Las Redes de Petri Interpretadas en el Diagnóstico de Fallos de Sistemas Híbridos. Aplicación a un Helicóptero no Tripulado

La seguridad y fiabilidad de los procesos industriales son la principal preocupación de los ingenieros encargados de las plantas industriales. Por lo tanto, desde un punto de vista económico, el objetivo principal es reducir el costo del mantenimiento, el tiempo de inactividad y las pérdidas causadas por los fallos. Por otra parte, la seguridad de los operadores, que afecta a los aspectos sociales y económicos, es el factor más relevante a considerar en cualquier sistema Debido a esto, el diagnóstico de fallos se ha convertido en un foco importante de interés para los investigadores de todo el mundo e ingenieros en la industria. Los principales trabajos enfocados en detección de fallos se basan en modelos de los procesos. Existen diferentes técnicas para el modelado de procesos industriales tales como máquinas de estado, árboles de decisión y Redes de Petri (RdP). Por lo tanto, esta tesis se centra en el modelado de procesos utilizando redes de petri interpretadas. Redes de Petri es una herramienta usada en el modelado gráfico y matemático con la habilidad para describir información de los sistemas de una manera concurrente, paralela, asincrona, distribuida y no determinística o estocástica. RdP son también una herramienta de comunicación visual gráfica útil como lo son las cartas de flujo o diagramas de bloques. Adicionalmente, las marcas de las RdP simulan la dinámica y concurrencia de los sistemas. Finalmente, ellas tienen la capacidad de definir ecuaciones de estado específicas, ecuaciones algebraicas y otros modelos que representan el comportamiento común de los sistemas. Entre los diferentes tipos de redes de petri (Interpretadas, Coloreadas, etc.), este trabajo de investigación trata con redes de petri interpretadas principalmente debido a características tales como sincronización, lugares temporizados, aparte de su capacidad para procesamiento de datos. Esta investigación comienza con el proceso para diseñar y construir el modelo y diagnosticador para detectar fallos definitivos, posteriormente, la dinámica temporal fue adicionada para detectar fallos intermitentes. Dos procesos industriales, concretamente un HVAC (Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado) y un Proceso de Envasado de Líquidos fueron usados como banco de pruebas para implementar la herramienta de diagnóstico de fallos (FD) creada. Finalmente, su capacidad de diagnóstico fue ampliada en orden a detectar fallos en sistemas híbridos. Finalmente, un pequeño helicóptero no tripulado fue elegido como ejemplo de sistema donde la seguridad es un desafío, y las técnicas de detección de fallos desarrolladas en esta tesis llevan a ser una herramienta valorada, desde que los accidentes de las aeronaves no tripuladas (UAVs) envuelven un alto costo económico y son la principal razón para introducir restricciones de volar sobre áreas pobladas. Así, este trabajo introduce un proceso sistemático para construir un Diagnosticador de Fallos del sistema mencionado basado en RdR Esta novedosa herramienta es capaz de detectar fallos definitivos e intermitentes. El trabajo realizado es discutido desde un punto de vista teórico y práctico. El procedimiento comienza con la división del sistema en subsistemas para seguido integrar en una RdP diagnosticadora global que es capaz de monitorear el sistema completo y mostrar las variables críticas al operador en orden a determinar la salud del UAV, para de esta manera prevenir accidentes. Un Sistema de Adquisición de Datos (DAQ) ha sido también diseñado para recoger datos durante los vuelos y alimentar la RdP diagnosticadora. Vuelos reales realizados bajo condiciones normales y de fallo han sido requeridos para llevar a cabo la configuración del diagnosticador y verificar su comportamiento. Vale la pena señalar que un alto riesgo fue asumido en la generación de fallos durante los vuelos, a pesar de eso esto permitió recoger datos básicos para desarrollar el diagnóstico de fallos, técnicas de aislamiento, protocolos de mantenimiento, modelos de comportamiento, etc. Finalmente, un resumen de la validación de resultados obtenidos durante las pruebas de vuelo es también incluido. Un extensivo uso de esta herramienta mejorará los protocolos de mantenimiento para UAVs (especialmente helicópteros) y permite establecer recomendaciones en regulaciones. El uso del diagnosticador usando redes de petri es considerado un novedoso enfoque. ABSTRACT Safety and reliability of industrial processes are the main concern of the engineers in charge of industrial plants. Thus, from an economic point of view, the main goal is to reduce the maintenance downtime cost and the losses caused by failures. Moreover, the safety of the operators, which affects to social and economic aspects, is the most relevant factor to consider in any system. Due to this, fault diagnosis has become a relevant focus of interest for worldwide researchers and engineers in the industry. The main works focused on failure detection are based on models of the processes. There are different techniques for modelling industrial processes such as state machines, decision trees and Petri Nets (PN). Thus, this Thesis is focused on modelling processes by using Interpreted Petri Nets. Petri Nets is a tool used in the graphic and mathematical modelling with ability to describe information of the systems in a concurrent, parallel, asynchronous, distributed and not deterministic or stochastic manner. PNs are also useful graphical visual communication tools as flow chart or block diagram. Additionally, the marks of the PN simulate the dynamics and concurrence of the systems. Finally, they are able to define specific state equations, algebraic equations and other models that represent the common behaviour of systems. Among the different types of PN (Interpreted, Coloured, etc.), this research work deals with the interpreted Petri Nets mainly due to features such as synchronization capabilities, timed places, apart from their capability for processing data. This Research begins with the process for designing and building the model and diagnoser to detect permanent faults, subsequently, the temporal dynamic was added for detecting intermittent faults. Two industrial processes, namely HVAC (Heating, Ventilation and Air Condition) and Liquids Packaging Process were used as testbed for implementing the Fault Diagnosis (FD) tool created. Finally, its diagnostic capability was enhanced in order to detect faults in hybrid systems. Finally, a small unmanned helicopter was chosen as example of system where safety is a challenge and fault detection techniques developed in this Thesis turn out to be a valuable tool since UAVs accidents involve high economic cost and are the main reason for setting restrictions to fly over populated areas. Thus, this work introduces a systematic process for building a Fault Diagnoser of the mentioned system based on Petri Nets. This novel tool is able to detect both intermittent and permanent faults. The work carried out is discussed from theoretical and practical point of view. The procedure begins with a division of the system into subsystems for further integration into a global PN diagnoser that is able to monitor the whole system and show critical variables to the operator in order to determine the UAV health, preventing accidents in this manner. A Data Acquisition System (DAQ) has been also designed for collecting data during the flights and feed PN Diagnoser. Real flights carried out under nominal and failure conditions have been required to perform the diagnoser setup and verify its performance. It is worth noting that a high risk was assumed in the generation of faults during the flights, nevertheless this allowed collecting basic data so as to develop fault diagnosis, isolations techniques, maintenance protocols, behaviour models, etc. Finally, a summary of the validation results obtained during real flight tests is also included. An extensive use of this tool will improve preventive maintenance protocols for UAVs (especially helicopters) and allow establishing recommendations in regulations. The use of the diagnoser by using Petri Nets is considered as novel approach.

Discrete linear stability and sensitivity analysis of fluid flows

Este trabajo presenta un método discreto para el cálculo de estabilidad hidrodinámica y análisis de sensibilidad a perturbaciones externas para ecuaciones diferenciales y en particular para las ecuaciones de Navier-Stokes compressible. Se utiliza una aproximación con variable compleja para obtener una precisión analítica en la evaluación de la matriz Jacobiana. Además, mapas de sensibilidad para la sensibilidad a las modificaciones del flujo de base y a una fuerza constante permiten identificar las regiones del campo fluido donde una modificacin (ej. fuerza puntual) tiene un efecto estabilizador del flujo. Se presentan cuatro casos de prueba: (1) un caso analítico para comprobar la derivación discreta, (2) una cavidad cerrada a bajo Reynolds para mostrar la mayor precisión en el cálculo de los valores propios con la aproximación de paso complejo, (3) flujo 2D en un cilindro circular para validar la metodología, y (4) flujo en un cavidad abierta, presentado para validar el método en casos de inestabilidades convectivamente inestables. Los tres últimos casos mencionados (2-4) se resolvieron con las ecuaciones de Navier-Stokes compresibles, utilizando un método Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Se obtuvo una buena concordancia para el caso de validación (3), cuando se comparó el nuevo método con resultados de la literatura. Además, este trabajo muestra que para el cálculo de los modos propios directos y adjuntos, así como para los mapas de sensibilidad, el uso de variables complejas es de suprema importancia para obtener una predicción precisa. El método descrito es aplicado al análisis para la estabilización de la estela generada por un disco actuador, que representa un modelo sencillo para hélices, rotores de helicópteros o turbinas eólicas. Se explora la primera bifurcación del flujo para un disco actuador, y se sugiere que está asociada a una inestabilidad de tipo Kelvin-Helmholtz, cuya estabilidad se controla con en el número de Reynolds y en la resistencia del disco actuador (o fuerza resistente). En primer lugar, se verifica que la disminución de la resistencia del disco tiene un efecto estabilizador parecido a una disminución del Reynolds. En segundo lugar, el análisis hidrodinmico discreto identifica dos regiones para la colocación de una fuerza puntual que controle las inestabilidades, una cerca del disco y otra en una zona aguas abajo. En tercer lugar, se muestra que la inclusión de un forzamiento localizado cerca del actuador produce una estabilización más eficiente que al forzar aguas abajo. El análisis de los campos de flujo controlados confirma que modificando el gradiente de velocidad cerca del actuador es más eficiente para estabilizar la estela. Estos resultados podrían proporcionar nuevas directrices para la estabilización de la estela de turbinas de viento o de marea cuando estén instaladas en un parque eólico y minimizar las interacciones no estacionarias entre turbinas. ABSTRACT A discrete framework for computing the global stability and sensitivity analysis to external perturbations for any set of partial differential equations is presented. In particular, a complex-step approximation is used to achieve near analytical accuracy for the evaluation of the Jacobian matrix. Sensitivity maps for the sensitivity to base flow modifications and to a steady force are computed to identify regions of the flow field where an input could have a stabilising effect. Four test cases are presented: (1) an analytical test case to prove the theory of the discrete framework, (2) a lid-driven cavity at low Reynolds case to show the improved accuracy in the calculation of the eigenvalues when using the complex-step approximation, (3) the 2D flow past a circular cylinder at just below the critical Reynolds number is used to validate the methodology, and finally, (4) the flow past an open cavity is presented to give an example of the discrete method applied to a convectively unstable case. The latter three (2–4) of the aforementioned cases were solved with the 2D compressible Navier–Stokes equations using a Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Good agreement was obtained for the validation test case, (3), with appropriate results in the literature. Furthermore, it is shown that for the calculation of the direct and adjoint eigenmodes and their sensitivity maps to external perturbations, the use of complex variables is paramount for obtaining an accurate prediction. An analysis for stabilising the wake past an actuator disc, which represents a simple model for propellers, helicopter rotors or wind turbines is also presented. We explore the first flow bifurcation for an actuator disc and it suggests that it is associated to a Kelvin- Helmholtz type instability whose stability relies on the Reynolds number and the flow resistance applied through the disc (or actuator forcing). First, we report that decreasing the disc resistance has a similar stabilising effect to an decrease in the Reynolds number. Second, a discrete sensitivity analysis identifies two regions for suitable placement of flow control forcing, one close to the disc and one far downstream where the instability originates. Third, we show that adding a localised forcing close to the actuator provides more stabilisation that forcing far downstream. The analysis of the controlled flow fields, confirms that modifying the velocity gradient close to the actuator is more efficient to stabilise the wake than controlling the sheared flow far downstream. An interesting application of these results is to provide guidelines for stabilising the wake of wind or tidal turbines when placed in an energy farm to minimise unsteady interactions.

Helitransporte medicalizado: Situación actual en España y análisis de los últimos doce años de actividad en Andalucía

INTRODUCCIÓN • Los servicios de emergencia médica con helicópteros, en adelante HEMS (Helicopter Emergency Medical Service) son una herramienta consolidada en la asistencia sanitaria extra-hospitalaria y un componente esencial dentro de un sistema integral de emergencias. • Deben ser diseñados para mejorar la accesibilidad al diagnóstico y el tratamiento especializado en procesos severos y de rápido deterioro. • Deberían aportar el mejor tratamiento in situ con un elevado nivel de competencia y proporcionar una reducción del tiempo de traslado al centro de referencia. OBJETIVOS: • Describir las características y actividad global en 2014 de los helicópteros medicalizados de España. • Analizar la evolución de la actividad de los helicópteros de emergencias médicas (HEMS) en Andalucía entre 2003 y 2014. • Analizar las características así como el abordaje terapéutico de los traumatismos graves atendidos por los HEMS en Andalucía en 2013 y 2014. METODOLOGÍA: • Estudio descriptivo transversal mediante cuestionario semiestructurado a un profesional de cada helicóptero medicalizado de España: Se incluyen 31 helicópteros de emergencia médica, 4 de rescate medicalizado y 6 multi-propósito. • Estudio descriptivo retrospectivo de los registros de las demandas asistenciales asignadas a los HEMS en Andalucía entre 2003 y 2014. • Estudio descriptivo retrospectivo de las historias clínicas realizadas por los HEMS en Andalucía en 2013-14 a traumatismos graves, definido por la escala de trauma score revisada. RESULTADOS: • Se obtienen datos de actividad sanitaria de 35 helicópteros. En 2014 recibieron 10.824 activaciones y completaron 8.893 asistencias, el 79% primarias. Trasladaron 7.056 pacientes. Las facilidades HEMS de 65 hospitales de referencia fueron: 69% con helipuerto propio, 38% transferencia directa y el 45% homologados para operación nocturna. • En Andalucía en el periodo 2003-14 los HEMS recibieron 19.793 activaciones y completaron 14.646 asistencias, el 82% primarias. 8.792 pacientes fueron trasladados en helicóptero. Hay una reducción de la actividad desde 2007 paralela a la disminución de los accidentes de tráficos. • En 2013 y 2014 los helicópteros andaluces atendieron 700 pacientes con traumatismos. En 565 registros pudo calcularse el trauma score (RTS-T) que fue menor de 12 en 112 casos que consideramos graves. De ellos, el 47% fue ocasionado por accidente de transporte, el traumatismo craneal fue el más frecuente alcanzando el 67%. El 68% de los pacientes graves precisó una intubación orotraqueal en la escena. La mortalidad durante la asistencia fue del 9’8% para los pacientes graves frente al 0’4% de aquellos que consideramos no graves. CONCLUSIONES: • Los HEMS en España han tenido un notable desarrollo en los últimos 16. Años aunque la disponibilidad de HEMS nocturno es aun baja. Existe gran variabilidad entre los sistemas adoptados en cada comunidad autónoma. El equipamiento de seguridad del personal sanitario de muchas bases no alcanza estándares internacionales. • El rescate medicalizado está disponible sólo en 5 comunidades autónomas cuya gran experiencia puede guiar la introducción en otras. • Los HEMS de Andalucía tienen una elevada actividad global, con un notable incremento en el periodo 2003-2014. La misiones más frecuentes fueron la asistencia primaria a traumatismos, especialmente cráneo-encefálicos. La actividad a primarios alcanzó el máximo en 2007 y descendió en paralelo a los accidentes de trafico. En el periodo se triplicaron las cancelaciones a misiones primarias y se duplicaron los traslados interhospitalarios. • Existe gran variabilidad en la especialización del personal sanitario así como en el volumen y tipo de demandas realizadas en las diferentes bases HEMS de Andalucía. • Es necesario incrementar la cantidad y la calidad de helisuperficies de los hospitales de referencia en Andalucía para que permitan la transferencia sin ambulancia. • Son necesarios nuevos estudios que comparen la morbi-mortalidad y los tiempos de las asistencias realizadas por HEMS y por ambulancias terrestres.

Emprego de forças aeromóveis : Uma perspetiva histórica

O presente Trabalho de Investigação Aplicada encontra-se subordinado ao tema “Emprego de Forças Aeromóveis – Uma Perspetiva Histórica”. Tendo este trabalho como objetivo principal explicar como é que a evolução do helicóptero, durante os conflitos em estudo, influenciou o emprego tático de forças aeromóveis. Para a realização deste trabalho de investigação seguimos as etapas do procedimento definidas por Raymond Quivy e Luc Van Campenhoudt, adotando o método indutivo, tendo abordado operações específicas para retirar conclusões gerais da guerra em estudo. Os dados foram recolhidos recorrendo sobretudo à análise documental e pesquisa bibliográfica. Como resultados mais significativos temos o facto de em ambos os conflitos em estudo, o emprego de forças aeromóveis se ter tornado decisivo no decorrer da operação, sendo este tipo de forças consideradas bastante eficazes e uma mais-valia para o comandante aumentando o leque de opções à disposição deste. A capacidade aeromóvel no Exército Português é inexistente, porém esta é uma capacidade dada como adquirida e frequentemente empregue nos mais recentes teatros de operações. É também uma capacidade essencial que um comandante tem à sua disposição, uma vez que aumenta o leque de opções à disposição do mesmo, tornando-se como tal importante estudá-la. Com a evolução dos meios aeromóveis o emprego tático das forças também evoluiu, acompanhando a mudança, o que veio a incrementar importância a este tipo de forças para o conflito em si.