Peligrosidad Sísmica en la Península Ibérica

Se estudia la peligrosidad sísmica en la Península Ibérica con una metodología no paramétrica basada en estimadores de densidad kernel; la tasa de actividad se deduce del catálogo, tanto en cuanto a su dependencia espacial (prescindiendo de zonificación) como en relación con la magnitud (obviando la ley de Gutenberg-Richter). El catálogo es el del Instituto Geográfico Nacional, complementado con otros en zonas periféricas, homogeneizado en su cuantificación de los terremotos y eliminando eventos espacial o temporalmente interrelacionados para mantener un modelo temporal de Poisson. La tasa de actividad sísmica viene determinada por la función kernel, el ancho de banda y los períodos efectivos. La tasa resultante se compara con la obtenida usando estadísticas de Gutenberg-Richter y una metodología zonificada. Se han empleado tres leyes de atenuación: una para terremotos profundos y dos para terremotos superficiales, dependiendo de que su magnitud fuera superior o inferior a 5. Los resultados se presentan en forma de mapas de peligrosidad para diversas frecuencias espectrales y períodos de retorno de 475 y 2475 años, lo que permite construir espectros de peligrosidad uniforme

Modelos de evolución de masas de pinus sylvestris l.

En el capítulo dedicado a la calidad de la estación, como primera etapa se realiza una exhaustiva revisión bibliográfica a partir de la cual se comprueba que los métodos más precisos para determinar esta calidad, en términos generales, son aquellos basados en la relación de la altura con la edad. En base a los datos que se encuentran disponibles y como fruto de esta revisión bibliográfica, se decide probar tres métodos: uno de ellos que estudia la evolución de la altura en función del diámetro (MEYER) y los otros dos en función de la edad (BAILEY y CLUTTER y GARCÍA). Para probar estos métodos, se utilizan datos de parcelas de producción distribuidas en los tres principales sistemas montañosos de España: Ibérico, Central y Pirenaico. El modelo de MEYER implica una clasificación previa de las parcelas en función de su clase de sitio y los ajustes se realizan para cada clase, con lo que se obtienen cuatro curvas polimórficas. La ecuación que describe este modelo es: H = 1.3 + s(1-e-bD) El modelo de BAILEY y CLUTTER genera también un sistema de curvas polimórficas y se genera a partir de la relación entre el 1og de la altura y la inversa de la edad: log H = a + b¡(1/AC) Este método implica una agrupación o estratificación de las parcelas en clases de sitio. Por último, se prueba el modelo de GARCÍA que se basa en una ecuación diferencial estocástica: dHc(t) = b(ac-Hc(t)) + a(t)dw(t) y se prueba la siguiente estructura paramétrica: a b c °"0 o *o H0 global 1 oca 1 g1obal 0.00 global 0.00 0.0 Posteriormente se hace un análisis de los residuos en que se aplica la prueba de Durbin-Watson que detecta la presencia de correlación serial. Se verifica la forma aproximada a un "cometa" en los residuos, lo que es frecuente en series de tiempo cuando la magnitud analizada (en nuestro caso, la altura dominante) se acumula en el tiempo. Esta prueba no es concluyente en el sentido de que no aclara que modelo es el más apropiado. Finalmente, se validan estos modelos utilizando datos de las parcelas de clara. Para esto se utiliza información de arboles tipo sometidos a análisis de tronco. Esta validación permite concluir que el modelo de GARCÍA es el que mejor explica la evolución del crecimiento en altura. En el capítulo dedicado a las distribuciones diamétricas, se pretende modelizar dichas distribuciones a través de variables de estado. Para esto, como primera etapa, se prueban para 45 parcelas y tres inventarios, las siguientes funciones: - Normal - Gamma - Ln de dos parámetros - Ln de tres parámetros - Beta I I - Wei bul 1 Mediante el uso de chi-cuadrado como estimador de la bondad del ajuste, se determina que la función de Weibull es la que mejor responde a la distribución diamétrica de nuestras parcelas. Posteriormente, se comprueba la bondad de dicho ajuste, mediante la prueba de Kolmogorov-Smirnov, el que determina que en el 99X de los casos, el ajuste es aceptable. Luego se procede a la recuperación de 1 os*parámetros de la función de Weibull; a, b y c. En esta etapa se estratifica la información y se realizan análisis de varianza (ANOVA) y pruebas de medias de TUKEY que dan como resultado el que se continúe trabajando por tratamiento y por inventario quedando la diferencia entre sitios absorbida por la altura dominante. Para la recuperación de los parámetros, se utilizan las variables de estado que definen a nuestras parcelas; edad, densidad, altura dominante, diámetro medio cuadrático y área basimétrica. El método seguido es la obtención de ecuaciones de regresión con las variables de estado como independientes para predecir los valores de los parámetros antes mencionados. Las ecuaciones se obtienen utilizando distintas vías (STEPWISE, ENTER y RSQUARE) lo que nos proporciona abundante material para efectuar la selección de éstas. La selección de las mejores ecuaciones se hace en base a dos estadísticos conocidos: - Coeficiente de determinación ajustado: R2 a - Cp de MALLOWS Estos elementos se tratan en forma conjunta considerando, además, que el número de parámetros esté en concordancia con el número de datos. El proceso de selección implica que se obtengan 36 ecuaciones de regresión que posteriormente se validan en dos sentidos. Por una parte, se calcula el valor de cada parámetro según la ecuación que le corresponda y se compara con el valor de los parámetros calculados en el ajuste de Weibull. Lo que se puede deducir de esta etapa es que la distorsión que sufren los parámetros al efectuar ecuaciones de regresión, es relativamente baja y la diferencia se produce debido a errores que se originan al realizar los modelos. Por otra parte, con las parcelas que se encuentren disponibles, se valida el modelo en el sentido de hacer el proceso inverso al anterior, es decir a partir de sus variables de estado, fácilmente medibles, se obtienen los valores de los parámetros que definen a la función de Weibull. Con esto se reconstruye la distribución diamétrica de cada función. Los resultados que se obtienen de esto indican que los ajustes son aceptables a un nivel del 1X en el caso de tres parcelas.

Yo mido, tú mides,... computer measurement performance

La transformación del concepto de medida en una sociedad interactiva y paramétrica.

Programa educativo “Deporte inclusivo en la escuela”: valoración de los profesores de educación física y de los deportistas paralímpicos participantes

El programa educativo de "Deporte Inclusivo en la Escuela" (DIE) se compone de una serie de actividades y recursos didácticos dirigidos a escolares de Secundaria Obligatoria y Bachillerato de la Comunidad de Madrid y a su profesorado, que busca la participación activa de personas con discapacidad en las actividades deportivas, fomentando los deportes paralímpicos a través de una metodología inclusiva, llevándose a cabo en las clases de Educación Física (EF). El presente trabajo, por un lado, analiza el citado programa a partir de la valoración de los profesores de Educación Física participantes (n=16, edad de media de 41,81 ± 7,06 años) de las ponencias de los deportistas paralímpicos que se han llevado a cabo dentro del programa DIE. Por otro lado, los deportistas paralímpicos (n=5, edad de media de 29,80 ± 6,83 años) han valorado el propio programa educativo. Para este fin y para recopilar la información necesaria, se han empleado dos cuestionarios diseñados a tal efecto. Estos cuestionarios han sido administrados tanto a los deportistas como a los profesores de EF de los centros respectivos participantes. Se calculó la media y desviación estándar para cada ítem estudiado. Se utilizó estadística no paramétrica, aplicándose la prueba U para evaluar las diferencias según género y edad (+/- 40 años) según pregunta utilizada. El nivel de significación fue establecido en p≤0,05. Los profesores valoran de forma muy positiva la disposición del deportista para dar a conocer los distintos aspectos de su vida deportiva (pregunta 5: 3,81 sobre 4) así como la propia identificación del deportista con los objetivos del programa (pregunta 2: 3,69 sobre 4). En relación al cuestionario de los deportistas Paralímpicos, éstos valoran muy positivamente la calidad del material deportivo prestado al centro para llevar a cabo el programa (pregunta 7: 4,6 sobre 5). Se puede concluir que la valoración de las ponencias por parte de los docentes, así como de los deportistas del propio programa, han sido más que satisfactorias, lo que indica que la inclusión de este tipo de ponencias en programas educativos deportivos es muy valorado por los profesores. Igualmente, los deportistas valoran de manera muy positiva el desarrollo de este tipo de programas educativos en el ámbito escolar.

Contributions to Bayesian network learning with applications to neuroscience

Neuronal morphology is a key feature in the study of brain circuits, as it is highly related to information processing and functional identification. Neuronal morphology affects the process of integration of inputs from other neurons and determines the neurons which receive the output of the neurons. Different parts of the neurons can operate semi-independently according to the spatial location of the synaptic connections. As a result, there is considerable interest in the analysis of the microanatomy of nervous cells since it constitutes an excellent tool for better understanding cortical function. However, the morphologies, molecular features and electrophysiological properties of neuronal cells are extremely variable. Except for some special cases, this variability makes it hard to find a set of features that unambiguously define a neuronal type. In addition, there are distinct types of neurons in particular regions of the brain. This morphological variability makes the analysis and modeling of neuronal morphology a challenge. Uncertainty is a key feature in many complex real-world problems. Probability theory provides a framework for modeling and reasoning with uncertainty. Probabilistic graphical models combine statistical theory and graph theory to provide a tool for managing domains with uncertainty. In particular, we focus on Bayesian networks, the most commonly used probabilistic graphical model. In this dissertation, we design new methods for learning Bayesian networks and apply them to the problem of modeling and analyzing morphological data from neurons. The morphology of a neuron can be quantified using a number of measurements, e.g., the length of the dendrites and the axon, the number of bifurcations, the direction of the dendrites and the axon, etc. These measurements can be modeled as discrete or continuous data. The continuous data can be linear (e.g., the length or the width of a dendrite) or directional (e.g., the direction of the axon). These data may follow complex probability distributions and may not fit any known parametric distribution. Modeling this kind of problems using hybrid Bayesian networks with discrete, linear and directional variables poses a number of challenges regarding learning from data, inference, etc. In this dissertation, we propose a method for modeling and simulating basal dendritic trees from pyramidal neurons using Bayesian networks to capture the interactions between the variables in the problem domain. A complete set of variables is measured from the dendrites, and a learning algorithm is applied to find the structure and estimate the parameters of the probability distributions included in the Bayesian networks. Then, a simulation algorithm is used to build the virtual dendrites by sampling values from the Bayesian networks, and a thorough evaluation is performed to show the model’s ability to generate realistic dendrites. In this first approach, the variables are discretized so that discrete Bayesian networks can be learned and simulated. Then, we address the problem of learning hybrid Bayesian networks with different kinds of variables. Mixtures of polynomials have been proposed as a way of representing probability densities in hybrid Bayesian networks. We present a method for learning mixtures of polynomials approximations of one-dimensional, multidimensional and conditional probability densities from data. The method is based on basis spline interpolation, where a density is approximated as a linear combination of basis splines. The proposed algorithms are evaluated using artificial datasets. We also use the proposed methods as a non-parametric density estimation technique in Bayesian network classifiers. Next, we address the problem of including directional data in Bayesian networks. These data have some special properties that rule out the use of classical statistics. Therefore, different distributions and statistics, such as the univariate von Mises and the multivariate von Mises–Fisher distributions, should be used to deal with this kind of information. In particular, we extend the naive Bayes classifier to the case where the conditional probability distributions of the predictive variables given the class follow either of these distributions. We consider the simple scenario, where only directional predictive variables are used, and the hybrid case, where discrete, Gaussian and directional distributions are mixed. The classifier decision functions and their decision surfaces are studied at length. Artificial examples are used to illustrate the behavior of the classifiers. The proposed classifiers are empirically evaluated over real datasets. We also study the problem of interneuron classification. An extensive group of experts is asked to classify a set of neurons according to their most prominent anatomical features. A web application is developed to retrieve the experts’ classifications. We compute agreement measures to analyze the consensus between the experts when classifying the neurons. Using Bayesian networks and clustering algorithms on the resulting data, we investigate the suitability of the anatomical terms and neuron types commonly used in the literature. Additionally, we apply supervised learning approaches to automatically classify interneurons using the values of their morphological measurements. Then, a methodology for building a model which captures the opinions of all the experts is presented. First, one Bayesian network is learned for each expert, and we propose an algorithm for clustering Bayesian networks corresponding to experts with similar behaviors. Then, a Bayesian network which represents the opinions of each group of experts is induced. Finally, a consensus Bayesian multinet which models the opinions of the whole group of experts is built. A thorough analysis of the consensus model identifies different behaviors between the experts when classifying the interneurons in the experiment. A set of characterizing morphological traits for the neuronal types can be defined by performing inference in the Bayesian multinet. These findings are used to validate the model and to gain some insights into neuron morphology. Finally, we study a classification problem where the true class label of the training instances is not known. Instead, a set of class labels is available for each instance. This is inspired by the neuron classification problem, where a group of experts is asked to individually provide a class label for each instance. We propose a novel approach for learning Bayesian networks using count vectors which represent the number of experts who selected each class label for each instance. These Bayesian networks are evaluated using artificial datasets from supervised learning problems. Resumen La morfología neuronal es una característica clave en el estudio de los circuitos cerebrales, ya que está altamente relacionada con el procesado de información y con los roles funcionales. La morfología neuronal afecta al proceso de integración de las señales de entrada y determina las neuronas que reciben las salidas de otras neuronas. Las diferentes partes de la neurona pueden operar de forma semi-independiente de acuerdo a la localización espacial de las conexiones sinápticas. Por tanto, existe un interés considerable en el análisis de la microanatomía de las células nerviosas, ya que constituye una excelente herramienta para comprender mejor el funcionamiento de la corteza cerebral. Sin embargo, las propiedades morfológicas, moleculares y electrofisiológicas de las células neuronales son extremadamente variables. Excepto en algunos casos especiales, esta variabilidad morfológica dificulta la definición de un conjunto de características que distingan claramente un tipo neuronal. Además, existen diferentes tipos de neuronas en regiones particulares del cerebro. La variabilidad neuronal hace que el análisis y el modelado de la morfología neuronal sean un importante reto científico. La incertidumbre es una propiedad clave en muchos problemas reales. La teoría de la probabilidad proporciona un marco para modelar y razonar bajo incertidumbre. Los modelos gráficos probabilísticos combinan la teoría estadística y la teoría de grafos con el objetivo de proporcionar una herramienta con la que trabajar bajo incertidumbre. En particular, nos centraremos en las redes bayesianas, el modelo más utilizado dentro de los modelos gráficos probabilísticos. En esta tesis hemos diseñado nuevos métodos para aprender redes bayesianas, inspirados por y aplicados al problema del modelado y análisis de datos morfológicos de neuronas. La morfología de una neurona puede ser cuantificada usando una serie de medidas, por ejemplo, la longitud de las dendritas y el axón, el número de bifurcaciones, la dirección de las dendritas y el axón, etc. Estas medidas pueden ser modeladas como datos continuos o discretos. A su vez, los datos continuos pueden ser lineales (por ejemplo, la longitud o la anchura de una dendrita) o direccionales (por ejemplo, la dirección del axón). Estos datos pueden llegar a seguir distribuciones de probabilidad muy complejas y pueden no ajustarse a ninguna distribución paramétrica conocida. El modelado de este tipo de problemas con redes bayesianas híbridas incluyendo variables discretas, lineales y direccionales presenta una serie de retos en relación al aprendizaje a partir de datos, la inferencia, etc. En esta tesis se propone un método para modelar y simular árboles dendríticos basales de neuronas piramidales usando redes bayesianas para capturar las interacciones entre las variables del problema. Para ello, se mide un amplio conjunto de variables de las dendritas y se aplica un algoritmo de aprendizaje con el que se aprende la estructura y se estiman los parámetros de las distribuciones de probabilidad que constituyen las redes bayesianas. Después, se usa un algoritmo de simulación para construir dendritas virtuales mediante el muestreo de valores de las redes bayesianas. Finalmente, se lleva a cabo una profunda evaluaci ón para verificar la capacidad del modelo a la hora de generar dendritas realistas. En esta primera aproximación, las variables fueron discretizadas para poder aprender y muestrear las redes bayesianas. A continuación, se aborda el problema del aprendizaje de redes bayesianas con diferentes tipos de variables. Las mixturas de polinomios constituyen un método para representar densidades de probabilidad en redes bayesianas híbridas. Presentamos un método para aprender aproximaciones de densidades unidimensionales, multidimensionales y condicionales a partir de datos utilizando mixturas de polinomios. El método se basa en interpolación con splines, que aproxima una densidad como una combinación lineal de splines. Los algoritmos propuestos se evalúan utilizando bases de datos artificiales. Además, las mixturas de polinomios son utilizadas como un método no paramétrico de estimación de densidades para clasificadores basados en redes bayesianas. Después, se estudia el problema de incluir información direccional en redes bayesianas. Este tipo de datos presenta una serie de características especiales que impiden el uso de las técnicas estadísticas clásicas. Por ello, para manejar este tipo de información se deben usar estadísticos y distribuciones de probabilidad específicos, como la distribución univariante von Mises y la distribución multivariante von Mises–Fisher. En concreto, en esta tesis extendemos el clasificador naive Bayes al caso en el que las distribuciones de probabilidad condicionada de las variables predictoras dada la clase siguen alguna de estas distribuciones. Se estudia el caso base, en el que sólo se utilizan variables direccionales, y el caso híbrido, en el que variables discretas, lineales y direccionales aparecen mezcladas. También se estudian los clasificadores desde un punto de vista teórico, derivando sus funciones de decisión y las superficies de decisión asociadas. El comportamiento de los clasificadores se ilustra utilizando bases de datos artificiales. Además, los clasificadores son evaluados empíricamente utilizando bases de datos reales. También se estudia el problema de la clasificación de interneuronas. Desarrollamos una aplicación web que permite a un grupo de expertos clasificar un conjunto de neuronas de acuerdo a sus características morfológicas más destacadas. Se utilizan medidas de concordancia para analizar el consenso entre los expertos a la hora de clasificar las neuronas. Se investiga la idoneidad de los términos anatómicos y de los tipos neuronales utilizados frecuentemente en la literatura a través del análisis de redes bayesianas y la aplicación de algoritmos de clustering. Además, se aplican técnicas de aprendizaje supervisado con el objetivo de clasificar de forma automática las interneuronas a partir de sus valores morfológicos. A continuación, se presenta una metodología para construir un modelo que captura las opiniones de todos los expertos. Primero, se genera una red bayesiana para cada experto y se propone un algoritmo para agrupar las redes bayesianas que se corresponden con expertos con comportamientos similares. Después, se induce una red bayesiana que modela la opinión de cada grupo de expertos. Por último, se construye una multired bayesiana que modela las opiniones del conjunto completo de expertos. El análisis del modelo consensuado permite identificar diferentes comportamientos entre los expertos a la hora de clasificar las neuronas. Además, permite extraer un conjunto de características morfológicas relevantes para cada uno de los tipos neuronales mediante inferencia con la multired bayesiana. Estos descubrimientos se utilizan para validar el modelo y constituyen información relevante acerca de la morfología neuronal. Por último, se estudia un problema de clasificación en el que la etiqueta de clase de los datos de entrenamiento es incierta. En cambio, disponemos de un conjunto de etiquetas para cada instancia. Este problema está inspirado en el problema de la clasificación de neuronas, en el que un grupo de expertos proporciona una etiqueta de clase para cada instancia de manera individual. Se propone un método para aprender redes bayesianas utilizando vectores de cuentas, que representan el número de expertos que seleccionan cada etiqueta de clase para cada instancia. Estas redes bayesianas se evalúan utilizando bases de datos artificiales de problemas de aprendizaje supervisado.

Analysis of Magnetic Nozzles For Space Plasma Thrusters = Análisis de Toberas Magnéticas para Motores Espaciales de Plasma

Esta tesis presenta un análisis teórico del funcionamiento de toberas magnéticas para la propulsión espacial por plasmas. El estudio está basado en un modelo tridimensional y bi-fluido de la expansión supersónica de un plasma caliente en un campo magnético divergente. El modelo básico es ampliado progresivamente con la inclusión de términos convectivos dominantes de electrones, el campo magnético inducido por el plasma, poblaciones electrónicas múltiples a distintas temperaturas, y la capacidad de integrar el flujo en la región de expansión lejana. La respuesta hiperbólica del plasma es integrada con alta precisión y eficiencia haciendo uso del método de las líneas características. Se realiza una caracterización paramétrica de la expansión 2D del plasma en términos del grado de magnetización de iones, la geometría del campo magnético, y el perfil inicial del plasma. Se investigan los mecanismos de aceleración, mostrando que el campo ambipolar convierte la energía interna de electrones en energía dirigida de iones. Las corrientes diamagnéticas de Hall, que pueden hallarse distribuidas en el volumen del plasma o localizadas en una delgada capa de corriente en el borde del chorro, son esenciales para la operación de la tobera, ya que la fuerza magnética repulsiva sobre ellas es la encargada de confinar radialmente y acelerar axialmente el plasma. El empuje magnético es la reacción a esta fuerza sobre el motor. La respuesta del plasma muestra la separación gradual hacia adentro de los tubos de iones respecto de los magnéticos, lo cual produce la formación de corrientes eléctricas longitudinales y pone el plasma en rotación. La ganancia de empuje obtenida y las pérdidas radiales de la pluma de plasma se evalúan en función de los parámetros de diseño. Se analiza en detalle la separación magnética del plasma aguas abajo respecto a las líneas magnéticas (cerradas sobre sí mismas), necesaria para la aplicación de la tobera magnética a fines propulsivos. Se demuestra que tres teorías existentes sobre separación, que se fundamentan en la resistividad del plasma, la inercia de electrones, y el campo magnético que induce el plasma, son inadecuadas para la tobera magnética propulsiva, ya que producen separación hacia afuera en lugar de hacia adentro, aumentando la divergencia de la pluma. En su lugar, se muestra que la separación del plasma tiene lugar gracias a la inercia de iones y la desmagnetización gradual del plasma que tiene lugar aguas abajo, que permiten la separación ilimitada del flujo de iones respecto a las líneas de campo en condiciones muy generales. Se evalúa la cantidad de plasma que permanece unida al campo magnético y retorna hacia el motor a lo largo de las líneas cerradas de campo, mostrando que es marginal. Se muestra cómo el campo magnético inducido por el plasma incrementa la divergencia de la tobera magnética y por ende de la pluma de plasma en el caso propulsivo, contrariamente a las predicciones existentes. Se muestra también cómo el inducido favorece la desmagnetización del núcleo del chorro, acelerando la separación magnética. La hipótesis de ambipolaridad de corriente local, común a varios modelos de tobera magnética existentes, es discutida críticamente, mostrando que es inadecuada para el estudio de la separación de plasma. Una inconsistencia grave en la derivación matemática de uno de los modelos más aceptados es señalada y comentada. Incluyendo una especie adicional de electrones supratérmicos en el modelo, se estudia la formación y geometría de dobles capas eléctricas en el interior del plasma. Cuando dicha capa se forma, su curvatura aumenta cuanto más periféricamente se inyecten los electrones supratérmicos, cuanto menor sea el campo magnético, y cuanto más divergente sea la tobera magnética. El plasma con dos temperaturas electrónicas posee un mayor ratio de empuje magnético frente a total. A pesar de ello, no se encuentra ninguna ventaja propulsiva de las dobles capas, reforzando las críticas existentes frente a las propuestas de estas formaciones como un mecanismo de empuje. Por último, se presenta una formulación general de modelos autosemejantes de la expansión 2D de una pluma no magnetizada en el vacío. El error asociado a la hipótesis de autosemejanza es calculado, mostrando que es pequeño para plumas hipersónicas. Tres modelos de la literatura son particularizados a partir de la formulación general y comparados. Abstract This Thesis presents a theoretical analysis of the operation of magnetic nozzles for plasma space propulsion. The study is based on a two-dimensional, two-fluid model of the supersonic expansion of a hot plasma in a divergent magnetic field. The basic model is extended progressively to include the dominant electron convective terms, the plasma-induced magnetic field, multi-temperature electron populations, and the capability to integrate the plasma flow in the far expansion region. The hyperbolic plasma response is integrated accurately and efficiently with the method of the characteristic lines. The 2D plasma expansion is characterized parametrically in terms of the ion magnetization strength, the magnetic field geometry, and the initial plasma profile. Acceleration mechanisms are investigated, showing that the ambipolar electric field converts the internal electron energy into directed ion energy. The diamagnetic electron Hall current, which can be distributed in the plasma volume or localized in a thin current sheet at the jet edge, is shown to be central for the operation of the magnetic nozzle. The repelling magnetic force on this current is responsible for the radial confinement and axial acceleration of the plasma, and magnetic thrust is the reaction to this force on the magnetic coils of the thruster. The plasma response exhibits a gradual inward separation of the ion streamtubes from the magnetic streamtubes, which focuses the jet about the nozzle axis, gives rise to the formation of longitudinal currents and sets the plasma into rotation. The obtained thrust gain in the magnetic nozzle and radial plasma losses are evaluated as a function of the design parameters. The downstream plasma detachment from the closed magnetic field lines, required for the propulsive application of the magnetic nozzle, is investigated in detail. Three prevailing detachment theories for magnetic nozzles, relying on plasma resistivity, electron inertia, and the plasma-induced magnetic field, are shown to be inadequate for the propulsive magnetic nozzle, as these mechanisms detach the plume outward, increasing its divergence, rather than focusing it as desired. Instead, plasma detachment is shown to occur essentially due to ion inertia and the gradual demagnetization that takes place downstream, which enable the unbounded inward ion separation from the magnetic lines beyond the turning point of the outermost plasma streamline under rather general conditions. The plasma fraction that remains attached to the field and turns around along the magnetic field back to the thruster is evaluated and shown to be marginal. The plasmainduced magnetic field is shown to increase the divergence of the nozzle and the resulting plasma plume in the propulsive case, and to enhance the demagnetization of the central part of the plasma jet, contrary to existing predictions. The increased demagnetization favors the earlier ion inward separation from the magnetic field. The local current ambipolarity assumption, common to many existing magnetic nozzle models, is critically discussed, showing that it is unsuitable for the study of plasma detachment. A grave mathematical inconsistency in a well-accepted model, related to the acceptance of this assumption, is found out and commented on. The formation and 2D shape of electric double layers in the plasma expansion is studied with the inclusion of an additional suprathermal electron population in the model. When a double layer forms, its curvature is shown to increase the more peripherally suprathermal electrons are injected, the lower the magnetic field strength, and the more divergent the magnetic nozzle is. The twoelectron- temperature plasma is seen to have a greater magnetic-to-total thrust ratio. Notwithstanding, no propulsive advantage of the double layer is found, supporting and reinforcing previous critiques to their proposal as a thrust mechanism. Finally, a general framework of self-similar models of a 2D unmagnetized plasma plume expansion into vacuum is presented and discussed. The error associated with the self-similarity assumption is calculated and shown to be small for hypersonic plasma plumes. Three models of the literature are recovered as particularizations from the general framework and compared.

Modelización higrogeológica en minería : aplicación a drenaje de minas

The aim of this Thesis is to get in deep in the use of models (conceptual and numerical), as a prediction and analytical tool for hydrogeological studies, mainly from point of view of the mining drainage. In the first place, are developed the basic concepts and the parametric variations range are developed, usually used in the modelization of underground f10w and particle transport, and also the more recommended modelization process, analysing step by step each of its sequences, developed based in the experience of the author, contrasted against the available bibliography. Following MODFLOW is described, as a modelization tool, taking into account the advantages that its more common pre/post-treatment software have (Processing MODFLOW, Mod CAD and Visual MODFLOW). In third place, are introduced the criterions and required parameters to develop a conceptual model, numerical discretization, definition of the boundary and initial conditions, as well as all those factors which affects to the system (antropic or natural), developing the creation process, data introduction, execution of morlel, convergence criterions and calibration and obtaining result, natural of Visual MODFLOUI. Next, five practical cases are analysed, in which the author has been applied MODFLOW, and the different pre/post-treatment software (Processing MODFLOW, Mod CAD and Visual MODFLOW), describing for each one, the objectives, the conceptual model defined, discretization, the parametric definition, sensibility analysis, results reached and future states prediction. In fifth place, are presented a program developed by the author which allow to improve the facilities offered by Mod CAD and Visual MODFLOW, expanding modelization possibilities and connection to other computers. Next step it is presented a series of solutions to the most typical problems which could appear during the modelization with MODFLOW. Finally, the conclusions and recommendation readied are exposed, with the purpose to help in the developing of hydrogeological models both conceptuals and numericals. RESUMEN El objetivo de esta Tesis es profundizar en el empleo de modelos (conceptuales y numéricos), como herramienta de predicción y análisis en estudios hidrogeológicos, fundamentalmente desde el punto de vista de drenaje minero. En primer lugar, se desarrollan los conceptos básicos y los rangos de variación paramétrica, habituales en la modelización de flujos subterráneos y transporte de partículas, así como el proceso de modelización más recomendado, analizando paso a paso cada una de sus secuencias, desarrollado en base a la experiencia del autor, contrastado con la bibliografía disponible. Seguidamente se describe MODFLOW como herramienta de modelización, valorando las ventajas que presentan sus software de pre/post-tratamiento más comunes (Proccesing MODFLOW, Mod CAD y Visual MODFLOW). En tercer lugar, se introducen los criterios y parámetros precisos para desarrollar un modelo conceptual, discretización numérica, definición de las condiciones de contorno e iniciales, así como todos aquellos factores que afectan al sistema (antrópicos o naturales), desarrollando el proceso de creación, introducción de datos, ejecución del modelo, criterios de convergencia y calibración, y obtención de resultados, propios de Visual MODFLOW. A continuación, se analizan cinco casos prácticos, donde el autor ha aplicado MODFLOW, así como diferentes software de pre/post-tratamiento (Proccesing MODFLOW, Mod CAD y Visual MODFLOW), describiendo para cada uno, el objetivo marcado, modelo conceptual definido, discretización, definición paramétrica, análisis de sensibilidad, resultados alcanzados y predicción de estados futuros. En quinto lugar, se presenta un programa desarrollado por el autor, que permite mejorar las prestaciones ofrecidas por MODFLOW y Visual MODFLOW, ampliando las posibilidades de modelización y conexión con otros ordenadores. Seguidamente se plantean una serie de soluciones a los problemas más típicos que pueden producirse durante la modelización con MODFLOW. Por último, se exponen las conclusiones y recomendaciones alcanzadas, con el fin de auxiliar el desarrollo del desarrollo de modelos hidrogeológicos, tanto conceptuales como numéricos.

Higher-order regularization and morphological techniques for image segmentation

La segmentación de imágenes es un campo importante de la visión computacional y una de las áreas de investigación más activas, con aplicaciones en comprensión de imágenes, detección de objetos, reconocimiento facial, vigilancia de vídeo o procesamiento de imagen médica. La segmentación de imágenes es un problema difícil en general, pero especialmente en entornos científicos y biomédicos, donde las técnicas de adquisición imagen proporcionan imágenes ruidosas. Además, en muchos de estos casos se necesita una precisión casi perfecta. En esta tesis, revisamos y comparamos primero algunas de las técnicas ampliamente usadas para la segmentación de imágenes médicas. Estas técnicas usan clasificadores a nivel de pixel e introducen regularización sobre pares de píxeles que es normalmente insuficiente. Estudiamos las dificultades que presentan para capturar la información de alto nivel sobre los objetos a segmentar. Esta deficiencia da lugar a detecciones erróneas, bordes irregulares, configuraciones con topología errónea y formas inválidas. Para solucionar estos problemas, proponemos un nuevo método de regularización de alto nivel que aprende información topológica y de forma a partir de los datos de entrenamiento de una forma no paramétrica usando potenciales de orden superior. Los potenciales de orden superior se están popularizando en visión por computador, pero la representación exacta de un potencial de orden superior definido sobre muchas variables es computacionalmente inviable. Usamos una representación compacta de los potenciales basada en un conjunto finito de patrones aprendidos de los datos de entrenamiento que, a su vez, depende de las observaciones. Gracias a esta representación, los potenciales de orden superior pueden ser convertidos a potenciales de orden 2 con algunas variables auxiliares añadidas. Experimentos con imágenes reales y sintéticas confirman que nuestro modelo soluciona los errores de aproximaciones más débiles. Incluso con una regularización de alto nivel, una precisión exacta es inalcanzable, y se requeire de edición manual de los resultados de la segmentación automática. La edición manual es tediosa y pesada, y cualquier herramienta de ayuda es muy apreciada. Estas herramientas necesitan ser precisas, pero también lo suficientemente rápidas para ser usadas de forma interactiva. Los contornos activos son una buena solución: son buenos para detecciones precisas de fronteras y, en lugar de buscar una solución global, proporcionan un ajuste fino a resultados que ya existían previamente. Sin embargo, requieren una representación implícita que les permita trabajar con cambios topológicos del contorno, y esto da lugar a ecuaciones en derivadas parciales (EDP) que son costosas de resolver computacionalmente y pueden presentar problemas de estabilidad numérica. Presentamos una aproximación morfológica a la evolución de contornos basada en un nuevo operador morfológico de curvatura que es válido para superficies de cualquier dimensión. Aproximamos la solución numérica de la EDP de la evolución de contorno mediante la aplicación sucesiva de un conjunto de operadores morfológicos aplicados sobre una función de conjuntos de nivel. Estos operadores son muy rápidos, no sufren de problemas de estabilidad numérica y no degradan la función de los conjuntos de nivel, de modo que no hay necesidad de reinicializarlo. Además, su implementación es mucho más sencilla que la de las EDP, ya que no requieren usar sofisticados algoritmos numéricos. Desde un punto de vista teórico, profundizamos en las conexiones entre operadores morfológicos y diferenciales, e introducimos nuevos resultados en este área. Validamos nuestra aproximación proporcionando una implementación morfológica de los contornos geodésicos activos, los contornos activos sin bordes, y los turbopíxeles. En los experimentos realizados, las implementaciones morfológicas convergen a soluciones equivalentes a aquéllas logradas mediante soluciones numéricas tradicionales, pero con ganancias significativas en simplicidad, velocidad y estabilidad. ABSTRACT Image segmentation is an important field in computer vision and one of its most active research areas, with applications in image understanding, object detection, face recognition, video surveillance or medical image processing. Image segmentation is a challenging problem in general, but especially in the biological and medical image fields, where the imaging techniques usually produce cluttered and noisy images and near-perfect accuracy is required in many cases. In this thesis we first review and compare some standard techniques widely used for medical image segmentation. These techniques use pixel-wise classifiers and introduce weak pairwise regularization which is insufficient in many cases. We study their difficulties to capture high-level structural information about the objects to segment. This deficiency leads to many erroneous detections, ragged boundaries, incorrect topological configurations and wrong shapes. To deal with these problems, we propose a new regularization method that learns shape and topological information from training data in a nonparametric way using high-order potentials. High-order potentials are becoming increasingly popular in computer vision. However, the exact representation of a general higher order potential defined over many variables is computationally infeasible. We use a compact representation of the potentials based on a finite set of patterns learned fromtraining data that, in turn, depends on the observations. Thanks to this representation, high-order potentials can be converted into pairwise potentials with some added auxiliary variables and minimized with tree-reweighted message passing (TRW) and belief propagation (BP) techniques. Both synthetic and real experiments confirm that our model fixes the errors of weaker approaches. Even with high-level regularization, perfect accuracy is still unattainable, and human editing of the segmentation results is necessary. The manual edition is tedious and cumbersome, and tools that assist the user are greatly appreciated. These tools need to be precise, but also fast enough to be used in real-time. Active contours are a good solution: they are good for precise boundary detection and, instead of finding a global solution, they provide a fine tuning to previously existing results. However, they require an implicit representation to deal with topological changes of the contour, and this leads to PDEs that are computationally costly to solve and may present numerical stability issues. We present a morphological approach to contour evolution based on a new curvature morphological operator valid for surfaces of any dimension. We approximate the numerical solution of the contour evolution PDE by the successive application of a set of morphological operators defined on a binary level-set. These operators are very fast, do not suffer numerical stability issues, and do not degrade the level set function, so there is no need to reinitialize it. Moreover, their implementation is much easier than their PDE counterpart, since they do not require the use of sophisticated numerical algorithms. From a theoretical point of view, we delve into the connections between differential andmorphological operators, and introduce novel results in this area. We validate the approach providing amorphological implementation of the geodesic active contours, the active contours without borders, and turbopixels. In the experiments conducted, the morphological implementations converge to solutions equivalent to those achieved by traditional numerical solutions, but with significant gains in simplicity, speed, and stability.

Caracterización multivariada de los temporales para su aplicación en el dimensionamiento del manto principal

En esta tesis se presenta una metodología para la caracterización del oleaje, dentro del marco de las nuevas Recomendaciones para Obras Marítimas (ROM 0.0.-00 y ROM 1.0-09), por ser una de las principales acciones que afectan a la estabilidad de las estructuras marítimas. Debido al carácter aleatorio intrínsecamente multivariado de la acción considerada, las tormentas, su caracterización paramétrica se realiza en términos de funciones cópula uniparamétricas. Las variables consideradas son altura de ola significante del pico de la tormenta, el periodo medio asociado y la magnitud, o número de olas, de todo el ciclo de solicitación. Para establecer un patrón teórico de evolución de la tormenta que permita extrapolar las muestras fuera de la región con datos se analizan los modelos teóricos existentes, comprobándose que no reproducen adecuadamente las tormentas constituidas por estados de mar con un peso importante de oleaje swell. Para evitar esta limitación se proponen cuatro modelos teóricos de evolución de tormentas con distintas formas geométricas. El análisis de los modelos existentes y los propuestos pone de relieve que el Modelo Magnitud Equivalente de Tormenta (EMS= Equivalent Magnitude Storm) con la forma triangular es el que mejor adapta las tormentas constituidas por estados de mar típicos del viento. Para tormentas con un mayor grado de desarrollo, el modelo teórico de tormenta EMS con la forma trapezoidal es el adecuado. De las aproximaciones propuestas para establecer el periodo medio de los sucesivos estados de mar del ciclo de solicitación. la propuesta por Martín Soldevilla et al., (2009) es la más versátil y , en general , mejor reproduce la evolución de todo tipo de tormentas. La caracterización de las tormentas se complementa con la altura de ola máxima. Debido a la mayor disponibilidad y longitud temporal de los datos sintéticos frente a las registros, la práctica totalidad de los análisis de extremos se realizan con tormentas sintéticas en las que la distribución de olas individuales es desconocida. Para evitar esta limitación se utilizan modelos teóricos de distribución de olas acordes a las características de cada uno de los estados de mar que conforman la tormenta sintética. Para establecer dichas características se utiliza la curtosis y en función de su valor la altura de ola máxima se determina asumiendo una determinada distribución de olas. Para estados de mar lineales la distribución de olas individuales de Rayleigh es la considerada. Para condiciones no lineales de gran ancho de banda el modelo de distribución de olas propuesto por Dawson, (2004) es el utilizado y si es de banda estrecha las predicciones de (Boccotti, (1989), Boccotti et al., (2013)) se compara con las resultantes del modelo de Dawson. La caracterización de la evolución de las tormentas en términos multivariados es aplicada al estudio de la progresión del daño del manto principal de diques en talud, y al rebase de las olas. Ambos aspectos cubren el segundo objetivo de la tesis en el que se propone una nueva formulación para el dimensionamiento de mantos constituidos por bloques cúbicos de hormigón. Para el desarrollo de esta nueva formulación se han utilizado los resultados recogidos en los estudios de estabilidad del manto principal de diques talud realizados en modelo físico a escala reducida en el Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEDEX) desde la década de los 80 empleando, en su mayoría, bloques paralelepípedos cúbicos de hormigón. Por este motivo y porque los últimos diques construidos en la costa Española utilizan este tipo de pieza, es por lo que la formulación planteada se centra en este tipo de pieza. Después de un primer análisis de las fórmulas de cálculo y de evolución existentes, se llega a la conclusión de que es necesario realizar un esfuerzo de investigación en este campo, así como ensayos en laboratorio y recogida de datos in-situ con base a desarrollar fórmulas de evolución de daño para mantos constituidos por piezas diferentes a la escollera, que tenga en cuenta las principales variables que condiciona su estabilidad. En esta parte de la tesis se propone un método de análisis de evolución de daño, que incluye el criterio de inicio de avería, adecuada para diques en talud constituidos por bloque cúbicos de hormigón y que considera la incidencia oblicua, el daño acumulado y el rebase. This thesis proposes a methodology to estimate sea waves, one of the main actions affecting the maritime structures stability, complying with (ROM 0.0.-00 & ROM 1.0-09.Due to the multivariate behavior of sea storms, the characterization of the structures of sea storms is done using copula function. The analyzed variables are the significant height wave, mean period and magnitude or number of waves during the storm history. The storm evolution in terms of the significant height wave and the mean period is also studied in other to analyze the progressive failure modes. The existing models of evolution are studied, verifying that these approximations do not adjust accurately for developed waves. To overcome this disadvantage, four evolution models are proposed, with some geometrical shapes associated to fit any development degree. The proposed Equivalent Magnitude Storm model, EMS, generally obtains the best results for any kind of storm (predominant sea, swell or both). The triangle is recommended for typical sea storms whereas the trapezoid shape is much more appropriate for more developed storm conditions.The Martín Soldevilla et al., (2009) approach to estimate the mean period is better than others approaches used.The storm characterization is completed with the maximum wave height of the whole storm history. Due to synthetic historical waves databases are more accessible and longer than recorded database, the extreme analyses are done with synthetic data. For this reason the individual waves’ distribution is not known. For that limitation to be avoided, and depending on the characteristics of every sea states, one theoretical model of waves is choose and used. The kurtosis parameter is used to distinguish between linear and nonlinear sea states. The Rayleigh model is used for the linear sea states. For the nonlinear sea states, Dawson, (2004) approach is used for non-narrow bandwidth storms, comparing the results with the Boccotti, (1989), Boccotti et al., (2013) approach, with is used for narrow bandwidth storms. The multivariate and storm evolution characterization is used to analyze of stone armour damage progression and wave overtopping discharge. Both aspects are included in the second part of the thesis, with a new formula is proposed to design cubes armour layer. The results the stability studies of armour layer, done in the Centre for Harbours and Coastal Studies (CEDEX) laboratory are used for defining a new stability formula. For this reason and because the last biggest breakwater built in Spain using the cube, the damage progression is analyze for this kind of concrete block. Before to analyze the existing formulae, it is concluded that it is necessary more investigation, more tests in laboratory and data gathering in situ to define damage evolution formulae to armour of other kind of pieces and that takes to account the principal variables. This thesis proposed a method to calculate the damage progression including oblique waves, accumulated damage, and overtopping effect. The method also takes account the beginning of the movement of the blocks.

Efectos de una intervención nutricional personalizada a largo plazo sobre los hábitos alimentarios de jugadores profesionales de baloncesto y su influencia en la percepción del esfuerzo y la fatiga

El presente trabajo consistió en el desarrollo de una intervención nutricional a largo plazo llevada a cabo con jugadores profesionales de baloncesto, en función al cumplimiento de las recomendaciones nutricionales, con los siguientes dos objetivos: 1) valorar los cambios que dicha intervención produce sobre las prácticas nutricionales diarias de estos deportistas y 2) conocer la influencia de las modificaciones nutricionales producidas sobre la tasa de percepción del esfuerzo por sesión (RPE-Sesión) y la fatiga, a lo largo de una temporada competitiva, tanto para entrenamientos como partidos oficiales. Los objetivos del estudio se fundamentan en: 1) la numerosa evidencia científica que muestra la inadecuación de los hábitos nutricionales de los jugadores de baloncesto y otros deportistas respecto a las recomendaciones nutricionales; 2) el hecho ampliamente reconocido en la literatura especializada de que una ingesta nutricional óptima permite maximizar el rendimiento deportivo (a nivel físico y cognitivo), promoviendo una rápida recuperación y disminuyendo el riesgo de enfermedades y lesiones deportivas. No obstante, pocos estudios han llevado a cabo una intervención nutricional a largo plazo para mejorar los hábitos alimentarios de los deportistas y ninguno de ellos fue realizado con jugadores de baloncesto; 3) la elevada correlación entre la percepción del esfuerzo (RPE) y variables fisiológicas relacionadas al desarrollo de un ejercicio (por ej.: frecuencia cardíaca, consumo máximo de oxígeno o lactato sanguíneo) y los múltiples estudios que muestran la atenuación de la RPE durante la realización del ejercicio mediante una ingesta puntual de nutrientes, (especialmente de hidratos de carbono) aunque ninguno fue desarrollado en baloncesto; 4) el estudio incipiente de la relación entre la ingesta nutricional y la RPE-Sesión, siendo éste un método validado en baloncesto y otros deportes de equipo como indicador de la carga de trabajo interna, el rendimiento deportivo y la intensidad del ejercicio realizado; 5) el hecho de que la fatiga constituye uno de los principales factores influyentes en la percepción del esfuerzo y puede ser retrasada y/o atenuada mediante la ingesta de carbohidratos, pudiendo disminuir consecuentemente la RPE-Sesión y la carga interna del esfuerzo físico, potenciando el rendimiento deportivo y las adaptaciones inducidas por el entrenamiento; 6) la reducida evidencia acerca del comportamiento de la RPE-Sesión ante la modificación de la ingesta de nutrientes, encontrándose sólo un estudio llevado a cabo en baloncesto y 7) la ausencia de investigaciones acerca de la influencia que puede tener la mejora del patrón nutricional de los jugadores sobre la RPE-Sesión y la fatiga, desconociéndose si la adecuación de los hábitos nutricionales conduce a una disminución de estas variables en el largo plazo para todos los entrenamientos y partidos oficiales a nivel profesional. Por todo esto, este trabajo comienza con una introducción que presenta el marco teórico de la importancia y función de la nutrición en el deporte, así como de las recomendaciones nutricionales actuales a nivel general y para baloncesto. Además, se describen las intervenciones nutricionales llevadas a cabo previamente con otros deportistas y las consecuentes modificaciones sobre el patrón alimentario, coincidiendo este aspecto con el primer objetivo del presente estudio. Posteriormente, se analiza la RPE, la RPE-Sesión y la fatiga, focalizando el estudio en la relación de dichas variables con la carga de trabajo físico, la intensidad del entrenamiento, el rendimiento deportivo y la recuperación post ejercicio. Finalmente, se combinan todos los aspectos mencionados: ingesta nutricional, RPE percepción del esfuerzo y fatiga, con el fin de conocer la situación actual del estudio de la relación entre dichas variables, conformando la base del segundo objetivo de este estudio. Seguidamente, se exponen y fundamentan los objetivos antes mencionados, para dar lugar después a la explicación de la metodología utilizada en el presente estudio. Ésta consistió en un diseño de estudios de caso, aplicándose una intervención nutricional personalizada a tres jugadores de baloncesto profesional (cada jugador = un estudio de caso; n = 1), con el objetivo de adecuar su ingesta nutricional en el largo plazo a las recomendaciones nutricionales. A su vez, se analizó la respuesta individual de cada uno de los casos a dicha intervención para los dos objetivos del estudio. Para ello, cada jugador completó un registro diario de alimentos (7 días; pesada de alimentos) antes, durante y al final de la intervención. Además, los sujetos registraron diariamente a lo largo del estudio la RPE-Sesión y la fatiga en entrenamientos físicos y de balón y en partidos oficiales de liga, controlándose además en forma cuantitativa otras variables influyentes como el estado de ánimo y el sueño. El análisis de los datos consistió en el cálculo de los estadísticos descriptivos para todas las variables, la comparación de la ingesta en los diferentes momentos evaluados con las recomendaciones nutricionales y una comparación de medias no paramétrica entre el período pre intervención y durante la intervención con el test de Wilcoxon (medidas repetidas) para todas las variables. Finalmente, se relacionaron los cambios obtenidos en la ingesta nutricional con la percepción del esfuerzo y la fatiga y la posible influencia del estado de ánimo y el sueño, a través de un estudio correlacional (Tau_b de Kendall). Posteriormente, se presentan los resultados obtenidos y la discusión de los mismos, haciendo referencia a la evidencia científica relacionada que se encuentra publicada hasta el momento, la cual facilitó el análisis de la relación entre RPE-Sesión, fatiga y nutrición a lo largo de una temporada. Los principales hallazgos y su correspondiente análisis, por lo tanto, pueden resumirse en los siguientes: 1) los tres jugadores de baloncesto profesional presentaron inicialmente hábitos nutricionales inadecuados, haciendo evidente la necesidad de un nutricionista deportivo dentro del cuerpo técnico de los equipos profesionales; 2) las principales deficiencias correspondieron a un déficit pronunciado de energía e hidratos de carbono, que fueron reducidas con la intervención nutricional; 3) la ingesta excesiva de grasa total, ácidos grasos saturados, etanol y proteínas que se halló en alguno/s de los casos, también se adecuó a las recomendaciones después de la intervención; 4) la media obtenida durante un período de la temporada para la RPE-Sesión y la fatiga de entrenamientos, podría ser disminuida en un jugador individual mediante el incremento de su ingesta de carbohidratos a largo plazo, siempre que no existan alteraciones psico-emocionales relevantes; 5) el comportamiento de la RPE-Sesión de partidos oficiales no parece estar influido por los factores nutricionales modificados en este estudio, dependiendo más de la variación de elementos externos no controlables, intrínsecos a los partidos de baloncesto profesional. Ante estos resultados, se pudo observar que las diferentes características de los jugadores y las distintas respuestas obtenidas después de la intervención, reforzaron la importancia de utilizar un diseño de estudio de casos para el análisis de los deportistas de élite y, asimismo, de realizar un asesoramiento nutricional personalizado. Del mismo modo, la percepción del esfuerzo y la fatiga de cada jugador evolucionaron de manera diferente después de la intervención nutricional, lo cual podría depender de las diferentes características de los sujetos, a nivel físico, psico-social, emocional y contextual. Por ello, se propone que el control riguroso de las variables cualitativas que parecen influir sobre la RPE y la fatiga a largo plazo, facilitaría la comprensión de los datos y la determinación de factores desconocidos que influyen sobre estas variables. Finalmente, al ser la RPE-Sesión un indicador directo de la carga interna del entrenamiento, es decir, del estrés psico-fisiológico experimentado por el deportista, la posible atenuación de esta variable mediante la adecuación de los hábitos nutricionales, permitiría aplicar las cargas externas de entrenamiento planificadas, con menor estrés interno y mejor recuperación entre sesiones, disminuyendo también la sensación de fatiga, a pesar del avance de la temporada. ABSTRACT This study consisted in a long-term nutritional intervention carried out with professional basketball players according to nutritional recommendations, with the following two main objectives: 1) to evaluate the changes produced by the intervention on daily nutritional practices of these athletes and 2) to determine the influence of long term nutritional intake modifications on the rate of perceived exertion per session (Session-RPE) and fatigue, throughout a competitive season for training as well as competition games. These objectives are based on: 1) much scientific evidence that shows an inadequacy of the nutritional habits of basketball players and other athletes regarding nutritional recommendations; 2) the fact widely recognized in the scientific literature that an optimal nutrition allows to achieve the maximum performance of an athlete (both physically and cognitively), promoting fast recovery and decreasing risks of sports injuries and illnesses. However, only few studies carried out a long term nutritional intervention to improve nutritional practices of athletes and it could not be found any research with basketball players; 3) the high correlation between the rate of perceived exertion (RPE) and physiological variables related to the performance of physical exercise (e.g.: heart rate, maximum consumption of oxygen or blood lactate) and multiple studies showing the attenuation of RPE during exercise due to the intake of certain nutrients (especially carbohydrates), while none of them was developed in basketball; 4) correlation between nutritional intake and Session-RPE has been recently studied for the first time. Session-RPE method has been validated in basketball players and other team sports as an indicator of internal workload, sports performance and exercise intensity; 5) fatigue is considered one of the main influential factor on RPE and sport performance. It has also been observed that carbohydrates intake may delay or mitigate the onset of fatigue and, thus, decrease the perceived exertion and the internal training load, which could improve sports performance and training-induced adaptations; 6) there are few studies evaluating the influence of nutrient intake on Session-RPE and only one of them has been carried out with basketball players. Moreover, it has not been analyzed the possible effects of the adequacy of players’ nutritional habits through a nutritional intervention on Session-RPE and fatigue, variables that could be decreased for all training session and competition games because of an improvement of daily nutritional intake. Therefore, this work begins with an introduction that provides the conceptual framework of this research focused on the key role of nutrition in sport, as well as on the current nutritional recommendations for athletes and specifically for basketball players. In addition, previous nutritional interventions carried out with other athletes are described, as well as consequential modifications on their food pattern, coinciding with the first objective of the present study. Subsequently, RPE, Session-RPE and fatigue are analyzed, with focus on their correlation with physical workload, training intensity, sports performance and recovery. Finally, all the aforementioned aspects (nutritional intake, RPE and fatigue) were combined in order to know the current status of the relation between each other, this being the base for the second objective of this study. Subsequently, the objectives mentioned above are explained, continuing with the explanation of the methodology used in the study. The methodology consisted of a case-study design, carrying out a long term nutritional intervention with three professional basketball players (each player = one case study; n = 1), in order to adapt their nutritional intake to nutritional recommendations. At the same time, the individual response of each player to the intervention was analyzed for the two main objectives of the study. Each player completed a food diary (7 days; weighing food) in three moments: before, during and at the end of the intervention. In addition, the Session-RPE and fatigue were daily recorded throughout the study for all trainings (training with ball and resistance training) and competition games. At the same time, other potentially influential variables such as mood state and sleeping were daily controlled throughout the study. Data analysis consisted in descriptive statistics calculation for all the variables of the study, the comparison between nutritional intake (evaluated at different times) and nutritional recommendations and a non-parametric mean comparison between pre intervention and during intervention periods was made by Wilcoxon test (repeated measurements) for all variables too. Finally, the changes in nutritional intake, mood state and sleeping were correlated with the perceived exertion and fatigue through correctional study (Tau_b de Kendall). After the methodology, the study results and the associated discussion are presented. The discussion is based on the current scientific evidence that contributes to understand the relation between Session-RPE, fatigue and nutrition throughout the competitive season. The main findings and results analysis can be summarized as follows: 1) the three professional basketball players initially had inadequate nutritional habits and this clearly shows the need of a sports nutritionist in the coaching staff of professional teams; (2) the major deficiencies of the three players’ diet corresponded to a pronounced deficit of energy intake and carbohydrates consumption which were reduced with nutritional intervention; (3) the excessive intake of total fat, saturated fatty acids, ethanol and protein found in some cases were also adapted to the recommendations after the intervention; (4) Session-RPE mean and fatigue of a certain period of the competition season, could be decreased in an individual player by increasing his carbohydrates intake in the long term, if there are no relevant psycho-emotional disorders; (5) the behavior of the Session-RPE in competition games does not seem to be influenced by the nutritional factors modified in this study. They seem to depend much more on the variation of external non-controllable factors associated with the professional basketball games. Given these results, the different characteristics of each player and the diverse responses observed after the intervention in each individual for all the variables, reinforced the importance of the use of a case study design for research with elite athletes as well as personalized nutritional counselling. In the same way, the different responses obtained for RPE and fatigue in the long term for each player due to modification of nutritional habits, show that there is a dependence of such variables on the physical, psychosocial, emotional and contextual characteristics of each player. Therefore it is proposed that the rigorous control of the qualitative variables that seem to influence the RPE and fatigue in the long term, may facilitate the understanding of data and the determination of unknown factors that could influence these variables. Finally, because Session-RPE is a direct indicator of the internal load of training (psycho-physiological stress experienced by the athlete), the possible attenuation of Session-RPE through the improvement in nutritional habits, would allow to apply the planned external loads of training with less internal stress and better recovery between sessions, with a decrease in fatigue, despite of the advance of the season.

A model for turbulent combustion simulation of large scale hydrogen explosions

El agotamiento, la ausencia o, simplemente, la incertidumbre sobre la cantidad de las reservas de combustibles fósiles se añaden a la variabilidad de los precios y a la creciente inestabilidad en la cadena de aprovisionamiento para crear fuertes incentivos para el desarrollo de fuentes y vectores energéticos alternativos. El atractivo de hidrógeno como vector energético es muy alto en un contexto que abarca, además, fuertes inquietudes por parte de la población sobre la contaminación y las emisiones de gases de efecto invernadero. Debido a su excelente impacto ambiental, la aceptación pública del nuevo vector energético dependería, a priori, del control de los riesgos asociados su manipulación y almacenamiento. Entre estos, la existencia de un innegable riesgo de explosión aparece como el principal inconveniente de este combustible alternativo. Esta tesis investiga la modelización numérica de explosiones en grandes volúmenes, centrándose en la simulación de la combustión turbulenta en grandes dominios de cálculo en los que la resolución que es alcanzable está fuertemente limitada. En la introducción, se aborda una descripción general de los procesos de explosión. Se concluye que las restricciones en la resolución de los cálculos hacen necesario el modelado de los procesos de turbulencia y de combustión. Posteriormente, se realiza una revisión crítica de las metodologías disponibles tanto para turbulencia como para combustión, que se lleva a cabo señalando las fortalezas, deficiencias e idoneidad de cada una de las metodologías. Como conclusión de esta investigación, se obtiene que la única estrategia viable para el modelado de la combustión, teniendo en cuenta las limitaciones existentes, es la utilización de una expresión que describa la velocidad de combustión turbulenta en función de distintos parámetros. Este tipo de modelos se denominan Modelos de velocidad de llama turbulenta y permiten cerrar una ecuación de balance para la variable de progreso de combustión. Como conclusión también se ha obtenido, que la solución más adecuada para la simulación de la turbulencia es la utilización de diferentes metodologías para la simulación de la turbulencia, LES o RANS, en función de la geometría y de las restricciones en la resolución de cada problema particular. Sobre la base de estos hallazgos, el crea de un modelo de combustión en el marco de los modelos de velocidad de la llama turbulenta. La metodología propuesta es capaz de superar las deficiencias existentes en los modelos disponibles para aquellos problemas en los que se precisa realizar cálculos con una resolución moderada o baja. Particularmente, el modelo utiliza un algoritmo heurístico para impedir el crecimiento del espesor de la llama, una deficiencia que lastraba el célebre modelo de Zimont. Bajo este enfoque, el énfasis del análisis se centra en la determinación de la velocidad de combustión, tanto laminar como turbulenta. La velocidad de combustión laminar se determina a través de una nueva formulación capaz de tener en cuenta la influencia simultánea en la velocidad de combustión laminar de la relación de equivalencia, la temperatura, la presión y la dilución con vapor de agua. La formulación obtenida es válida para un dominio de temperaturas, presiones y dilución con vapor de agua más extenso de cualquiera de las formulaciones previamente disponibles. Por otra parte, el cálculo de la velocidad de combustión turbulenta puede ser abordado mediante el uso de correlaciones que permiten el la determinación de esta magnitud en función de distintos parámetros. Con el objetivo de seleccionar la formulación más adecuada, se ha realizado una comparación entre los resultados obtenidos con diversas expresiones y los resultados obtenidos en los experimentos. Se concluye que la ecuación debida a Schmidt es la más adecuada teniendo en cuenta las condiciones del estudio. A continuación, se analiza la importancia de las inestabilidades de la llama en la propagación de los frentes de combustión. Su relevancia resulta significativa para mezclas pobres en combustible en las que la intensidad de la turbulencia permanece moderada. Estas condiciones son importantes dado que son habituales en los accidentes que ocurren en las centrales nucleares. Por ello, se lleva a cabo la creación de un modelo que permita estimar el efecto de las inestabilidades, y en concreto de la inestabilidad acústica-paramétrica, en la velocidad de propagación de llama. El modelado incluye la derivación matemática de la formulación heurística de Bauwebs et al. para el cálculo de la incremento de la velocidad de combustión debido a las inestabilidades de la llama, así como el análisis de la estabilidad de las llamas con respecto a una perturbación cíclica. Por último, los resultados se combinan para concluir el modelado de la inestabilidad acústica-paramétrica. Tras finalizar esta fase, la investigación se centro en la aplicación del modelo desarrollado en varios problemas de importancia para la seguridad industrial y el posterior análisis de los resultados y la comparación de los mismos con los datos experimentales correspondientes. Concretamente, se abordo la simulación de explosiones en túneles y en contenedores, con y sin gradiente de concentración y ventilación. Como resultados generales, se logra validar el modelo confirmando su idoneidad para estos problemas. Como última tarea, se ha realizado un analisis en profundidad de la catástrofe de Fukushima-Daiichi. El objetivo del análisis es determinar la cantidad de hidrógeno que explotó en el reactor número uno, en contraste con los otros estudios sobre el tema que se han centrado en la determinación de la cantidad de hidrógeno generado durante el accidente. Como resultado de la investigación, se determinó que la cantidad más probable de hidrogeno que fue consumida durante la explosión fue de 130 kg. Es un hecho notable el que la combustión de una relativamente pequeña cantidad de hidrogeno pueda causar un daño tan significativo. Esta es una muestra de la importancia de este tipo de investigaciones. Las ramas de la industria para las que el modelo desarrollado será de interés abarca la totalidad de la futura economía de hidrógeno (pilas de combustible, vehículos, almacenamiento energético, etc) con un impacto especial en los sectores del transporte y la energía nuclear, tanto para las tecnologías de fisión y fusión. ABSTRACT The exhaustion, absolute absence or simply the uncertainty on the amount of the reserves of fossil fuels sources added to the variability of their prices and the increasing instability and difficulties on the supply chain are strong incentives for the development of alternative energy sources and carriers. The attractiveness of hydrogen in a context that additionally comprehends concerns on pollution and emissions is very high. Due to its excellent environmental impact, the public acceptance of the new energetic vector will depend on the risk associated to its handling and storage. Fromthese, the danger of a severe explosion appears as the major drawback of this alternative fuel. This thesis investigates the numerical modeling of large scale explosions, focusing on the simulation of turbulent combustion in large domains where the resolution achievable is forcefully limited. In the introduction, a general description of explosion process is undertaken. It is concluded that the restrictions of resolution makes necessary the modeling of the turbulence and combustion processes. Subsequently, a critical review of the available methodologies for both turbulence and combustion is carried out pointing out their strengths and deficiencies. As a conclusion of this investigation, it appears clear that the only viable methodology for combustion modeling is the utilization of an expression for the turbulent burning velocity to close a balance equation for the combustion progress variable, a model of the Turbulent flame velocity kind. Also, that depending on the particular resolution restriction of each problem and on its geometry the utilization of different simulation methodologies, LES or RANS, is the most adequate solution for modeling the turbulence. Based on these findings, the candidate undertakes the creation of a combustion model in the framework of turbulent flame speed methodology which is able to overcome the deficiencies of the available ones for low resolution problems. Particularly, the model utilizes a heuristic algorithm to maintain the thickness of the flame brush under control, a serious deficiency of the Zimont model. Under the approach utilized by the candidate, the emphasis of the analysis lays on the accurate determination of the burning velocity, both laminar and turbulent. On one side, the laminar burning velocity is determined through a newly developed correlation which is able to describe the simultaneous influence of the equivalence ratio, temperature, steam dilution and pressure on the laminar burning velocity. The formulation obtained is valid for a larger domain of temperature, steam dilution and pressure than any of the previously available formulations. On the other side, a certain number of turbulent burning velocity correlations are available in the literature. For the selection of the most suitable, they have been compared with experiments and ranked, with the outcome that the formulation due to Schmidt was the most adequate for the conditions studied. Subsequently, the role of the flame instabilities on the development of explosions is assessed. Their significance appears to be of importance for lean mixtures in which the turbulence intensity remains moderate. These are important conditions which are typical for accidents on Nuclear Power Plants. Therefore, the creation of a model to account for the instabilities, and concretely, the acoustic parametric instability is undertaken. This encloses the mathematical derivation of the heuristic formulation of Bauwebs et al. for the calculation of the burning velocity enhancement due to flame instabilities as well as the analysis of the stability of flames with respect to a cyclic velocity perturbation. The results are combined to build a model of the acoustic-parametric instability. The following task in this research has been to apply the model developed to several problems significant for the industrial safety and the subsequent analysis of the results and comparison with the corresponding experimental data was performed. As a part of such task simulations of explosions in a tunnel and explosions in large containers, with and without gradient of concentration and venting have been carried out. As a general outcome, the validation of the model is achieved, confirming its suitability for the problems addressed. As a last and final undertaking, a thorough study of the Fukushima-Daiichi catastrophe has been carried out. The analysis performed aims at the determination of the amount of hydrogen participating on the explosion that happened in the reactor one, in contrast with other analysis centered on the amount of hydrogen generated during the accident. As an outcome of the research, it was determined that the most probable amount of hydrogen exploding during the catastrophe was 130 kg. It is remarkable that the combustion of such a small quantity of material can cause tremendous damage. This is an indication of the importance of these types of investigations. The industrial branches that can benefit from the applications of the model developed in this thesis include the whole future hydrogen economy, as well as nuclear safety both in fusion and fission technology.

Economics of Wheat in Egypt

Este estudio pretende estimar la eficiencia y la productividad de las principales provincias de la producción de trigo en Egipto. Los datos utilizados en este estudio son datos de panel a nivel de provincias del período 1990-2012, obtenidos del Ministerio de Agricultura y Recuperación Tierras, y de la Agencia Central de Movilización Pública y Estadística, Egipto. Se aplica el enfoque de fronteras estocásticas para medir la eficiencia (función de producción de Cobb-Douglas) y se emplean las especificaciones de Battese y Coelli (1992) y (1995). También se utiliza el índice de Malmquist como una aproximación no paramétrica (Análisis de Envolvente de Datos) para descomponer la productividad total de los factores de las principales provincias productoras de trigo en Egipto en cambio técnico y cambio de eficiencia. El coeficiente de tierra es positivo y significativo en los dos especificaciones Battese y Coelli (1992) y (1995), lo que implica que aumentar la tierra para este cultivo aumentaría significativamente la producción de trigo. El coeficiente de trabajo es positivo y significativo en la especificación de Battese y Coelli (1992), mientras que es positivo y no significativo en la especificación de Battese y Coelli (1995). El coeficiente de la maquinaria es negativo y no significativo en las dos especificaciones de Battese y Coelli (1992) y (1995). El coeficiente de cambio técnico es positivo y no significativo en la especificación de Battese y Coelli (1992), mientras que es positiva y significativo en la especificación de Battese y Coelli (1995). Las variables de efectos del modelo de ineficiencia Battese y Coelli (1995) indican que no existe impacto de las diferentes provincias en la producción de trigo en Egipto; la ineficiencia técnica de la producción de trigo tendió a disminuir durante el período de estudio; y no hay ningún impacto de género en la producción de trigo en Egipto. Los niveles de eficiencia técnica varían entre las diferentes provincias para las especificaciones de Battese y Coelli (1992) y (1995); el nivel mínimo medio de eficiencia técnica es 91.61% en la provincia de Fayoum, mientras que el nivel máximo medio de la eficiencia técnica es 98.69% en la provincia de Dakahlia. La eficiencia técnica toma un valor medio de 95.37%, lo que implica poco potencial para mejorar la eficiencia de uso de recursos en la producción de trigo. La TFPCH de la producción de trigo en Egipto durante el período 1990-2012 tiene un valor menor que uno y muestra un declive. Esta disminución es debida más al componente de cambio técnico que al componente de cambio de eficiencia. La disminución de TFPCH mejora con el tiempo. La provincia de Menoufia tiene la menor disminución en TFPCH, 6.5%, mientras que dos provincias, Sharkia y Dakahlia, son las que más disminuyen en TFPCH, 13.1%, en cada uno de ellas. Menos disminución en TFPCH ocurre en el período 2009-2010, 0.3%, mientras que más disminución se produce en TFPCH en el período 1990-1991, 38.9%. La disminución de la PTF de la producción de trigo en Egipto se atribuye principalmente a la mala aplicación de la tecnología. ABSTRACT The objectives of this study are to estimate the efficiency and productivity of the main governorates of wheat production in Egypt. The data used in this study is a panel data at the governorates level, it represents the time period 1990-2012 and taken from the Ministry of Agriculture and Land Reclamation, and the Central Agency for Public Mobilization and Statistics, Egypt. We apply the stochastic frontier approach for efficiency measurement (Cobb-Douglas production function) and the specifications of Battese and Coelli (1992) and (1995) are employed. Also we use Malmquist TFP index as a non-parametric approach (DEA) to decompose total factor productivity of the main governorates of wheat production in Egypt into technical change and efficiency change. The coefficient of land is positive and significant at Battese and Coelli (1992) and (1995) specifications, implying that increasing the wheat area could significantly enhance the production of wheat. The coefficient of labor is positive and significant at Battese and Coelli (1992) specification, while it is positive and insignificant at Battese and Coelli (1995) specification. The coefficient of machinery is negative and insignificant at the specifications of Battese and Coelli (1992) and (1995). The technical change coefficient is positive and insignificant at Battese and Coelli (1992) specification, while it is positive and significant at Battese and Coelli (1995) specification. The variables of the inefficiency effect model indicate that there is no impact from the location of the different governorates on wheat production in Egypt, the technical inefficiency of wheat production tended to decrease through the period of study, and there is no impact from the gender on wheat production in Egypt. The levels of technical efficiency vary among the different governorates for the specifications of Battese and Coelli (1992) and (1995); the minimum mean level of technical efficiency is 91.61% at Fayoum governorate, while the maximum mean level of technical efficiency is 98.69% at Dakahlia governorate. The technical efficiency takes an average value of 95.37%, this implying that little potential exists to improve resource use efficiency in wheat production. The TFPCH of wheat production in Egypt during the time period 1990-2012 has a value less than one and shows a decline; this decline is due mainly to the technical change component than the efficiency change component. The decline in TFPCH is generally improves over time. Menoufia governorate has the least declining in TFPCH by 6.5%, while two governorates, Sharkia and Dakahlia have the most declining in TFPCH by 13.1% for each of them. The least declining in TFPCH occurred at the period 2009- 2010 by 0.3%, while the most declining in TFPCH occurred at the period 1990-1991 by 38.9%. The declining in TFP of wheat production in Egypt is attributed mainly to poor application of technology.

Parametric and structural self-adaptation of embedded systems using evolvable hardware

Los sistemas empotrados han sido concebidos tradicionalmente como sistemas de procesamiento específicos que realizan una tarea fija durante toda su vida útil. Para cumplir con requisitos estrictos de coste, tamaño y peso, el equipo de diseño debe optimizar su funcionamiento para condiciones muy específicas. Sin embargo, la demanda de mayor versatilidad, un funcionamiento más inteligente y, en definitiva, una mayor capacidad de procesamiento comenzaron a chocar con estas limitaciones, agravado por la incertidumbre asociada a entornos de operación cada vez más dinámicos donde comenzaban a ser desplegados progresivamente. Esto trajo como resultado una necesidad creciente de que los sistemas pudieran responder por si solos a eventos inesperados en tiempo diseño tales como: cambios en las características de los datos de entrada y el entorno del sistema en general; cambios en la propia plataforma de cómputo, por ejemplo debido a fallos o defectos de fabricación; y cambios en las propias especificaciones funcionales causados por unos objetivos del sistema dinámicos y cambiantes. Como consecuencia, la complejidad del sistema aumenta, pero a cambio se habilita progresivamente una capacidad de adaptación autónoma sin intervención humana a lo largo de la vida útil, permitiendo que tomen sus propias decisiones en tiempo de ejecución. Éstos sistemas se conocen, en general, como sistemas auto-adaptativos y tienen, entre otras características, las de auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación. Típicamente, la parte soft de un sistema es mayoritariamente la única utilizada para proporcionar algunas capacidades de adaptación a un sistema. Sin embargo, la proporción rendimiento/potencia en dispositivos software como microprocesadores en muchas ocasiones no es adecuada para sistemas empotrados. En este escenario, el aumento resultante en la complejidad de las aplicaciones está siendo abordado parcialmente mediante un aumento en la complejidad de los dispositivos en forma de multi/many-cores; pero desafortunadamente, esto hace que el consumo de potencia también aumente. Además, la mejora en metodologías de diseño no ha sido acorde como para poder utilizar toda la capacidad de cómputo disponible proporcionada por los núcleos. Por todo ello, no se están satisfaciendo adecuadamente las demandas de cómputo que imponen las nuevas aplicaciones. La solución tradicional para mejorar la proporción rendimiento/potencia ha sido el cambio a unas especificaciones hardware, principalmente usando ASICs. Sin embargo, los costes de un ASIC son altamente prohibitivos excepto en algunos casos de producción en masa y además la naturaleza estática de su estructura complica la solución a las necesidades de adaptación. Los avances en tecnologías de fabricación han hecho que la FPGA, una vez lenta y pequeña, usada como glue logic en sistemas mayores, haya crecido hasta convertirse en un dispositivo de cómputo reconfigurable de gran potencia, con una cantidad enorme de recursos lógicos computacionales y cores hardware empotrados de procesamiento de señal y de propósito general. Sus capacidades de reconfiguración han permitido combinar la flexibilidad propia del software con el rendimiento del procesamiento en hardware, lo que tiene la potencialidad de provocar un cambio de paradigma en arquitectura de computadores, pues el hardware no puede ya ser considerado más como estático. El motivo es que como en el caso de las FPGAs basadas en tecnología SRAM, la reconfiguración parcial dinámica (DPR, Dynamic Partial Reconfiguration) es posible. Esto significa que se puede modificar (reconfigurar) un subconjunto de los recursos computacionales en tiempo de ejecución mientras el resto permanecen activos. Además, este proceso de reconfiguración puede ser ejecutado internamente por el propio dispositivo. El avance tecnológico en dispositivos hardware reconfigurables se encuentra recogido bajo el campo conocido como Computación Reconfigurable (RC, Reconfigurable Computing). Uno de los campos de aplicación más exóticos y menos convencionales que ha posibilitado la computación reconfigurable es el conocido como Hardware Evolutivo (EHW, Evolvable Hardware), en el cual se encuentra enmarcada esta tesis. La idea principal del concepto consiste en convertir hardware que es adaptable a través de reconfiguración en una entidad evolutiva sujeta a las fuerzas de un proceso evolutivo inspirado en el de las especies biológicas naturales, que guía la dirección del cambio. Es una aplicación más del campo de la Computación Evolutiva (EC, Evolutionary Computation), que comprende una serie de algoritmos de optimización global conocidos como Algoritmos Evolutivos (EA, Evolutionary Algorithms), y que son considerados como algoritmos universales de resolución de problemas. En analogía al proceso biológico de la evolución, en el hardware evolutivo el sujeto de la evolución es una población de circuitos que intenta adaptarse a su entorno mediante una adecuación progresiva generación tras generación. Los individuos pasan a ser configuraciones de circuitos en forma de bitstreams caracterizados por descripciones de circuitos reconfigurables. Seleccionando aquellos que se comportan mejor, es decir, que tienen una mejor adecuación (o fitness) después de ser evaluados, y usándolos como padres de la siguiente generación, el algoritmo evolutivo crea una nueva población hija usando operadores genéticos como la mutación y la recombinación. Según se van sucediendo generaciones, se espera que la población en conjunto se aproxime a la solución óptima al problema de encontrar una configuración del circuito adecuada que satisfaga las especificaciones. El estado de la tecnología de reconfiguración después de que la familia de FPGAs XC6200 de Xilinx fuera retirada y reemplazada por las familias Virtex a finales de los 90, supuso un gran obstáculo para el avance en hardware evolutivo; formatos de bitstream cerrados (no conocidos públicamente); dependencia de herramientas del fabricante con soporte limitado de DPR; una velocidad de reconfiguración lenta; y el hecho de que modificaciones aleatorias del bitstream pudieran resultar peligrosas para la integridad del dispositivo, son algunas de estas razones. Sin embargo, una propuesta a principios de los años 2000 permitió mantener la investigación en el campo mientras la tecnología de DPR continuaba madurando, el Circuito Virtual Reconfigurable (VRC, Virtual Reconfigurable Circuit). En esencia, un VRC en una FPGA es una capa virtual que actúa como un circuito reconfigurable de aplicación específica sobre la estructura nativa de la FPGA que reduce la complejidad del proceso reconfiguración y aumenta su velocidad (comparada con la reconfiguración nativa). Es un array de nodos computacionales especificados usando descripciones HDL estándar que define recursos reconfigurables ad-hoc: multiplexores de rutado y un conjunto de elementos de procesamiento configurables, cada uno de los cuales tiene implementadas todas las funciones requeridas, que pueden seleccionarse a través de multiplexores tal y como ocurre en una ALU de un microprocesador. Un registro grande actúa como memoria de configuración, por lo que la reconfiguración del VRC es muy rápida ya que tan sólo implica la escritura de este registro, el cual controla las señales de selección del conjunto de multiplexores. Sin embargo, esta capa virtual provoca: un incremento de área debido a la implementación simultánea de cada función en cada nodo del array más los multiplexores y un aumento del retardo debido a los multiplexores, reduciendo la frecuencia de funcionamiento máxima. La naturaleza del hardware evolutivo, capaz de optimizar su propio comportamiento computacional, le convierten en un buen candidato para avanzar en la investigación sobre sistemas auto-adaptativos. Combinar un sustrato de cómputo auto-reconfigurable capaz de ser modificado dinámicamente en tiempo de ejecución con un algoritmo empotrado que proporcione una dirección de cambio, puede ayudar a satisfacer los requisitos de adaptación autónoma de sistemas empotrados basados en FPGA. La propuesta principal de esta tesis está por tanto dirigida a contribuir a la auto-adaptación del hardware de procesamiento de sistemas empotrados basados en FPGA mediante hardware evolutivo. Esto se ha abordado considerando que el comportamiento computacional de un sistema puede ser modificado cambiando cualquiera de sus dos partes constitutivas: una estructura hard subyacente y un conjunto de parámetros soft. De esta distinción, se derivan dos lineas de trabajo. Por un lado, auto-adaptación paramétrica, y por otro auto-adaptación estructural. El objetivo perseguido en el caso de la auto-adaptación paramétrica es la implementación de técnicas de optimización evolutiva complejas en sistemas empotrados con recursos limitados para la adaptación paramétrica online de circuitos de procesamiento de señal. La aplicación seleccionada como prueba de concepto es la optimización para tipos muy específicos de imágenes de los coeficientes de los filtros de transformadas wavelet discretas (DWT, DiscreteWavelet Transform), orientada a la compresión de imágenes. Por tanto, el objetivo requerido de la evolución es una compresión adaptativa y más eficiente comparada con los procedimientos estándar. El principal reto radica en reducir la necesidad de recursos de supercomputación para el proceso de optimización propuesto en trabajos previos, de modo que se adecúe para la ejecución en sistemas empotrados. En cuanto a la auto-adaptación estructural, el objetivo de la tesis es la implementación de circuitos auto-adaptativos en sistemas evolutivos basados en FPGA mediante un uso eficiente de sus capacidades de reconfiguración nativas. En este caso, la prueba de concepto es la evolución de tareas de procesamiento de imagen tales como el filtrado de tipos desconocidos y cambiantes de ruido y la detección de bordes en la imagen. En general, el objetivo es la evolución en tiempo de ejecución de tareas de procesamiento de imagen desconocidas en tiempo de diseño (dentro de un cierto grado de complejidad). En este caso, el objetivo de la propuesta es la incorporación de DPR en EHW para evolucionar la arquitectura de un array sistólico adaptable mediante reconfiguración cuya capacidad de evolución no había sido estudiada previamente. Para conseguir los dos objetivos mencionados, esta tesis propone originalmente una plataforma evolutiva que integra un motor de adaptación (AE, Adaptation Engine), un motor de reconfiguración (RE, Reconfiguration Engine) y un motor computacional (CE, Computing Engine) adaptable. El el caso de adaptación paramétrica, la plataforma propuesta está caracterizada por: • un CE caracterizado por un núcleo de procesamiento hardware de DWT adaptable mediante registros reconfigurables que contienen los coeficientes de los filtros wavelet • un algoritmo evolutivo como AE que busca filtros wavelet candidatos a través de un proceso de optimización paramétrica desarrollado específicamente para sistemas caracterizados por recursos de procesamiento limitados • un nuevo operador de mutación simplificado para el algoritmo evolutivo utilizado, que junto con un mecanismo de evaluación rápida de filtros wavelet candidatos derivado de la literatura actual, asegura la viabilidad de la búsqueda evolutiva asociada a la adaptación de wavelets. En el caso de adaptación estructural, la plataforma propuesta toma la forma de: • un CE basado en una plantilla de array sistólico reconfigurable de 2 dimensiones compuesto de nodos de procesamiento reconfigurables • un algoritmo evolutivo como AE que busca configuraciones candidatas del array usando un conjunto de funcionalidades de procesamiento para los nodos disponible en una biblioteca accesible en tiempo de ejecución • un RE hardware que explota la capacidad de reconfiguración nativa de las FPGAs haciendo un uso eficiente de los recursos reconfigurables del dispositivo para cambiar el comportamiento del CE en tiempo de ejecución • una biblioteca de elementos de procesamiento reconfigurables caracterizada por bitstreams parciales independientes de la posición, usados como el conjunto de configuraciones disponibles para los nodos de procesamiento del array Las contribuciones principales de esta tesis se pueden resumir en la siguiente lista: • Una plataforma evolutiva basada en FPGA para la auto-adaptación paramétrica y estructural de sistemas empotrados compuesta por un motor computacional (CE), un motor de adaptación (AE) evolutivo y un motor de reconfiguración (RE). Esta plataforma se ha desarrollado y particularizado para los casos de auto-adaptación paramétrica y estructural. • En cuanto a la auto-adaptación paramétrica, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante registros que permite la adaptación paramétrica de los coeficientes de una implementación hardware adaptativa de un núcleo de DWT. – Un motor de adaptación basado en un algoritmo evolutivo desarrollado específicamente para optimización numérica, aplicada a los coeficientes de filtros wavelet en sistemas empotrados con recursos limitados. – Un núcleo IP de DWT auto-adaptativo en tiempo de ejecución para sistemas empotrados que permite la optimización online del rendimiento de la transformada para compresión de imágenes en entornos específicos de despliegue, caracterizados por tipos diferentes de señal de entrada. – Un modelo software y una implementación hardware de una herramienta para la construcción evolutiva automática de transformadas wavelet específicas. • Por último, en cuanto a la auto-adaptación estructural, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante reconfiguración nativa de FPGAs caracterizado por una plantilla de array sistólico en dos dimensiones de nodos de procesamiento reconfigurables. Es posible mapear diferentes tareas de cómputo en el array usando una biblioteca de elementos sencillos de procesamiento reconfigurables. – Definición de una biblioteca de elementos de procesamiento apropiada para la síntesis autónoma en tiempo de ejecución de diferentes tareas de procesamiento de imagen. – Incorporación eficiente de la reconfiguración parcial dinámica (DPR) en sistemas de hardware evolutivo, superando los principales inconvenientes de propuestas previas como los circuitos reconfigurables virtuales (VRCs). En este trabajo también se comparan originalmente los detalles de implementación de ambas propuestas. – Una plataforma tolerante a fallos, auto-curativa, que permite la recuperación funcional online en entornos peligrosos. La plataforma ha sido caracterizada desde una perspectiva de tolerancia a fallos: se proponen modelos de fallo a nivel de CLB y de elemento de procesamiento, y usando el motor de reconfiguración, se hace un análisis sistemático de fallos para un fallo en cada elemento de procesamiento y para dos fallos acumulados. – Una plataforma con calidad de filtrado dinámica que permite la adaptación online a tipos de ruido diferentes y diferentes comportamientos computacionales teniendo en cuenta los recursos de procesamiento disponibles. Por un lado, se evolucionan filtros con comportamientos no destructivos, que permiten esquemas de filtrado en cascada escalables; y por otro, también se evolucionan filtros escalables teniendo en cuenta requisitos computacionales de filtrado cambiantes dinámicamente. Este documento está organizado en cuatro partes y nueve capítulos. La primera parte contiene el capítulo 1, una introducción y motivación sobre este trabajo de tesis. A continuación, el marco de referencia en el que se enmarca esta tesis se analiza en la segunda parte: el capítulo 2 contiene una introducción a los conceptos de auto-adaptación y computación autonómica (autonomic computing) como un campo de investigación más general que el muy específico de este trabajo; el capítulo 3 introduce la computación evolutiva como la técnica para dirigir la adaptación; el capítulo 4 analiza las plataformas de computación reconfigurables como la tecnología para albergar hardware auto-adaptativo; y finalmente, el capítulo 5 define, clasifica y hace un sondeo del campo del hardware evolutivo. Seguidamente, la tercera parte de este trabajo contiene la propuesta, desarrollo y resultados obtenidos: mientras que el capítulo 6 contiene una declaración de los objetivos de la tesis y la descripción de la propuesta en su conjunto, los capítulos 7 y 8 abordan la auto-adaptación paramétrica y estructural, respectivamente. Finalmente, el capítulo 9 de la parte 4 concluye el trabajo y describe caminos de investigación futuros. ABSTRACT Embedded systems have traditionally been conceived to be specific-purpose computers with one, fixed computational task for their whole lifetime. Stringent requirements in terms of cost, size and weight forced designers to highly optimise their operation for very specific conditions. However, demands for versatility, more intelligent behaviour and, in summary, an increased computing capability began to clash with these limitations, intensified by the uncertainty associated to the more dynamic operating environments where they were progressively being deployed. This brought as a result an increasing need for systems to respond by themselves to unexpected events at design time, such as: changes in input data characteristics and system environment in general; changes in the computing platform itself, e.g., due to faults and fabrication defects; and changes in functional specifications caused by dynamically changing system objectives. As a consequence, systems complexity is increasing, but in turn, autonomous lifetime adaptation without human intervention is being progressively enabled, allowing them to take their own decisions at run-time. This type of systems is known, in general, as selfadaptive, and are able, among others, of self-configuration, self-optimisation and self-repair. Traditionally, the soft part of a system has mostly been so far the only place to provide systems with some degree of adaptation capabilities. However, the performance to power ratios of software driven devices like microprocessors are not adequate for embedded systems in many situations. In this scenario, the resulting rise in applications complexity is being partly addressed by rising devices complexity in the form of multi and many core devices; but sadly, this keeps on increasing power consumption. Besides, design methodologies have not been improved accordingly to completely leverage the available computational power from all these cores. Altogether, these factors make that the computing demands new applications pose are not being wholly satisfied. The traditional solution to improve performance to power ratios has been the switch to hardware driven specifications, mainly using ASICs. However, their costs are highly prohibitive except for some mass production cases and besidesthe static nature of its structure complicates the solution to the adaptation needs. The advancements in fabrication technologies have made that the once slow, small FPGA used as glue logic in bigger systems, had grown to be a very powerful, reconfigurable computing device with a vast amount of computational logic resources and embedded, hardened signal and general purpose processing cores. Its reconfiguration capabilities have enabled software-like flexibility to be combined with hardware-like computing performance, which has the potential to cause a paradigm shift in computer architecture since hardware cannot be considered as static anymore. This is so, since, as is the case with SRAMbased FPGAs, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is possible. This means that subsets of the FPGA computational resources can now be changed (reconfigured) at run-time while the rest remains active. Besides, this reconfiguration process can be triggered internally by the device itself. This technological boost in reconfigurable hardware devices is actually covered under the field known as Reconfigurable Computing. One of the most exotic fields of application that Reconfigurable Computing has enabled is the known as Evolvable Hardware (EHW), in which this dissertation is framed. The main idea behind the concept is turning hardware that is adaptable through reconfiguration into an evolvable entity subject to the forces of an evolutionary process, inspired by that of natural, biological species, that guides the direction of change. It is yet another application of the field of Evolutionary Computation (EC), which comprises a set of global optimisation algorithms known as Evolutionary Algorithms (EAs), considered as universal problem solvers. In analogy to the biological process of evolution, in EHW the subject of evolution is a population of circuits that tries to get adapted to its surrounding environment by progressively getting better fitted to it generation after generation. Individuals become circuit configurations representing bitstreams that feature reconfigurable circuit descriptions. By selecting those that behave better, i.e., with a higher fitness value after being evaluated, and using them as parents of the following generation, the EA creates a new offspring population by using so called genetic operators like mutation and recombination. As generations succeed one another, the whole population is expected to approach to the optimum solution to the problem of finding an adequate circuit configuration that fulfils system objectives. The state of reconfiguration technology after Xilinx XC6200 FPGA family was discontinued and replaced by Virtex families in the late 90s, was a major obstacle for advancements in EHW; closed (non publicly known) bitstream formats; dependence on manufacturer tools with highly limiting support of DPR; slow speed of reconfiguration; and random bitstream modifications being potentially hazardous for device integrity, are some of these reasons. However, a proposal in the first 2000s allowed to keep investigating in this field while DPR technology kept maturing, the Virtual Reconfigurable Circuit (VRC). In essence, a VRC in an FPGA is a virtual layer acting as an application specific reconfigurable circuit on top of an FPGA fabric that reduces the complexity of the reconfiguration process and increases its speed (compared to native reconfiguration). It is an array of computational nodes specified using standard HDL descriptions that define ad-hoc reconfigurable resources; routing multiplexers and a set of configurable processing elements, each one containing all the required functions, which are selectable through functionality multiplexers as in microprocessor ALUs. A large register acts as configuration memory, so VRC reconfiguration is very fast given it only involves writing this register, which drives the selection signals of the set of multiplexers. However, large overheads are introduced by this virtual layer; an area overhead due to the simultaneous implementation of every function in every node of the array plus the multiplexers, and a delay overhead due to the multiplexers, which also reduces maximum frequency of operation. The very nature of Evolvable Hardware, able to optimise its own computational behaviour, makes it a good candidate to advance research in self-adaptive systems. Combining a selfreconfigurable computing substrate able to be dynamically changed at run-time with an embedded algorithm that provides a direction for change, can help fulfilling requirements for autonomous lifetime adaptation of FPGA-based embedded systems. The main proposal of this thesis is hence directed to contribute to autonomous self-adaptation of the underlying computational hardware of FPGA-based embedded systems by means of Evolvable Hardware. This is tackled by considering that the computational behaviour of a system can be modified by changing any of its two constituent parts: an underlying hard structure and a set of soft parameters. Two main lines of work derive from this distinction. On one side, parametric self-adaptation and, on the other side, structural self-adaptation. The goal pursued in the case of parametric self-adaptation is the implementation of complex evolutionary optimisation techniques in resource constrained embedded systems for online parameter adaptation of signal processing circuits. The application selected as proof of concept is the optimisation of Discrete Wavelet Transforms (DWT) filters coefficients for very specific types of images, oriented to image compression. Hence, adaptive and improved compression efficiency, as compared to standard techniques, is the required goal of evolution. The main quest lies in reducing the supercomputing resources reported in previous works for the optimisation process in order to make it suitable for embedded systems. Regarding structural self-adaptation, the thesis goal is the implementation of self-adaptive circuits in FPGA-based evolvable systems through an efficient use of native reconfiguration capabilities. In this case, evolution of image processing tasks such as filtering of unknown and changing types of noise and edge detection are the selected proofs of concept. In general, evolving unknown image processing behaviours (within a certain complexity range) at design time is the required goal. In this case, the mission of the proposal is the incorporation of DPR in EHW to evolve a systolic array architecture adaptable through reconfiguration whose evolvability had not been previously checked. In order to achieve the two stated goals, this thesis originally proposes an evolvable platform that integrates an Adaptation Engine (AE), a Reconfiguration Engine (RE) and an adaptable Computing Engine (CE). In the case of parametric adaptation, the proposed platform is characterised by: • a CE featuring a DWT hardware processing core adaptable through reconfigurable registers that holds wavelet filters coefficients • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate wavelet filters through a parametric optimisation process specifically developed for systems featured by scarce computing resources • a new, simplified mutation operator for the selected EA, that together with a fast evaluation mechanism of candidate wavelet filters derived from existing literature, assures the feasibility of the evolutionary search involved in wavelets adaptation In the case of structural adaptation, the platform proposal takes the form of: • a CE based on a reconfigurable 2D systolic array template composed of reconfigurable processing nodes • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate configurations of the array using a set of computational functionalities for the nodes available in a run time accessible library • a hardware RE that exploits native DPR capabilities of FPGAs and makes an efficient use of the available reconfigurable resources of the device to change the behaviour of the CE at run time • a library of reconfigurable processing elements featured by position-independent partial bitstreams used as the set of available configurations for the processing nodes of the array Main contributions of this thesis can be summarised in the following list. • An FPGA-based evolvable platform for parametric and structural self-adaptation of embedded systems composed of a Computing Engine, an evolutionary Adaptation Engine and a Reconfiguration Engine. This platform is further developed and tailored for both parametric and structural self-adaptation. • Regarding parametric self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through reconfigurable registers that enables parametric adaptation of the coefficients of an adaptive hardware implementation of a DWT core. – An AE based on an Evolutionary Algorithm specifically developed for numerical optimisation applied to wavelet filter coefficients in resource constrained embedded systems. – A run-time self-adaptive DWT IP core for embedded systems that allows for online optimisation of transform performance for image compression for specific deployment environments characterised by different types of input signals. – A software model and hardware implementation of a tool for the automatic, evolutionary construction of custom wavelet transforms. • Lastly, regarding structural self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through native FPGA fabric reconfiguration featured by a two dimensional systolic array template of reconfigurable processing nodes. Different processing behaviours can be automatically mapped in the array by using a library of simple reconfigurable processing elements. – Definition of a library of such processing elements suited for autonomous runtime synthesis of different image processing tasks. – Efficient incorporation of DPR in EHW systems, overcoming main drawbacks from the previous approach of virtual reconfigurable circuits. Implementation details for both approaches are also originally compared in this work. – A fault tolerant, self-healing platform that enables online functional recovery in hazardous environments. The platform has been characterised from a fault tolerance perspective: fault models at FPGA CLB level and processing elements level are proposed, and using the RE, a systematic fault analysis for one fault in every processing element and for two accumulated faults is done. – A dynamic filtering quality platform that permits on-line adaptation to different types of noise and different computing behaviours considering the available computing resources. On one side, non-destructive filters are evolved, enabling scalable cascaded filtering schemes; and on the other, size-scalable filters are also evolved considering dynamically changing computational filtering requirements. This dissertation is organized in four parts and nine chapters. First part contains chapter 1, the introduction to and motivation of this PhD work. Following, the reference framework in which this dissertation is framed is analysed in the second part: chapter 2 features an introduction to the notions of self-adaptation and autonomic computing as a more general research field to the very specific one of this work; chapter 3 introduces evolutionary computation as the technique to drive adaptation; chapter 4 analyses platforms for reconfigurable computing as the technology to hold self-adaptive hardware; and finally chapter 5 defines, classifies and surveys the field of Evolvable Hardware. Third part of the work follows, which contains the proposal, development and results obtained: while chapter 6 contains an statement of the thesis goals and the description of the proposal as a whole, chapters 7 and 8 address parametric and structural self-adaptation, respectively. Finally, chapter 9 in part 4 concludes the work and describes future research paths.

Real-Time Dynamic PGD Calculation of Non-Linear Soil Behavior

El estudio sísmico en los últimos 50 años y el análisis del comportamiento dinámico del suelo revelan que el comportamiento del suelo es altamente no lineal e histéretico incluso para pequeñas deformaciones. El comportamiento no lineal del suelo durante un evento sísmico tiene un papel predominante en el análisis de la respuesta de sitio. Los análisis unidimensionales de la respuesta sísmica del suelo son a menudo realizados utilizando procedimientos lineales equivalentes, que requieren generalmente pocos parámetros conocidos. Los análisis de respuesta de sitio no lineal tienen el potencial para simular con mayor precisión el comportamiento del suelo, pero su aplicación en la práctica se ha visto limitada debido a la selección de parámetros poco documentadas y poco claras, así como una inadecuada documentación de los beneficios del modelado no lineal en relación al modelado lineal equivalente. En el análisis del suelo, el comportamiento del suelo es aproximado como un sólido Kelvin-Voigt con un módulo de corte elástico y amortiguamiento viscoso. En el análisis lineal y no lineal del suelo se están considerando geometrías y modelos reológicos más complejos. El primero está siendo dirigido por considerar parametrizaciones más ricas del comportamiento linealizado y el segundo mediante el uso de multi-modo de los elementos de resorte-amortiguador con un eventual amortiguador fraccional. El uso del cálculo fraccional está motivado en gran parte por el hecho de que se requieren menos parámetros para lograr la aproximación exacta a los datos experimentales. Basándose en el modelo de Kelvin-Voigt, la viscoelasticidad es revisada desde su formulación más estándar a algunas descripciones más avanzada que implica la amortiguación dependiente de la frecuencia (o viscosidad), analizando los efectos de considerar derivados fraccionarios para representar esas contribuciones viscosas. Vamos a demostrar que tal elección se traduce en modelos más ricos que pueden adaptarse a diferentes limitaciones relacionadas con la potencia disipada, amplitud de la respuesta y el ángulo de fase. Por otra parte, el uso de derivados fraccionarios permite acomodar en paralelo, dentro de un análogo de Kelvin-Voigt generalizado, muchos amortiguadores que contribuyen a aumentar la flexibilidad del modelado para la descripción de los resultados experimentales. Obviamente estos modelos ricos implican muchos parámetros, los asociados con el comportamiento y los relacionados con los derivados fraccionarios. El análisis paramétrico de estos modelos requiere técnicas numéricas eficientemente capaces de simular comportamientos complejos. El método de la Descomposición Propia Generalizada (PGD) es el candidato perfecto para la construcción de este tipo de soluciones paramétricas. Podemos calcular off-line la solución paramétrica para el depósito de suelo, para todos los parámetros del modelo, tan pronto como tales soluciones paramétricas están disponibles, el problema puede ser resuelto en tiempo real, porque no se necesita ningún nuevo cálculo, el solucionador sólo necesita particularizar on-line la solución paramétrica calculada off-line, que aliviará significativamente el procedimiento de solución. En el marco de la PGD, parámetros de los materiales y los diferentes poderes de derivación podrían introducirse como extra-coordenadas en el procedimiento de solución. El cálculo fraccional y el nuevo método de reducción modelo llamado Descomposición Propia Generalizada han sido aplicado en esta tesis tanto al análisis lineal como al análisis no lineal de la respuesta del suelo utilizando un método lineal equivalente. ABSTRACT Studies of earthquakes over the last 50 years and the examination of dynamic soil behavior reveal that soil behavior is highly nonlinear and hysteretic even at small strains. Nonlinear behavior of soils during a seismic event has a predominant role in current site response analysis. One-dimensional seismic ground response analysis are often performed using equivalent-linear procedures, which require few, generally well-known parameters. Nonlinear analyses have the potential to more accurately simulate soil behavior, but their implementation in practice has been limited because of poorly documented and unclear parameter selection, as well as inadequate documentation of the benefits of nonlinear modeling relative to equivalent linear modeling. In soil analysis, soil behaviour is approximated as a Kelvin-Voigt solid with a elastic shear modulus and viscous damping. In linear and nonlinear analysis more complex geometries and more complex rheological models are being considered. The first is being addressed by considering richer parametrizations of the linearized behavior and the second by using multi-mode spring-dashpot elements with eventual fractional damping. The use of fractional calculus is motivated in large part by the fact that fewer parameters are required to achieve accurate approximation of experimental data. Based in Kelvin-Voigt model the viscoelastodynamics is revisited from its most standard formulation to some more advanced description involving frequency-dependent damping (or viscosity), analyzing the effects of considering fractional derivatives for representing such viscous contributions. We will prove that such a choice results in richer models that can accommodate different constraints related to the dissipated power, response amplitude and phase angle. Moreover, the use of fractional derivatives allows to accommodate in parallel, within a generalized Kelvin-Voigt analog, many dashpots that contribute to increase the modeling flexibility for describing experimental findings. Obviously these rich models involve many parameters, the ones associated with the behavior and the ones related to the fractional derivatives. The parametric analysis of all these models require efficient numerical techniques able to simulate complex behaviors. The Proper Generalized Decomposition (PGD) is the perfect candidate for producing such kind of parametric solutions. We can compute off-line the parametric solution for the soil deposit, for all parameter of the model, as soon as such parametric solutions are available, the problem can be solved in real time because no new calculation is needed, the solver only needs particularize on-line the parametric solution calculated off-line, which will alleviate significantly the solution procedure. Within the PGD framework material parameters and the different derivation powers could be introduced as extra-coordinates in the solution procedure. Fractional calculus and the new model reduction method called Proper Generalized Decomposition has been applied in this thesis to the linear analysis and nonlinear soil response analysis using a equivalent linear method.

Automated detection and classification of brain injury lesions on structural magnetic resonance imaging

El daño cerebral adquirido (DCA) es un problema social y sanitario grave, de magnitud creciente y de una gran complejidad diagnóstica y terapéutica. Su elevada incidencia, junto con el aumento de la supervivencia de los pacientes, una vez superada la fase aguda, lo convierten también en un problema de alta prevalencia. En concreto, según la Organización Mundial de la Salud (OMS) el DCA estará entre las 10 causas más comunes de discapacidad en el año 2020. La neurorrehabilitación permite mejorar el déficit tanto cognitivo como funcional y aumentar la autonomía de las personas con DCA. Con la incorporación de nuevas soluciones tecnológicas al proceso de neurorrehabilitación se pretende alcanzar un nuevo paradigma donde se puedan diseñar tratamientos que sean intensivos, personalizados, monitorizados y basados en la evidencia. Ya que son estas cuatro características las que aseguran que los tratamientos son eficaces. A diferencia de la mayor parte de las disciplinas médicas, no existen asociaciones de síntomas y signos de la alteración cognitiva que faciliten la orientación terapéutica. Actualmente, los tratamientos de neurorrehabilitación se diseñan en base a los resultados obtenidos en una batería de evaluación neuropsicológica que evalúa el nivel de afectación de cada una de las funciones cognitivas (memoria, atención, funciones ejecutivas, etc.). La línea de investigación en la que se enmarca este trabajo de investigación pretende diseñar y desarrollar un perfil cognitivo basado no sólo en el resultado obtenido en esa batería de test, sino también en información teórica que engloba tanto estructuras anatómicas como relaciones funcionales e información anatómica obtenida de los estudios de imagen. De esta forma, el perfil cognitivo utilizado para diseñar los tratamientos integra información personalizada y basada en la evidencia. Las técnicas de neuroimagen representan una herramienta fundamental en la identificación de lesiones para la generación de estos perfiles cognitivos. La aproximación clásica utilizada en la identificación de lesiones consiste en delinear manualmente regiones anatómicas cerebrales. Esta aproximación presenta diversos problemas relacionados con inconsistencias de criterio entre distintos clínicos, reproducibilidad y tiempo. Por tanto, la automatización de este procedimiento es fundamental para asegurar una extracción objetiva de información. La delineación automática de regiones anatómicas se realiza mediante el registro tanto contra atlas como contra otros estudios de imagen de distintos sujetos. Sin embargo, los cambios patológicos asociados al DCA están siempre asociados a anormalidades de intensidad y/o cambios en la localización de las estructuras. Este hecho provoca que los algoritmos de registro tradicionales basados en intensidad no funcionen correctamente y requieran la intervención del clínico para seleccionar ciertos puntos (que en esta tesis hemos denominado puntos singulares). Además estos algoritmos tampoco permiten que se produzcan deformaciones grandes deslocalizadas. Hecho que también puede ocurrir ante la presencia de lesiones provocadas por un accidente cerebrovascular (ACV) o un traumatismo craneoencefálico (TCE). Esta tesis se centra en el diseño, desarrollo e implementación de una metodología para la detección automática de estructuras lesionadas que integra algoritmos cuyo objetivo principal es generar resultados que puedan ser reproducibles y objetivos. Esta metodología se divide en cuatro etapas: pre-procesado, identificación de puntos singulares, registro y detección de lesiones. Los trabajos y resultados alcanzados en esta tesis son los siguientes: Pre-procesado. En esta primera etapa el objetivo es homogeneizar todos los datos de entrada con el objetivo de poder extraer conclusiones válidas de los resultados obtenidos. Esta etapa, por tanto, tiene un gran impacto en los resultados finales. Se compone de tres operaciones: eliminación del cráneo, normalización en intensidad y normalización espacial. Identificación de puntos singulares. El objetivo de esta etapa es automatizar la identificación de puntos anatómicos (puntos singulares). Esta etapa equivale a la identificación manual de puntos anatómicos por parte del clínico, permitiendo: identificar un mayor número de puntos lo que se traduce en mayor información; eliminar el factor asociado a la variabilidad inter-sujeto, por tanto, los resultados son reproducibles y objetivos; y elimina el tiempo invertido en el marcado manual de puntos. Este trabajo de investigación propone un algoritmo de identificación de puntos singulares (descriptor) basado en una solución multi-detector y que contiene información multi-paramétrica: espacial y asociada a la intensidad. Este algoritmo ha sido contrastado con otros algoritmos similares encontrados en el estado del arte. Registro. En esta etapa se pretenden poner en concordancia espacial dos estudios de imagen de sujetos/pacientes distintos. El algoritmo propuesto en este trabajo de investigación está basado en descriptores y su principal objetivo es el cálculo de un campo vectorial que permita introducir deformaciones deslocalizadas en la imagen (en distintas regiones de la imagen) y tan grandes como indique el vector de deformación asociado. El algoritmo propuesto ha sido comparado con otros algoritmos de registro utilizados en aplicaciones de neuroimagen que se utilizan con estudios de sujetos control. Los resultados obtenidos son prometedores y representan un nuevo contexto para la identificación automática de estructuras. Identificación de lesiones. En esta última etapa se identifican aquellas estructuras cuyas características asociadas a la localización espacial y al área o volumen han sido modificadas con respecto a una situación de normalidad. Para ello se realiza un estudio estadístico del atlas que se vaya a utilizar y se establecen los parámetros estadísticos de normalidad asociados a la localización y al área. En función de las estructuras delineadas en el atlas, se podrán identificar más o menos estructuras anatómicas, siendo nuestra metodología independiente del atlas seleccionado. En general, esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas relativas a la identificación automática de lesiones utilizando estudios de imagen médica estructural, concretamente estudios de resonancia magnética. Basándose en estos cimientos, se han abrir nuevos campos de investigación que contribuyan a la mejora en la detección de lesiones. ABSTRACT Brain injury constitutes a serious social and health problem of increasing magnitude and of great diagnostic and therapeutic complexity. Its high incidence and survival rate, after the initial critical phases, makes it a prevalent problem that needs to be addressed. In particular, according to the World Health Organization (WHO), brain injury will be among the 10 most common causes of disability by 2020. Neurorehabilitation improves both cognitive and functional deficits and increases the autonomy of brain injury patients. The incorporation of new technologies to the neurorehabilitation tries to reach a new paradigm focused on designing intensive, personalized, monitored and evidence-based treatments. Since these four characteristics ensure the effectivity of treatments. Contrary to most medical disciplines, it is not possible to link symptoms and cognitive disorder syndromes, to assist the therapist. Currently, neurorehabilitation treatments are planned considering the results obtained from a neuropsychological assessment battery, which evaluates the functional impairment of each cognitive function (memory, attention, executive functions, etc.). The research line, on which this PhD falls under, aims to design and develop a cognitive profile based not only on the results obtained in the assessment battery, but also on theoretical information that includes both anatomical structures and functional relationships and anatomical information obtained from medical imaging studies, such as magnetic resonance. Therefore, the cognitive profile used to design these treatments integrates information personalized and evidence-based. Neuroimaging techniques represent an essential tool to identify lesions and generate this type of cognitive dysfunctional profiles. Manual delineation of brain anatomical regions is the classical approach to identify brain anatomical regions. Manual approaches present several problems related to inconsistencies across different clinicians, time and repeatability. Automated delineation is done by registering brains to one another or to a template. However, when imaging studies contain lesions, there are several intensity abnormalities and location alterations that reduce the performance of most of the registration algorithms based on intensity parameters. Thus, specialists may have to manually interact with imaging studies to select landmarks (called singular points in this PhD) or identify regions of interest. These two solutions have the same inconvenient than manual approaches, mentioned before. Moreover, these registration algorithms do not allow large and distributed deformations. This type of deformations may also appear when a stroke or a traumatic brain injury (TBI) occur. This PhD is focused on the design, development and implementation of a new methodology to automatically identify lesions in anatomical structures. This methodology integrates algorithms whose main objective is to generate objective and reproducible results. It is divided into four stages: pre-processing, singular points identification, registration and lesion detection. Pre-processing stage. In this first stage, the aim is to standardize all input data in order to be able to draw valid conclusions from the results. Therefore, this stage has a direct impact on the final results. It consists of three steps: skull-stripping, spatial and intensity normalization. Singular points identification. This stage aims to automatize the identification of anatomical points (singular points). It involves the manual identification of anatomical points by the clinician. This automatic identification allows to identify a greater number of points which results in more information; to remove the factor associated to inter-subject variability and thus, the results are reproducible and objective; and to eliminate the time spent on manual marking. This PhD proposed an algorithm to automatically identify singular points (descriptor) based on a multi-detector approach. This algorithm contains multi-parametric (spatial and intensity) information. This algorithm has been compared with other similar algorithms found on the state of the art. Registration. The goal of this stage is to put in spatial correspondence two imaging studies of different subjects/patients. The algorithm proposed in this PhD is based on descriptors. Its main objective is to compute a vector field to introduce distributed deformations (changes in different imaging regions), as large as the deformation vector indicates. The proposed algorithm has been compared with other registration algorithms used on different neuroimaging applications which are used with control subjects. The obtained results are promising and they represent a new context for the automatic identification of anatomical structures. Lesion identification. This final stage aims to identify those anatomical structures whose characteristics associated to spatial location and area or volume has been modified with respect to a normal state. A statistical study of the atlas to be used is performed to establish which are the statistical parameters associated to the normal state. The anatomical structures that may be identified depend on the selected anatomical structures identified on the atlas. The proposed methodology is independent from the selected atlas. Overall, this PhD corroborates the investigated research hypotheses regarding the automatic identification of lesions based on structural medical imaging studies (resonance magnetic studies). Based on these foundations, new research fields to improve the automatic identification of lesions in brain injury can be proposed.