Estudio de la aplicación de sistemas basados en el conocimiento a la operación de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética

Una de las actuaciones posibles para la gestión de los residuos sólidos urbanos es la valorización energética, es decir la incineración con recuperación de energía. Sin embargo es muy importante controlar adecuadamente el proceso de incineración para evitar en lo posible la liberación de sustancias contaminantes a la atmósfera que puedan ocasionar problemas de contaminación industrial.Conseguir que tanto el proceso de incineración como el tratamiento de los gases se realice en condiciones óptimas presupone tener un buen conocimiento de las dependencias entre las variables de proceso. Se precisan métodos adecuados de medida de las variables más importantes y tratar los valores medidos con modelos adecuados para transformarlos en magnitudes de mando. Un modelo clásico para el control parece poco prometedor en este caso debido a la complejidad de los procesos, la falta de descripción cuantitativa y la necesidad de hacer los cálculos en tiempo real. Esto sólo se puede conseguir con la ayuda de las modernas técnicas de proceso de datos y métodos informáticos, tales como el empleo de técnicas de simulación, modelos matemáticos, sistemas basados en el conocimiento e interfases inteligentes. En [Ono, 1989] se describe un sistema de control basado en la lógica difusa aplicado al campo de la incineración de residuos urbanos. En el centro de investigación FZK de Karslruhe se están desarrollando aplicaciones que combinan la lógica difusa con las redes neuronales [Jaeschke, Keller, 1994] para el control de la planta piloto de incineración de residuos TAMARA. En esta tesis se plantea la aplicación de un método de adquisición de conocimiento para el control de sistemas complejos inspirado en el comportamiento humano. Cuando nos encontramos ante una situación desconocida al principio no sabemos como actuar, salvo por la extrapolación de experiencias anteriores que puedan ser útiles. Aplicando procedimientos de prueba y error, refuerzo de hipótesis, etc., vamos adquiriendo y refinando el conocimiento, y elaborando un modelo mental. Podemos diseñar un método análogo, que pueda ser implementado en un sistema informático, mediante el empleo de técnicas de Inteligencia Artificial.Así, en un proceso complejo muchas veces disponemos de un conjunto de datos del proceso que a priori no nos dan información suficientemente estructurada para que nos sea útil. Para la adquisición de conocimiento pasamos por una serie de etapas: - Hacemos una primera selección de cuales son las variables que nos interesa conocer. - Estado del sistema. En primer lugar podemos empezar por aplicar técnicas de clasificación (aprendizaje no supervisado) para agrupar los datos y obtener una representación del estado de la planta. Es posible establecer una clasificación, pero normalmente casi todos los datos están en una sola clase, que corresponde a la operación normal. Hecho esto y para refinar el conocimiento utilizamos métodos estadísticos clásicos para buscar correlaciones entre variables (análisis de componentes principales) y así poder simplificar y reducir la lista de variables. - Análisis de las señales. Para analizar y clasificar las señales (por ejemplo la temperatura del horno) es posible utilizar métodos capaces de describir mejor el comportamiento no lineal del sistema, como las redes neuronales. Otro paso más consiste en establecer relaciones causales entre las variables. Para ello nos sirven de ayuda los modelos analíticos - Como resultado final del proceso se pasa al diseño del sistema basado en el conocimiento. El objetivo principal es aplicar el método al caso concreto del control de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética. En primer lugar, en el capítulo 2 Los residuos sólidos urbanos, se trata el problema global de la gestión de los residuos, dando una visión general de las diferentes alternativas existentes, y de la situación nacional e internacional en la actualidad. Se analiza con mayor detalle la problemática de la incineración de los residuos, poniendo especial interés en aquellas características de los residuos que tienen mayor importancia de cara al proceso de combustión.En el capítulo 3, Descripción del proceso, se hace una descripción general del proceso de incineración y de los distintos elementos de una planta incineradora: desde la recepción y almacenamiento de los residuos, pasando por los distintos tipos de hornos y las exigencias de los códigos de buena práctica de combustión, el sistema de aire de combustión y el sistema de humos. Se presentan también los distintos sistemas de depuración de los gases de combustión, y finalmente el sistema de evacuación de cenizas y escorias.El capítulo 4, La planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos de Girona, describe los principales sistemas de la planta incineradora de Girona: la alimentación de residuos, el tipo de horno, el sistema de recuperación de energía, y el sistema de depuración de los gases de combustión Se describe también el sistema de control, la operación, los datos de funcionamiento de la planta, la instrumentación y las variables que son de interés para el control del proceso de combustión.En el capítulo 5, Técnicas utilizadas, se proporciona una visión global de los sistemas basados en el conocimiento y de los sistemas expertos. Se explican las diferentes técnicas utilizadas: redes neuronales, sistemas de clasificación, modelos cualitativos, y sistemas expertos, ilustradas con algunos ejemplos de aplicación.Con respecto a los sistemas basados en el conocimiento se analizan en primer lugar las condiciones para su aplicabilidad, y las formas de representación del conocimiento. A continuación se describen las distintas formas de razonamiento: redes neuronales, sistemas expertos y lógica difusa, y se realiza una comparación entre ellas. Se presenta una aplicación de las redes neuronales al análisis de series temporales de temperatura.Se trata también la problemática del análisis de los datos de operación mediante técnicas estadísticas y el empleo de técnicas de clasificación. Otro apartado está dedicado a los distintos tipos de modelos, incluyendo una discusión de los modelos cualitativos.Se describe el sistema de diseño asistido por ordenador para el diseño de sistemas de supervisión CASSD que se utiliza en esta tesis, y las herramientas de análisis para obtener información cualitativa del comportamiento del proceso: Abstractores y ALCMEN. Se incluye un ejemplo de aplicación de estas técnicas para hallar las relaciones entre la temperatura y las acciones del operador. Finalmente se analizan las principales características de los sistemas expertos en general, y del sistema experto CEES 2.0 que también forma parte del sistema CASSD que se ha utilizado.El capítulo 6, Resultados, muestra los resultados obtenidos mediante la aplicación de las diferentes técnicas, redes neuronales, clasificación, el desarrollo de la modelización del proceso de combustión, y la generación de reglas. Dentro del apartado de análisis de datos se emplea una red neuronal para la clasificación de una señal de temperatura. También se describe la utilización del método LINNEO+ para la clasificación de los estados de operación de la planta.En el apartado dedicado a la modelización se desarrolla un modelo de combustión que sirve de base para analizar el comportamiento del horno en régimen estacionario y dinámico. Se define un parámetro, la superficie de llama, relacionado con la extensión del fuego en la parrilla. Mediante un modelo linealizado se analiza la respuesta dinámica del proceso de incineración. Luego se pasa a la definición de relaciones cualitativas entre las variables que se utilizan en la elaboración de un modelo cualitativo. A continuación se desarrolla un nuevo modelo cualitativo, tomando como base el modelo dinámico analítico.Finalmente se aborda el desarrollo de la base de conocimiento del sistema experto, mediante la generación de reglas En el capítulo 7, Sistema de control de una planta incineradora, se analizan los objetivos de un sistema de control de una planta incineradora, su diseño e implementación. Se describen los objetivos básicos del sistema de control de la combustión, su configuración y la implementación en Matlab/Simulink utilizando las distintas herramientas que se han desarrollado en el capítulo anterior.Por último para mostrar como pueden aplicarse los distintos métodos desarrollados en esta tesis se construye un sistema experto para mantener constante la temperatura del horno actuando sobre la alimentación de residuos.Finalmente en el capítulo Conclusiones, se presentan las conclusiones y resultados de esta tesis.

Les grans infrastructures de transport i el desenvolupament de la ciutat mitjana. El Tren d'Alta Velocitat a les ciutats de Lleida, Avinyó i Novara

L'objectiu central de la tesi és estudiar els processos que permeten aconseguir un desenvolupament local a llarg termini de les ciutats mitjanes a partir de la implantació d'una gran infrastructura com el Tren d'Alta Velocitat (TAV). Es parteix de la hipòtesi que el desenvolupament local urbà a partir del TAV depèn de factors objectius i de factors subjectius (dels subjectes), uns factors que prenen una forma particular en el desenvolupament de les ciutats mitjanes. La tesi es divideix en una primera part teòrica i segona de més aplicada. Diversos autors han arribat a la conclusió que la relació tradicional que s'ha donat entre les infrastructures de transport i territori parteix d'uns paradigmes deterministes, que s'exemplifiquen amb una relació de "causa-efecte". Per aquest motiu, s'han criticat els estudis sobre els efectes socioeconòmics de les infrastructures de transport, així com el mateix concepte d'"efecte". Aquesta crítica es repeteix els estudis sobre el TAV i les ciutats mitjanes, que arriben a la conclusió que el desenvolupament econòmic no és un fet automàtic i que no es poden predir les conseqüències a mig i llarg termini del TAV. El desenvolupament local a partir del TAV, doncs, estaria relacionat amb tres elements principals. En primer lloc, entendre que la ciutat -i el territori- és un fenomen complex i, com a tal, cal abordar-lo des de la teoria dels sistemes complexos. En segon lloc, la gran infrastructura ha de convertir-se en un recurs endogen (interconnexió amb la xarxa local d'actors i territorialització en el milieu de la ciutat) per a que pugui contribuir al desenvolupament. En tercer lloc, la dinàmica de governance dels actors és primordial, i es divideix en la gestió interna de la xarxa local (projecte local) i la gestió multinivell de les administracions. En base als referents teòrics, es construeix una metodologia per avaluar el grau de desenvolupament local que ha comportat el TAV en tres ciutats mitjanes de l'arc mediterrani europeu, Lleida, Avinyó i Novara, situades respectivament a Espanya, França i Itàlia. La metodologia preveu l'estudi d'aspectes tècnics de la ciutat com els de transport (Posició territorial de la ciutat a partir del TAV, Característiques de l'estació TAV), urbanístics (Model urbanístic a escala municipal/urbana, Model urbanístic a escala de l'estació) i econòmics (Diferents projectes econòmics de la ciutat relacionats amb el TAV). També preveu l'estudi d'aspectes organitzatius externs (Els agents supralocals i els seus projectes, Grau de conflictivitat i cooperació en les relacions dels agents locals i supralocals) i interns (Capacitat de creació d'un projecte de ciutat a partir del TAV, Agents que participen en el projecte local i la seva dinàmica, Àmbit territorial dels projectes). Finalment s'efectua una avaluació del procés i dels resultats del desenvolupament local. Com a conclusió es demostra que el procés de desenvolupament local a partir de les grans infrastructures de transport depèn, en bon part, de la capacitat de governance. Depèn, per un cantó, de la capacitat dels agents locals d'elaborar un projecte de desenvolupament i liderar unes estratègies d'aprofitament i, de l'altre, de la capacitat dels agents del territori (estatals, regionals, locals) de crear aliances i cooperació per planificar la infrastructura de transport. Finalment es presenten un seguit de recomanacions a les ciutats que volen planificar l'arribada del TAV per a que contribueixi a un desenvolupament amb les característiques d'eficàcia, sostenibilitat, productivitat i equitat.

Gestão da comunicação interna como uma ferramenta estratégica

A presente dissertação consiste num trabalho de investigação descritivo e exploratório, cujo principal objetivo é conhecer a eficácia da comunicação interna na organização. Atualmente tem-se apontado que a comunicação interna é um dos fatores geradores de comprometimento. Como as organizações são sistemas complexos, esta é uma ferramenta que pode favorecer a unidade organizacional. A comunicação interna é uma condição essencial para o bom funcionamento das organizações e um diferencial competitivo num mercado cada vez mais concorrencial. As organizações que possuem bons sistemas de comunicação interna são capazes de atingir melhores condições de planeamento estratégico, onde a informação flui com mais rapidez e facilidade.

Implicit learning: Below the subjective threshold?

In this review, we consider three possible criteria by which knowledge might be regarded as implicit or inaccessible: It might be implicit only in the sense that it is difficult to articulate freely, or it might be implicit according to either an objective threshold or a subjective threshold. We evaluate evidence for these criteria in relation to artificial grammar learning, the control of complex systems, and sequence learning, respectively. We argue that the convincing evidence is not yet in, but construing the implicit nature of implicit learning in terms of a subjective threshold is most likely to prove fruitful for future research. Furthermore, the subjective threshold criterion may demarcate qualitatively different types of knowledge. We argue that (1) implicit, rather than explicit, knowledge is often relatively inflexible in transfer to different domains, (2) implicit, rather than explicit, learning occurs when attention is focused on specific items and not underlying rules, and (3) implicit learning and the resulting knowledge are often relatively robust.

Insight overview: natural selection 150 years on

The theory of evolution by natural selection has prospered in its first 150 years and provides a consistent account of species as highly adapted and rare survivors in the struggle for existence. It now faces the challenge of finding order in the evolution of complex systems, including human society.

A study on intelligent building models

Mathematical models devoted to different aspects of building studies and brought about a significant shift in the way we view buildings. From this background a new definition of building has emerged known as intelligent building that requires integration of a variety of computer-based complex systems. Research relevant to intelligent continues to grow at a much faster pace. This paper is a review of different mathematical models described in literature, which make use of different mathematical methodologies, and are intended for intelligent building studies without complex mathematical details. Models are discussed under a wide classification. Mathematical abstract level of the applied models is detailed and integrated with its literature. The goal of this paper is to present a comprehensive account of the achievements and status of mathematical models in intelligent building research. and to suggest future directions in models.

Algorithmic statistical analysis of electrophysiological data for the investigation of structure-activity relationship in single neurons

We are developing computational tools supporting the detailed analysis of the dependence of neural electrophysiological response on dendritic morphology. We approach this problem by combining simulations of faithful models of neurons (experimental real life morphological data with known models of channel kinetics) with algorithmic extraction of morphological and physiological parameters and statistical analysis. In this paper, we present the novel method for an automatic recognition of spike trains in voltage traces, which eliminates the need for human intervention. This enables classification of waveforms with consistent criteria across all the analyzed traces and so it amounts to reduction of the noise in the data. This method allows for an automatic extraction of relevant physiological parameters necessary for further statistical analysis. In order to illustrate the usefulness of this procedure to analyze voltage traces, we characterized the influence of the somatic current injection level on several electrophysiological parameters in a set of modeled neurons. This application suggests that such an algorithmic processing of physiological data extracts parameters in a suitable form for further investigation of structure-activity relationship in single neurons.

Land re-use, complexity and actor-networks: a framework for research

This paper will present a conceptual framework for the examination of land redevelopment based on a complex systems/networks approach. As Alvin Toffler insightfully noted, modern scientific enquiry has become exceptionally good at splitting problems into pieces but has forgotten how to put the pieces back together. Twenty-five years after his remarks, governments and corporations faced with the requirements of sustainability are struggling to promote an ‘integrated’ or ‘holistic’ approach to tackling problems. Despite the talk, both practice and research provide few platforms that allow for ‘joined up’ thinking and action. With socio-economic phenomena, such as land redevelopment, promising prospects open up when we assume that their constituents can make up complex systems whose emergent properties are more than the sum of the parts and whose behaviour is inherently difficult to predict. A review of previous research shows that it has mainly focused on idealised, ‘mechanical’ views of property development processes that fail to recognise in full the relationships between actors, the structures created and their emergent qualities. When reality failed to live up to the expectations of these theoretical constructs then somebody had to be blamed for it: planners, developers, politicians. However, from a ‘synthetic’ point of view the agents and networks involved in property development can be seen as constituents of structures that perform complex processes. These structures interact, forming new more complex structures and networks. Redevelopment then can be conceptualised as a process of transformation: a complex system, a ‘dissipative’ structure involving developers, planners, landowners, state agencies etc., unlocks the potential of previously used sites, transforms space towards a higher order of complexity and ‘consumes’ but also ‘creates’ different forms of capital in the process. Analysis of network relations point toward the ‘dualism’ of structure and agency in these processes of system transformation and change. Insights from actor network theory can be conjoined with notions of complexity and chaos to build an understanding of the ways in which actors actively seek to shape these structures and systems, whilst at the same time are recursively shaped by them in their strategies and actions. This approach transcends the blame game and allows for inter-disciplinary inputs to be placed within a broader explanatory framework that does away with many past dichotomies. Better understanding of the interactions between actors and the emergent qualities of the networks they form can improve our comprehension of the complex socio-spatial phenomena that redevelopment comprises. The insights that this framework provides when applied in UK institutional investment into redevelopment are considered to be significant.

Symmetry breaking, mixing, instability, and low frequency variability in a minimal Lorenz-like system

Starting from the classical Saltzman two-dimensional convection equations, we derive via a severe spectral truncation a minimal 10 ODE system which includes the thermal effect of viscous dissipation. Neglecting this process leads to a dynamical system which includes a decoupled generalized Lorenz system. The consideration of this process breaks an important symmetry and couples the dynamics of fast and slow variables, with the ensuing modifications to the structural properties of the attractor and of the spectral features. When the relevant nondimensional number (Eckert number Ec) is different from zero, an additional time scale of O(Ec−1) is introduced in the system, as shown with standard multiscale analysis and made clear by several numerical evidences. Moreover, the system is ergodic and hyperbolic, the slow variables feature long-term memory with 1/f3/2 power spectra, and the fast variables feature amplitude modulation. Increasing the strength of the thermal-viscous feedback has a stabilizing effect, as both the metric entropy and the Kaplan-Yorke attractor dimension decrease monotonically with Ec. The analyzed system features very rich dynamics: it overcomes some of the limitations of the Lorenz system and might have prototypical value in relevant processes in complex systems dynamics, such as the interaction between slow and fast variables, the presence of long-term memory, and the associated extreme value statistics. This analysis shows how neglecting the coupling of slow and fast variables only on the basis of scale analysis can be catastrophic. In fact, this leads to spurious invariances that affect essential dynamical properties (ergodicity, hyperbolicity) and that cause the model losing ability in describing intrinsically multiscale processes.

Hyperactive governance in the Thames Gateway

This paper examines the implementation of brownfield regeneration policies in the UK within the context of complex systems of multi-level governance. Using the regeneration of the Thames Gateway as an example, it explores how the Government's centrally driven institutional arrangements have undermined leadership in this key development project. The Government's approach to brownfield governance is characterised as one of constant intervention in the Thames Gateway in an ad hoc and incoherent fashion. Congested and fragmented governance structures are the result. These, this paper argues, have diffused the focus and undermined the leadership of policy and implementation. It is suggested that the adoption of the principles of policy mapping and weaving would bring more clarity and coherence to the governance of the Thames Gateway.

Extending feature usage: a study of the post-adoption of electronic medical records

Technology Acceptance Model (TAM) posits that Perceived Ease of Use (PEOU) and Perceived Usefulness (PU) influence the ‘intention to use’. The Post-Acceptance Model (PAM) posits that continued use is influenced by prior experience. In order to study the factors that influence how professionals use complex systems, we create a tentative research model that builds on PAM and TAM. Specifically we include PEOU and the construct ‘Professional Association Guidance’. We postulate that feature usage is enhanced when professional associations influence PU by highlighting additional benefits. We explore the theory in the context of post-adoption use of Electronic Medical Records (EMRs) by primary care physicians in Ontario. The methodology can be extended to other professional environments and we suggest directions for future research.

Dynamical complexity in a mean-field model of human EEG

A recently proposed mean-field theory of mammalian cortex rhythmogenesis describes the salient features of electrical activity in the cerebral macrocolumn, with the use of inhibitory and excitatory neuronal populations (Liley et al 2002). This model is capable of producing a range of important human EEG (electroencephalogram) features such as the alpha rhythm, the 40 Hz activity thought to be associated with conscious awareness (Bojak & Liley 2007) and the changes in EEG spectral power associated with general anesthetic effect (Bojak & Liley 2005). From the point of view of nonlinear dynamics, the model entails a vast parameter space within which multistability, pseudoperiodic regimes, various routes to chaos, fat fractals and rich bifurcation scenarios occur for physiologically relevant parameter values (van Veen & Liley 2006). The origin and the character of this complex behaviour, and its relevance for EEG activity will be illustrated. The existence of short-lived unstable brain states will also be discussed in terms of the available theoretical and experimental results. A perspective on future analysis will conclude the presentation.