Optimal management of natural resources. Accounting for heterogeneity

Dynamic optimization methods have become increasingly important over the last years in economics. Within the dynamic optimization techniques employed, optimal control has emerged as the most powerful tool for the theoretical economic analysis. However, there is the need to advance further and take account that many dynamic economic processes are, in addition, dependent on some other parameter different than time. One can think of relaxing the assumption of a representative (homogeneous) agent in macro- and micro-economic applications allowing for heterogeneity among the agents. For instance, the optimal adaptation and diffusion of a new technology over time, may depend on the age of the person that adopted the new technology. Therefore, the economic models must take account of heterogeneity conditions within the dynamic framework. This thesis intends to accomplish two goals. The first goal is to analyze and revise existing environmental policies that focus on defining the optimal management of natural resources over time, by taking account of the heterogeneity of environmental conditions. Thus, the thesis makes a policy orientated contribution in the field of environmental policy by defining the necessary changes to transform an environmental policy based on the assumption of homogeneity into an environmental policy which takes account of heterogeneity. As a result the newly defined environmental policy will be more efficient and likely also politically more acceptable since it is tailored more specifically to the heterogeneous environmental conditions. Additionally to its policy orientated contribution, this thesis aims making a methodological contribution by applying a new optimization technique for solving problems where the control variables depend on two or more arguments --- the so-called two-stage solution approach ---, and by applying a numerical method --- the Escalator Boxcar Train Method --- for solving distributed optimal control problems, i.e., problems where the state variables, in addition to the control variables, depend on two or more arguments. Chapter 2 presents a theoretical framework to determine optimal resource allocation over time for the production of a good by heterogeneous producers, who generate a stock externalit and derives government policies to modify the behavior of competitive producers in order to achieve optimality. Chapter 3 illustrates the method in a more specific context, and integrates the aspects of quality and time, presenting a theoretical model that allows to determine the socially optimal outcome over time and space for the problem of waterlogging in irrigated agricultural production. Chapter 4 of this thesis concentrates on forestry resources and analyses the optimal selective-logging regime of a size-distributed forest.

Emissions de N2O i desnitrificació en sòls agrícoles i d'ecosistemes naturals. Factors de regulació

La major conscienciació actual dels problemes de pol·lució que acompanyen les pèrdues de N del sòl cap a l'atmosfera ha reorientat les investigacions cap a un coneixement més profund dels processos implicats en les emissions dels compostos nitrogenats que comporten un major perjudici des d'un punt de vista ecològic així com els seus principals factors reguladors. La creixent preocupació per l'increment de la concentració atmosfèrica de N2O és deguda a les seves interaccions amb la fotoquímica atmosfèrica i el balanç de radiació de la Terra ja que intervé en la destrucció de la capa estratosfèrica d'ozó, contribueix a l'efecte hivernacle i participa de la pluja àcida. Es considera que els sòls són la principal font de N2O atmosfèric. Al voltant del 90% d'aquestes emissions són d'origen biòtic; els principals processos implicats són la desnitrificació i la nitrificació. L'emissió del N2O produït a través d'aquests dos processos es caracteritza pels diferents nivells de regulació que presenta ja que depèn de la taxa dels processos, de la proporció de N canalitzada per cada procés cap a la producció de N2O i del seu consum dins el mateix sòl el qual està relacionat amb les dificultats en el transport cap a l'atmosfera. Això comporta una gran dificultat a l'hora d'aprofundir en el coneixement de les emissions de N2O del sòl cap a l'atmosfera i de la seva regulació. El desconeixement dels nivells d'emissió de N2O i de la importància de la desnitrificació així com de la seva regulació tant en sòls agrícoles com naturals de les nostres contrades és el principal punt de partida dels objectius d'aquest treball.

Analysis and Simulation of Transverse Random Fracture of Long Fibre Reinforced Composites

La present tesi proposa una metodología per a la simulació probabilística de la fallada de la matriu en materials compòsits reforçats amb fibres de carboni, basant-se en l'anàlisi de la distribució aleatòria de les fibres. En els primers capítols es revisa l'estat de l'art sobre modelització matemàtica de materials aleatoris, càlcul de propietats efectives i criteris de fallada transversal en materials compòsits. El primer pas en la metodologia proposada és la definició de la determinació del tamany mínim d'un Element de Volum Representatiu Estadístic (SRVE) . Aquesta determinació es du a terme analitzant el volum de fibra, les propietats elàstiques efectives, la condició de Hill, els estadístics de les components de tensió i defromació, la funció de densitat de probabilitat i les funcions estadístiques de distància entre fibres de models d'elements de la microestructura, de diferent tamany. Un cop s'ha determinat aquest tamany mínim, es comparen un model periòdic i un model aleatori, per constatar la magnitud de les diferències que s'hi observen. Es defineix, també, una metodologia per a l'anàlisi estadístic de la distribució de la fibra en el compòsit, a partir d'imatges digitals de la secció transversal. Aquest anàlisi s'aplica a quatre materials diferents. Finalment, es proposa un mètode computacional de dues escales per a simular la fallada transversal de làmines unidireccionals, que permet obtenir funcions de densitat de probabilitat per a les variables mecàniques. Es descriuen algunes aplicacions i possibilitats d'aquest mètode i es comparen els resultats obtinguts de la simulació amb valors experimentals.

Contribución al desarrollo del proceso de selección de centros de mecanizado de alta velocidad, basado en parámetros tecnológicos y de productividad

La selección de centros de mecanizado de alta velocidad es un proceso complejo que requiere de mucha experiencia, puesto que en él intervienen un gran número de variables, tanto tecnológicas como económicas. Existen metodologías orientadas a seleccionar el centro de mecanizado óptimo, considerando únicamente una de estas dos tipologías de variables, sin embargo, esta tesis propone una metodología que contempla ambos tipos. Para ello se identifican las variables que tienen mayor influencia sobre los resultados del proceso de mecanizado, tanto desde un punto de vista de calidad de las piezas fabricadas como de la economía de la fabricación, y se propone un modelo de selección basado en los resultados de un trabajo experimental realizado sobre piezas de aluminio. Dicho modelo se implementa mediante redes neurales, cuyo entrenamiento se realiza en base a los resultados del trabajo experimental mencionado.

Contribución al estudio del proceso de doblado al aire de chapa. Modelo de predicción del ángulo de recuperación y del radio de doblado final

Modelo de predicción de la geometría final de una pieza de chapa, radio y ángulo de doblado final, producida mediante un proceso de doblado al aire.

Contribución metodológica en técnicas de diseñar para fabricación

En el proceso de diseño se toman decisiones que pueden afectar a la fabricabilidad del producto. Cuando el diseñador es experto, considera las limitaciones, las propiedades y el coste de fabricación en la fase de materialización o de detalle. El problema surge cuando el diseñador no es experto o cuando no hay suficiente información y conocimiento de fabricación disponible. Tomando como referencia la teoría de Diseño Axiomático y las técnicas de DFM, se propone una metodología para identificar, definir y formalizar la información de fabricación que debería estar disponible en el diseño para diseñar para fabricar (DFM). También se propone un prototipo de modelo de información para desarrollar una futura herramienta informática que facilitaría la aplicación de esta metodología y que permitiría guiar al diseñador durante el diseño. La metodología ha sido aplicada a una biela de un motor de combustión interna alternativo (MCIA), y a los procesos que se están usando actualmente para fabricarla: forja en matriz cerrada y forja de polvo de metal.

Influencia del proceso de reciclado sobre las propiedades de los materiales compuestos obtenidos por inyección de poliestireno reforzado con fibras lignocelulósicas

The objective of this research is to study the influence of several recycling cycles on the mechanical properties of four different materials made by the injection of polystyrene. The four materials studied have different characteristics. The first one is polystyrene (PS), the second one is polystyrene reinforced with hemp fibers (PSf), the third one is polystyrene reinforced with hemp fibers modified with AKD (PSft) and the last one is polystyrene reinforced with fiberglass (PSfv). With all these materials tensile strength, bending, hardness and impact is measured. After the measurement of these physical properties, materials are recycled to obtain new injection samples, and its physical properties are measured again. This process is repeated during 24 cycles. After each recycling cycle material physical properties are related with polystyrene molecular weight, melt flow, FTIR spectra and DSC. From reinforced materials, fibers are recovered and through microscopy and image analysis they are characterized to study the influence that recycling has on its structure.

Modelización constitutiva y computacional del daño y la fractura de materiales compuestos

En el trabajo se definen modelos constitutivos que permiten reproducir el proceso de fallo de estructuras de materiales compuestos en distintas escalas bajo cargas estáticas. Se define un modelo constitutivo para determinar la respuesta de estructuras de materiales compuestos mediante la teoría de laminados. El modelo es validado mediante un programa de ensayos experimentales con probetas con un agujero central geométricamente similares. Se muestra la capacidad del modelo de detectar el efecto tamaño. Se define un modelo constitutivo para materiales transversalmente isótropos bajo estados tridimensionales de tensión. El modelo se valida analizando numéricamente el proceso de agrietamiento de la matriz. Finalmente se desarrolla un modelo analítico para determinar el agrietamiento de la matriz y la delaminación entre las capas.

Stability lobes diagram identification and surface roughness monitoring in milling processes

La millora de la productivitat i la qualitat són indubtablement dues de les principals exigències del sector productiu modern i factors clau per la competitivitat i la supervivència. Dins aquest sector,la fabricació per arrancada de material juga encara avui en dia un paper protagonista tot i l'aparició de noves tècniques de conformat per addició.Indústries com l'aeronàutica, l'automobilística,la del motlle o l'energètica, depenen en bona part de les prestacions de les màquines-eina. Aquesta Tesi aborda dos aspectes rellevants quan es tracta de millorar de la productivitat i la qualitat del sector productiu: el problema del fimbrament, més conegut per la denominació anglosaxona chatter,i la monitorització de la rugositat superficial en el mecanitzat a alta velocitat.

Developing a desertification indicator system for a small Mediterranean catchment: a case study from the Serra de Rodes, Alt Empordà, Catalunya, NE Spain

La desertificació és un problema de degradació de sòls de gran importància en regions àrides, semi-àrides i sub-humides, amb serioses conseqüències ambientals, socials i econòmiques com a resultat de l'impacte d'activitats humanes en combinació amb condicions físiques i medi ambientals desfavorables (UNEP, 1994). L'objectiu principal d'aquesta tesi va ser el desenvolupament d'una metodologia simple per tal de poder avaluar de forma precisa l'estat i l'evolució de la desertificació a escala local, a través de la creació d'un model anomenat sistema d'indicators de desertificació (DIS). En aquest mateix context, un dels dos objectius específics d'aquesta recerca es va centrar en l'estudi dels factors més importants de degradació de sòls a escala de parcel.la, comportant un extens treball de camp, analisi de laboratori i la corresponent interpretació i discussió dels resultats obtinguts. El segon objectiu específic es va basar en el desenvolupament i aplicació del DIS. L'àrea d'estudi seleccionada va ser la conca de la Serra de Rodes, un ambient típic Mediterràni inclòs en el Parc Natural del Cap de Creus, NE Espanya, el qual ha estat progressivament abandonat pels agricultors durant el segle passat. Actualment, els incendis forestals així com el canvi d'ús del sòl i especialment l'abandonament de terres són considerats els problemes ambientals més importants a l'àrea d'estudi (Dunjó et al., 2003). En primer lloc, es va realitzar l'estudi dels processos i causes de la degradació dels sòls a l'àrea d'interés. En base a aquest coneixement, es va dur a terme la identificació i selecció dels indicadors de desertificació més rellevants. Finalment, els indicadors de desertificació seleccionats a escala de conca, incloent l'erosió del sòl i l'escolament superficial, es van integrar en un model espaial de procés. Ja que el sòl és considerat el principal indicador dels processos d'erosió, segons la FAO/UNEP/UNESCO (1979), tant el paisatge original així com els dos escenaris d'ús del sòl desenvolupats, un centrat en el cas hipotétic del pas d'un incendi forestal, i l'altre un paisatge completament cultivat, poden ser ambients classificats sota baixa o moderada degradació. En comparació amb l'escenari original, els dos escenaris creats van revelar uns valors més elevats d'erosió i escolament superficial, i en particular l'escenari cultivat. Per tant, aquests dos hipotètic escenaris no semblen ser una alternativa sostenible vàlida als processos de degradació que es donen a l'àrea d'estudi. No obstant, un ampli ventall d'escenaris alternatius poden ser desenvolupats amb el DIS, tinguent en compte les polítiques d'especial interés per la regió de manera que puguin contribuir a determinar les conseqüències potencials de desertificació derivades d'aquestes polítiques aplicades en aquest escenari tan complexe espaialment. En conclusió, el model desenvolupat sembla ser un sistema força acurat per la identificació de riscs presents i futurs, així com per programar efectivament mesures per combatre la desertificació a escala de conca. No obstant, aquesta primera versió del model presenta varies limitacions i la necessitat de realitzar més recerca en cas de voler desenvolupar una versió futura i millor del DIS.

Evaluación de la biomasa como recurso energético renovable en Cataluña

El objetivo principal es la evaluación de la biomasa como recurso energético renovable en Cataluña. Su alcance requiere el estudio de diversas temáticas, desarrolladas en los doce capítulos que componen el documento.El Capítulo 1 describe los objetivos de la tesis. El Capítulo 2 describe los motivos que justifican la valorización energética del recurso biomasa. El Capítulo 3 presenta la metodología general utilizada. El Capítulo 4 realiza un análisis multicriterio del aprovechamiento energético de biomasa forestal. El Capítulo 5 cuantifica la biomasa disponible para usos energéticos en Cataluña. Los Capítulos 6, 7, 8 y 9 analizan las tecnologías y la viabilidad de la producción de energía con colza y chopo. El Capítulo 10 caracteriza físico-químicamente la biomasa de colza como combustible complementario al actual uso del grano para biodiesel. El Capítulo 11 evalua el uso de cultivos para la producción de productos químicos. El Capítulo 12 resume las Conclusiones generales.

Natura i cultura en l'evolució del paisatge de closes a l'Alt Empordà (1957-2007)

La tesi doctoral és un estudi de l'evolució del paisatge de les closes de l'Alt Empordà entre els anys 1957 i 2001. Dins el marc teòric s'hi explora el concepte de paisatge cultural agrari tradicional, es fa una introducció de les aportacions que fa la geografia històrica a l'estudi de les closes arreu d'Europa i es presenten els fonaments de l'ecologia del paisatge. La recerca es basa en la fotointerpretació de fotografies aèries ampliades i l'aplicació d'índexs espacials propis de l'ecologia del paisatge per a l'anàlisi de l'evolució de l'estructura del paisatge. Es complementa amb la realització d'entrevistes personals als gestors del paisatge per tal de conèixer com han dut a terme la gestió de les closes al llarg del període estudiat. Es combinen ambdós tipus d'informació a través de la tècnica estadística de la regressió logística multinomial per tal de descobrir el funcionament de les interaccions entre aquests àmbits.

A hybrid approach of knowledge-based reasoning for structural assessment

La idea básica de detección de defectos basada en vibraciones en Monitorización de la Salud Estructural (SHM), es que el defecto altera las propiedades de rigidez, masa o disipación de energía de un sistema, el cual, altera la respuesta dinámica del mismo. Dentro del contexto de reconocimiento de patrones, esta tesis presenta una metodología híbrida de razonamiento para evaluar los defectos en las estructuras, combinando el uso de un modelo de la estructura y/o experimentos previos con el esquema de razonamiento basado en el conocimiento para evaluar si el defecto está presente, su gravedad y su localización. La metodología involucra algunos elementos relacionados con análisis de vibraciones, matemáticas (wavelets, control de procesos estadístico), análisis y procesamiento de señales y/o patrones (razonamiento basado en casos, redes auto-organizativas), estructuras inteligentes y detección de defectos. Las técnicas son validadas numérica y experimentalmente considerando corrosión, pérdida de masa, acumulación de masa e impactos. Las estructuras usadas durante este trabajo son: una estructura tipo cercha voladiza, una viga de aluminio, dos secciones de tubería y una parte del ala de un avión comercial.

New Methods for Triangulation-based Shape Acquisition using Laser Scanners

Tradicionalment, la reproducció del mon real se'ns ha mostrat a traves d'imatges planes. Aquestes imatges se solien materialitzar mitjançant pintures sobre tela o be amb dibuixos. Avui, per sort, encara podem veure pintures fetes a ma, tot i que la majoria d'imatges s'adquireixen mitjançant càmeres, i es mostren directament a una audiència, com en el cinema, la televisió o exposicions de fotografies, o be son processades per un sistema computeritzat per tal d'obtenir un resultat en particular. Aquests processaments s'apliquen en camps com en el control de qualitat industrial o be en la recerca mes puntera en intel·ligència artificial. Aplicant algorismes de processament de nivell mitja es poden obtenir imatges 3D a partir d'imatges 2D, utilitzant tècniques ben conegudes anomenades Shape From X, on X es el mètode per obtenir la tercera dimensió, i varia en funció de la tècnica que s'utilitza a tal nalitat. Tot i que l'evolució cap a la càmera 3D va començar en els 90, cal que les tècniques per obtenir les formes tridimensionals siguin mes i mes acurades. Les aplicacions dels escàners 3D han augmentat considerablement en els darrers anys, especialment en camps com el lleure, diagnosi/cirurgia assistida, robòtica, etc. Una de les tècniques mes utilitzades per obtenir informació 3D d'una escena, es la triangulació, i mes concretament, la utilització d'escàners laser tridimensionals. Des de la seva aparició formal en publicacions científiques al 1971 [SS71], hi ha hagut contribucions per solucionar problemes inherents com ara la disminució d'oclusions, millora de la precisió, velocitat d'adquisició, descripció de la forma, etc. Tots i cadascun dels mètodes per obtenir punts 3D d'una escena te associat un procés de calibració, i aquest procés juga un paper decisiu en el rendiment d'un dispositiu d'adquisició tridimensional. La nalitat d'aquesta tesi es la d'abordar el problema de l'adquisició de forma 3D, des d'un punt de vista total, reportant un estat de l'art sobre escàners laser basats en triangulació, provant el funcionament i rendiment de diferents sistemes, i fent aportacions per millorar la precisió en la detecció del feix laser, especialment en condicions adverses, i solucionant el problema de la calibració a partir de mètodes geomètrics projectius.

Time misalignments in fault detection and diagnosis

El desalineamiento temporal es la incorrespondencia de dos señales debido a una distorsión en el eje temporal. La Detección y Diagnóstico de Fallas (Fault Detection and Diagnosis-FDD) permite la detección, el diagnóstico y la corrección de fallos en un proceso. La metodología usada en FDD está dividida en dos categorías: técnicas basadas en modelos y no basadas en modelos. Esta tesis doctoral trata sobre el estudio del efecto del desalineamiento temporal en FDD. Nuestra atención se enfoca en el análisis y el diseño de sistemas FDD en caso de problemas de comunicación de datos, como retardos y pérdidas. Se proponen dos técnicas para reducir estos problemas: una basada en programación dinámica y la otra en optimización. Los métodos propuestos han sido validados sobre diferentes sistemas dinámicos: control de posición de un motor de corriente continua, una planta de laboratorio y un problema de sistemas eléctricos conocido como hueco de tensión.