroeconomic factors commonly used for this type of research, is selected, related to the main economic indicators of a country, as well as a set of macroeconomic factors, not commonly used for this type of research, which are related to economic freedom and the international trade of a certain country. A logistic regression model is used to identify which factors are significant in the practice of fragmentation. Amongst all factors used in the model, those related to economies of scale and service costs have turned out to be significant. The results obtained from the statistical tests performed on the logistic regression model have been successful; hence, the suggested logistic regression model can be considered to be solid, reliable and versatile; likewise, it is in line with reality. From the results obtained in the study of outsourcing and fragmentation, combined with the state of the art, it is concluded that the main factor that triggers vertical disintegration in the automotive industry is competition within the vehicle market. The greater the vehicle demand, the lower the earnings and profitability for manufacturers. These, in order to be competitive, differentiate their products from the competition by focusing on those activities that contribute with the highest added value to the final product, outsourcing the lower valueadded activities to specialist suppliers, and increasing the modularity of the activities of the value chain. Companies in the automotive industry specialize in one or more of these modularised activities which, combined with the use of enabling factors such as economies of scale, information technologies, the advantages of economic globalisation and the geographical agglomeration of an industry, increase and encourage vertical disintegration in the automotive industry, triggering co-specialization in two clearly distinct sectors: the sector of vehicle manufacturers and the specialist suppliers sector. Each of them specializes in certain activities and specific products or services of the value chain, generating the following consequences in the automotive industry: reduction of transaction costs of the goods or services exchanged; growth of the relationship of dependency between vehicle manufacturers and specialist suppliers, which causes an increase in cooperation and coordination, accelerates the learning process, enables both to acquire new skills, knowledge and resources, and creates new competitive advantages for both; finally, barriers to entry the automotive industry and the number of companies are altered, changing their structure. As a future line of research, vehicle manufacturers will tend to focus on researching, designing and marketing the product or service, delegating the assembly in the hands of new specialists in the field, the contract manufacturer; for this reason, it would be useful to investigate what motivating or facilitating factors exist in this respect and what consequences would the implementation of contract manufacturers have in the automotive industry.

Spatial and temporal variations of trace element distribution in soils and street dust of an industrial town in NW Spain: 15 years of study

Extensive spatial and temporal surveys, over 15 years, have been conducted in soil in urban parks and street dusts in one of the most polluted cities in western Europe, Avilés (NW Spain). The first survey was carried out in 1996, and since then monitoring has been undertaken every five years. Whilst the sampling site is a relatively small town, industrial activities (mainly the steel industry and Zn and Al metallurgy) and other less significant urban sources, such as traffic, strongly affect the load of heavy metals in the urban aerosol. Elemental tracers have been used to characterise the influence of these sources on the composition of soil and dust. Although PM10 has decreased over these years as a result of environmental measures undertaken in the city, some of the “industrial” elements still remain in concentrations of concern for example, up to 4.6% and 0.5% of Zn in dust and soil, respectively. Spatial trends in metals such as Zn and Cd clearly reflect sources from the processing industries. The concentrations of these elements across Europe have reduced over time, however the most recent results from Avilés revealed an upward trend in concentration for Zn, Cd, Hg and As. A risk assessment of the soil highlighted As as an element of concern since its cancer risk in adults was more than double the value above which regulatory agencies deem it to be unacceptable. If children were considered to be the receptors, then the risk nearly doubles from this element.

Microstructural and mechanical characterization of annealed tungsten (W) and potassium-doped tungsten foils

Here we show that potassium-doped tungsten foil should be preferred to pure tungsten foil when considering tungsten laminate pipes for structural divertor applications. Potassium-doped tungsten materials are well known from the bulb industry and show an enhanced creep and recrystallization behaviour that can be explained by the formation of potassium-filled bubbles that are surrounding the elongated grains, leading to an interlocking of the microstructure. In this way, the ultra-fine grained (UFG) microstructure of tungsten foil can be stabilized and with it the extraordinary mechanical properties of the foil in terms of ductility, toughness, brittle-to-ductile transition, and radiation resistance. In this paper we show the results of three-point bending tests performed at room temperature on annealed pure tungsten and potassium-doped tungsten foils (800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, and 2400 °C for 1 h in vacuum). The microstructural assessment covers the measurement of the hardness and analyses of fractured surfaces as well as a comparison of the microstructure by optical microscopy. The results show that there is a positive effect of potassium-doped tungsten foils compared to pure tungsten foil and demonstrate the potential of the doped foil

Infiltration of a photonic crystal fiber with cholesteric liquid crystal and blue phase

Photonic crystal fibers (PCF) have been selectively filled with a cholesteric liquid crystal (ChLC) with special interest in the blue phase (BP) of the liquid crystal. It has been observed thermal tuning of the guided light in the visible region. A dramatically enhance appears when the phase of the liquid crystal changes from cholesteric to blue phase I (BPI). When a thermal range of the blue phase I is achieved, no changes are observed while increasing temperature from BPI through BPII and to the isotropic phase.

A proposal for a modular and application-aware autonomic manager of private cloud infrastructures

Recientemente, el paradigma de la computación en la nube ha recibido mucho interés por parte tanto de la industria como del mundo académico. Las infraestructuras cloud públicas están posibilitando nuevos modelos de negocio y ayudando a reducir costes. Sin embargo, una compañía podría desear ubicar sus datos y servicios en sus propias instalaciones, o tener que atenerse a leyes de protección de datos. Estas circunstancias hacen a las infraestructuras cloud privadas ciertamente deseables, ya sea para complementar a las públicas o para sustituirlas por completo. Por desgracia, las carencias en materia de estándares han impedido que las soluciones para la gestión de infraestructuras privadas se hayan desarrollado adecuadamente. Además, la multitud de opciones disponibles ha creado en los clientes el miedo a depender de una tecnología concreta (technology lock-in). Una de las causas de este problema es la falta de alineación entre la investigación académica y los productos comerciales, ya que aquella está centrada en el estudio de escenarios idealizados sin correspondencia con el mundo real, mientras que éstos consisten en soluciones desarrolladas sin tener en cuenta cómo van a encajar con los estándares más comunes o sin preocuparse de hacer públicos sus resultados. Con objeto de resolver este problema, propongo un sistema de gestión modular para infraestructuras cloud privadas enfocado en tratar con las aplicaciones en lugar de centrarse únicamente en los recursos hardware. Este sistema de gestión sigue el paradigma de la computación autónoma y está diseñado en torno a un modelo de información sencillo, desarrollado para ser compatible con los estándares más comunes. Este modelo divide el entorno en dos vistas, que sirven para separar aquello que debe preocupar a cada actor involucrado del resto de información, pero al mismo tiempo permitiendo relacionar el entorno físico con las máquinas virtuales que se despliegan encima de él. En dicho modelo, las aplicaciones cloud están divididas en tres tipos genéricos (Servicios, Trabajos de Big Data y Reservas de Instancias), para que así el sistema de gestión pueda sacar partido de las características propias de cada tipo. El modelo de información está complementado por un conjunto de acciones de gestión atómicas, reversibles e independientes, que determinan las operaciones que se pueden llevar a cabo sobre el entorno y que es usado para hacer posible la escalabilidad en el entorno. También describo un motor de gestión encargado de, a partir del estado del entorno y usando el ya mencionado conjunto de acciones, la colocación de recursos. Está dividido en dos niveles: la capa de Gestores de Aplicación, encargada de tratar sólo con las aplicaciones; y la capa del Gestor de Infraestructura, responsable de los recursos físicos. Dicho motor de gestión obedece un ciclo de vida con dos fases, para así modelar mejor el comportamiento de una infraestructura real. El problema de la colocación de recursos es atacado durante una de las fases (la de consolidación) por un resolutor de programación entera, y durante la otra (la online) por un heurístico hecho ex-profeso. Varias pruebas han demostrado que este acercamiento combinado es superior a otras estrategias. Para terminar, el sistema de gestión está acoplado a arquitecturas de monitorización y de actuadores. Aquella estando encargada de recolectar información del entorno, y ésta siendo modular en su diseño y capaz de conectarse con varias tecnologías y ofrecer varios modos de acceso. ABSTRACT The cloud computing paradigm has raised in popularity within the industry and the academia. Public cloud infrastructures are enabling new business models and helping to reduce costs. However, the desire to host company’s data and services on premises, and the need to abide to data protection laws, make private cloud infrastructures desirable, either to complement or even fully substitute public oferings. Unfortunately, a lack of standardization has precluded private infrastructure management solutions to be developed to a certain level, and a myriad of diferent options have induced the fear of lock-in in customers. One of the causes of this problem is the misalignment between academic research and industry ofering, with the former focusing in studying idealized scenarios dissimilar from real-world situations, and the latter developing solutions without taking care about how they f t with common standards, or even not disseminating their results. With the aim to solve this problem I propose a modular management system for private cloud infrastructures that is focused on the applications instead of just the hardware resources. This management system follows the autonomic system paradigm, and is designed around a simple information model developed to be compatible with common standards. This model splits the environment in two views that serve to separate the concerns of the stakeholders while at the same time enabling the traceability between the physical environment and the virtual machines deployed onto it. In it, cloud applications are classifed in three broad types (Services, Big Data Jobs and Instance Reservations), in order for the management system to take advantage of each type’s features. The information model is paired with a set of atomic, reversible and independent management actions which determine the operations that can be performed over the environment and is used to realize the cloud environment’s scalability. From the environment’s state and using the aforementioned set of actions, I also describe a management engine tasked with the resource placement. It is divided in two tiers: the Application Managers layer, concerned just with applications; and the Infrastructure Manager layer, responsible of the actual physical resources. This management engine follows a lifecycle with two phases, to better model the behavior of a real infrastructure. The placement problem is tackled during one phase (consolidation) by using an integer programming solver, and during the other (online) with a custom heuristic. Tests have demonstrated that this combined approach is superior to other strategies. Finally, the management system is paired with monitoring and actuators architectures. The former able to collect the necessary information from the environment, and the later modular in design and capable of interfacing with several technologies and ofering several access interfaces.

A methodology to analyze, design and implement very fast and robust controls of Buck-type converters

La electrónica digital moderna presenta un desafío a los diseñadores de sistemas de potencia. El creciente alto rendimiento de microprocesadores, FPGAs y ASICs necesitan sistemas de alimentación que cumplan con requirimientos dinámicos y estáticos muy estrictos. Específicamente, estas alimentaciones son convertidores DC-DC de baja tensión y alta corriente que necesitan ser diseñados para tener un pequeño rizado de tensión y una pequeña desviación de tensión de salida bajo transitorios de carga de una alta pendiente. Además, dependiendo de la aplicación, se necesita cumplir con otros requerimientos tal y como proveer a la carga con ”Escalado dinámico de tensión”, donde el convertidor necesitar cambiar su tensión de salida tan rápidamente posible sin sobreoscilaciones, o ”Posicionado Adaptativo de la Tensión” donde la tensión de salida se reduce ligeramente cuanto más grande sea la potencia de salida. Por supuesto, desde el punto de vista de la industria, las figuras de mérito de estos convertidores son el coste, la eficiencia y el tamaño/peso. Idealmente, la industria necesita un convertidor que es más barato, más eficiente, más pequeño y que aún así cumpla con los requerimienos dinámicos de la aplicación. En este contexto, varios enfoques para mejorar la figuras de mérito de estos convertidores se han seguido por la industria y la academia tales como mejorar la topología del convertidor, mejorar la tecnología de semiconducores y mejorar el control. En efecto, el control es una parte fundamental en estas aplicaciones ya que un control muy rápido hace que sea más fácil que una determinada topología cumpla con los estrictos requerimientos dinámicos y, consecuentemente, le da al diseñador un margen de libertar más amplio para mejorar el coste, la eficiencia y/o el tamaño del sistema de potencia. En esta tesis, se investiga cómo diseñar e implementar controles muy rápidos para el convertidor tipo Buck. En esta tesis se demuestra que medir la tensión de salida es todo lo que se necesita para lograr una respuesta casi óptima y se propone una guía de diseño unificada para controles que sólo miden la tensión de salida Luego, para asegurar robustez en controles muy rápidos, se proponen un modelado y un análisis de estabilidad muy precisos de convertidores DC-DC que tienen en cuenta circuitería para sensado y elementos parásitos críticos. También, usando este modelado, se propone una algoritmo de optimización que tiene en cuenta las tolerancias de los componentes y sensados distorsionados. Us ando este algoritmo, se comparan controles muy rápidos del estado del arte y su capacidad para lograr una rápida respuesta dinámica se posiciona según el condensador de salida utilizado. Además, se propone una técnica para mejorar la respuesta dinámica de los controladores. Todas las propuestas se han corroborado por extensas simulaciones y prototipos experimentales. Con todo, esta tesis sirve como una metodología para ingenieros para diseñar e implementar controles rápidos y robustos de convertidores tipo Buck. ABSTRACT Modern digital electronics present a challenge to designers of power systems. The increasingly high-performance of microprocessors, FPGAs (Field Programmable Gate Array) and ASICs (Application-Specific Integrated Circuit) require power supplies to comply with very demanding static and dynamic requirements. Specifically, these power supplies are low-voltage/high-current DC-DC converters that need to be designed to exhibit low voltage ripple and low voltage deviation under high slew-rate load transients. Additionally, depending on the application, other requirements need to be met such as to provide to the load ”Dynamic Voltage Scaling” (DVS), where the converter needs to change the output voltage as fast as possible without underdamping, or ”Adaptive Voltage Positioning” (AVP) where the output voltage is slightly reduced the greater the output power. Of course, from the point of view of the industry, the figures of merit of these converters are the cost, efficiency and size/weight. Ideally, the industry needs a converter that is cheaper, more efficient, smaller and that can still meet the dynamic requirements of the application. In this context, several approaches to improve the figures of merit of these power supplies are followed in the industry and academia such as improving the topology of the converter, improving the semiconductor technology and improving the control. Indeed, the control is a fundamental part in these applications as a very fast control makes it easier for the topology to comply with the strict dynamic requirements and, consequently, gives the designer a larger margin of freedom to improve the cost, efficiency and/or size of the power supply. In this thesis, how to design and implement very fast controls for the Buck converter is investigated. This thesis proves that sensing the output voltage is all that is needed to achieve an almost time-optimal response and a unified design guideline for controls that only sense the output voltage is proposed. Then, in order to assure robustness in very fast controls, a very accurate modeling and stability analysis of DC-DC converters is proposed that takes into account sensing networks and critical parasitic elements. Also, using this modeling approach, an optimization algorithm that takes into account tolerances of components and distorted measurements is proposed. With the use of the algorithm, very fast analog controls of the state-of-the-art are compared and their capabilities to achieve a fast dynamic response are positioned de pending on the output capacitor. Additionally, a technique to improve the dynamic response of controllers is also proposed. All the proposals are corroborated by extensive simulations and experimental prototypes. Overall, this thesis serves as a methodology for engineers to design and implement fast and robust controls for Buck-type converters.