Multidisciplinary Design Optimization Application to Conceptual Design of University-class Microsatellite Projects

Esta tesis se ha realizado en el contexto del proyecto UPMSat-2, que es un microsatélite diseñado, construido y operado por el Instituto Universitario de Microgravedad "Ignacio Da Riva" (IDR / UPM) de la Universidad Politécnica de Madrid. Aplicación de la metodología Ingeniería Concurrente (Concurrent Engineering: CE) en el marco de la aplicación de diseño multidisciplinar (Multidisciplinary Design Optimization: MDO) es uno de los principales objetivos del presente trabajo. En los últimos años, ha habido un interés continuo en la participación de los grupos de investigación de las universidades en los estudios de la tecnología espacial a través de sus propios microsatélites. La participación en este tipo de proyectos tiene algunos desafíos inherentes, tales como presupuestos y servicios limitados. Además, debido al hecho de que el objetivo principal de estos proyectos es fundamentalmente educativo, por lo general hay incertidumbres en cuanto a su misión en órbita y cargas útiles en las primeras fases del proyecto. Por otro lado, existen limitaciones predeterminadas para sus presupuestos de masa, volumen y energía, debido al hecho de que la mayoría de ellos están considerados como una carga útil auxiliar para el lanzamiento. De este modo, el costo de lanzamiento se reduce considerablemente. En este contexto, el subsistema estructural del satélite es uno de los más afectados por las restricciones que impone el lanzador. Esto puede afectar a diferentes aspectos, incluyendo las dimensiones, la resistencia y los requisitos de frecuencia. En la primera parte de esta tesis, la atención se centra en el desarrollo de una herramienta de diseño del subsistema estructural que evalúa, no sólo las propiedades de la estructura primaria como variables, sino también algunas variables de nivel de sistema del satélite, como la masa de la carga útil y la masa y las dimensiones extremas de satélite. Este enfoque permite que el equipo de diseño obtenga una mejor visión del diseño en un espacio de diseño extendido. La herramienta de diseño estructural se basa en las fórmulas y los supuestos apropiados, incluyendo los modelos estáticos y dinámicos del satélite. Un algoritmo genético (Genetic Algorithm: GA) se aplica al espacio de diseño para optimizaciones de objetivo único y también multiobjetivo. El resultado de la optimización multiobjetivo es un Pareto-optimal basado en dos objetivo, la masa total de satélites mínimo y el máximo presupuesto de masa de carga útil. Por otro lado, la aplicación de los microsatélites en misiones espaciales es de interés por su menor coste y tiempo de desarrollo. La gran necesidad de las aplicaciones de teledetección es un fuerte impulsor de su popularidad en este tipo de misiones espaciales. Las misiones de tele-observación por satélite son esenciales para la investigación de los recursos de la tierra y el medio ambiente. En estas misiones existen interrelaciones estrechas entre diferentes requisitos como la altitud orbital, tiempo de revisita, el ciclo de vida y la resolución. Además, todos estos requisitos puede afectar a toda las características de diseño. Durante los últimos años la aplicación de CE en las misiones espaciales ha demostrado una gran ventaja para llegar al diseño óptimo, teniendo en cuenta tanto el rendimiento y el costo del proyecto. Un ejemplo bien conocido de la aplicación de CE es la CDF (Facilidad Diseño Concurrente) de la ESA (Agencia Espacial Europea). Está claro que para los proyectos de microsatélites universitarios tener o desarrollar una instalación de este tipo parece estar más allá de las capacidades del proyecto. Sin embargo, la práctica de la CE a cualquier escala puede ser beneficiosa para los microsatélites universitarios también. En la segunda parte de esta tesis, la atención se centra en el desarrollo de una estructura de optimización de diseño multidisciplinar (Multidisciplinary Design Optimization: MDO) aplicable a la fase de diseño conceptual de microsatélites de teledetección. Este enfoque permite que el equipo de diseño conozca la interacción entre las diferentes variables de diseño. El esquema MDO presentado no sólo incluye variables de nivel de sistema, tales como la masa total del satélite y la potencia total, sino también los requisitos de la misión como la resolución y tiempo de revisita. El proceso de diseño de microsatélites se divide en tres disciplinas; a) diseño de órbita, b) diseño de carga útil y c) diseño de plataforma. En primer lugar, se calculan diferentes parámetros de misión para un rango práctico de órbitas helio-síncronas (sun-synchronous orbits: SS-Os). Luego, según los parámetros orbitales y los datos de un instrumento como referencia, se calcula la masa y la potencia de la carga útil. El diseño de la plataforma del satélite se estima a partir de los datos de la masa y potencia de los diferentes subsistemas utilizando relaciones empíricas de diseño. El diseño del subsistema de potencia se realiza teniendo en cuenta variables de diseño más detalladas, como el escenario de la misión y diferentes tipos de células solares y baterías. El escenario se selecciona, de modo de obtener una banda de cobertura sobre la superficie terrestre paralelo al Ecuador después de cada intervalo de revisita. Con el objetivo de evaluar las interrelaciones entre las diferentes variables en el espacio de diseño, todas las disciplinas de diseño mencionados se combinan en un código unificado. Por último, una forma básica de MDO se ajusta a la herramienta de diseño de sistema de satélite. La optimización del diseño se realiza por medio de un GA con el único objetivo de minimizar la masa total de microsatélite. Según los resultados obtenidos de la aplicación del MDO, existen diferentes puntos de diseños óptimos, pero con diferentes variables de misión. Este análisis demuestra la aplicabilidad de MDO para los estudios de ingeniería de sistema en la fase de diseño conceptual en este tipo de proyectos. La principal conclusión de esta tesis, es que el diseño clásico de los satélites que por lo general comienza con la definición de la misión y la carga útil no es necesariamente la mejor metodología para todos los proyectos de satélites. Un microsatélite universitario, es un ejemplo de este tipo de proyectos. Por eso, se han desarrollado un conjunto de herramientas de diseño para encarar los estudios de la fase inicial de diseño. Este conjunto de herramientas incluye diferentes disciplinas de diseño centrados en el subsistema estructural y teniendo en cuenta una carga útil desconocida a priori. Los resultados demuestran que la mínima masa total del satélite y la máxima masa disponible para una carga útil desconocida a priori, son objetivos conflictivos. En este contexto para encontrar un Pareto-optimal se ha aplicado una optimización multiobjetivo. Según los resultados se concluye que la selección de la masa total por satélite en el rango de 40-60 kg puede considerarse como óptima para un proyecto de microsatélites universitario con carga útil desconocida a priori. También la metodología CE se ha aplicado al proceso de diseño conceptual de microsatélites de teledetección. Los resultados de la aplicación del CE proporcionan una clara comprensión de la interacción entre los requisitos de diseño de sistemas de satélites, tales como la masa total del microsatélite y la potencia y los requisitos de la misión como la resolución y el tiempo de revisita. La aplicación de MDO se hace con la minimización de la masa total de microsatélite. Los resultados de la aplicación de MDO aclaran la relación clara entre los diferentes requisitos de diseño del sistema y de misión, así como que permiten seleccionar las líneas de base para el diseño óptimo con el objetivo seleccionado en las primeras fase de diseño. ABSTRACT This thesis is done in the context of UPMSat-2 project, which is a microsatellite under design and manufacturing at the Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM) of the Universidad Politécnica de Madrid. Application of Concurrent Engineering (CE) methodology in the framework of Multidisciplinary Design application (MDO) is one of the main objectives of the present work. In recent years, there has been continuing interest in the participation of university research groups in space technology studies by means of their own microsatellites. The involvement in such projects has some inherent challenges, such as limited budget and facilities. Also, due to the fact that the main objective of these projects is for educational purposes, usually there are uncertainties regarding their in orbit mission and scientific payloads at the early phases of the project. On the other hand, there are predetermined limitations for their mass and volume budgets owing to the fact that most of them are launched as an auxiliary payload in which the launch cost is reduced considerably. The satellite structure subsystem is the one which is most affected by the launcher constraints. This can affect different aspects, including dimensions, strength and frequency requirements. In the first part of this thesis, the main focus is on developing a structural design sizing tool containing not only the primary structures properties as variables but also the satellite system level variables such as payload mass budget and satellite total mass and dimensions. This approach enables the design team to obtain better insight into the design in an extended design envelope. The structural design sizing tool is based on the analytical structural design formulas and appropriate assumptions including both static and dynamic models of the satellite. A Genetic Algorithm (GA) is applied to the design space for both single and multiobejective optimizations. The result of the multiobjective optimization is a Pareto-optimal based on two objectives, minimum satellite total mass and maximum payload mass budget. On the other hand, the application of the microsatellites is of interest for their less cost and response time. The high need for the remote sensing applications is a strong driver of their popularity in space missions. The satellite remote sensing missions are essential for long term research around the condition of the earth resources and environment. In remote sensing missions there are tight interrelations between different requirements such as orbital altitude, revisit time, mission cycle life and spatial resolution. Also, all of these requirements can affect the whole design characteristics. During the last years application of the CE in the space missions has demonstrated a great advantage to reach the optimum design base lines considering both the performance and the cost of the project. A well-known example of CE application is ESA (European Space Agency) CDF (Concurrent Design Facility). It is clear that for the university-class microsatellite projects having or developing such a facility seems beyond the project capabilities. Nevertheless practicing CE at any scale can be beneficiary for the university-class microsatellite projects. In the second part of this thesis, the main focus is on developing a MDO framework applicable to the conceptual design phase of the remote sensing microsatellites. This approach enables the design team to evaluate the interaction between the different system design variables. The presented MDO framework contains not only the system level variables such as the satellite total mass and total power, but also the mission requirements like the spatial resolution and the revisit time. The microsatellite sizing process is divided into the three major design disciplines; a) orbit design, b) payload sizing and c) bus sizing. First, different mission parameters for a practical range of sun-synchronous orbits (SS-Os) are calculated. Then, according to the orbital parameters and a reference remote sensing instrument, mass and power of the payload are calculated. Satellite bus sizing is done based on mass and power calculation of the different subsystems using design estimation relationships. In the satellite bus sizing, the power subsystem design is realized by considering more detailed design variables including a mission scenario and different types of solar cells and batteries. The mission scenario is selected in order to obtain a coverage belt on the earth surface parallel to the earth equatorial after each revisit time. In order to evaluate the interrelations between the different variables inside the design space all the mentioned design disciplines are combined in a unified code. The integrated satellite system sizing tool developed in this section is considered as an application of the CE to the conceptual design of the remote sensing microsatellite projects. Finally, in order to apply the MDO methodology to the design problem, a basic MDO framework is adjusted to the developed satellite system design tool. Design optimization is done by means of a GA single objective algorithm with the objective function as minimizing the microsatellite total mass. According to the results of MDO application, there exist different optimum design points all with the minimum satellite total mass but with different mission variables. This output demonstrates the successful applicability of MDO approach for system engineering trade-off studies at the conceptual design phase of the design in such projects. The main conclusion of this thesis is that the classical design approach for the satellite design which usually starts with the mission and payload definition is not necessarily the best approach for all of the satellite projects. The university-class microsatellite is an example for such projects. Due to this fact an integrated satellite sizing tool including different design disciplines focusing on the structural subsystem and considering unknown payload is developed. According to the results the satellite total mass and available mass for the unknown payload are conflictive objectives. In order to find the Pareto-optimal a multiobjective GA optimization is conducted. Based on the optimization results it is concluded that selecting the satellite total mass in the range of 40-60 kg can be considered as an optimum approach for a university-class microsatellite project with unknown payload(s). Also, the CE methodology is applied to the remote sensing microsatellites conceptual design process. The results of CE application provide a clear understanding of the interaction between satellite system design requirements such as satellite total mass and power and the satellite mission variables such as revisit time and spatial resolution. The MDO application is done with the total mass minimization of a remote sensing satellite. The results from the MDO application clarify the unclear relationship between different system and mission design variables as well as the optimum design base lines according to the selected objective during the initial design phases.

Flood frequency analysis by a bivariate model based on copulas

La adecuada estimación de avenidas de diseño asociadas a altos periodos de retorno es necesaria para el diseño y gestión de estructuras hidráulicas como presas. En la práctica, la estimación de estos cuantiles se realiza normalmente a través de análisis de frecuencia univariados, basados en su mayoría en el estudio de caudales punta. Sin embargo, la naturaleza de las avenidas es multivariada, siendo esencial tener en cuenta características representativas de las avenidas, tales como caudal punta, volumen y duración del hidrograma, con el fin de llevar a cabo un análisis apropiado; especialmente cuando el caudal de entrada se transforma en un caudal de salida diferente durante el proceso de laminación en un embalse o llanura de inundación. Los análisis de frecuencia de avenidas multivariados han sido tradicionalmente llevados a cabo mediante el uso de distribuciones bivariadas estándar con el fin de modelar variables correlacionadas. Sin embargo, su uso conlleva limitaciones como la necesidad de usar el mismo tipo de distribuciones marginales para todas las variables y la existencia de una relación de dependencia lineal entre ellas. Recientemente, el uso de cópulas se ha extendido en hidrología debido a sus beneficios en relación al contexto multivariado, permitiendo superar los inconvenientes de las técnicas tradicionales. Una copula es una función que representa la estructura de dependencia de las variables de estudio, y permite obtener la distribución de frecuencia multivariada de dichas variables mediante sus distribuciones marginales, sin importar el tipo de distribución marginal utilizada. La estimación de periodos de retorno multivariados, y por lo tanto, de cuantiles multivariados, también se facilita debido a la manera en la que las cópulas están formuladas. La presente tesis doctoral busca proporcionar metodologías que mejoren las técnicas tradicionales usadas por profesionales para estimar cuantiles de avenida más adecuados para el diseño y la gestión de presas, así como para la evaluación del riesgo de avenida, mediante análisis de frecuencia de avenidas bivariados basados en cópulas. Las variables consideradas para ello son el caudal punta y el volumen del hidrograma. Con el objetivo de llevar a cabo un estudio completo, la presente investigación abarca: (i) el análisis de frecuencia de avenidas local bivariado centrado en examinar y comparar los periodos de retorno teóricos basados en la probabilidad natural de ocurrencia de una avenida, con el periodo de retorno asociado al riesgo de sobrevertido de la presa bajo análisis, con el fin de proporcionar cuantiles en una estación de aforo determinada; (ii) la extensión del enfoque local al regional, proporcionando un procedimiento completo para llevar a cabo un análisis de frecuencia de avenidas regional bivariado para proporcionar cuantiles en estaciones sin aforar o para mejorar la estimación de dichos cuantiles en estaciones aforadas; (iii) el uso de cópulas para investigar tendencias bivariadas en avenidas debido al aumento de los niveles de urbanización en una cuenca; y (iv) la extensión de series de avenida observadas mediante la combinación de los beneficios de un modelo basado en cópulas y de un modelo hidrometeorológico. Accurate design flood estimates associated with high return periods are necessary to design and manage hydraulic structures such as dams. In practice, the estimate of such quantiles is usually done via univariate flood frequency analyses, mostly based on the study of peak flows. Nevertheless, the nature of floods is multivariate, being essential to consider representative flood characteristics, such as flood peak, hydrograph volume and hydrograph duration to carry out an appropriate analysis; especially when the inflow peak is transformed into a different outflow peak during the routing process in a reservoir or floodplain. Multivariate flood frequency analyses have been traditionally performed by using standard bivariate distributions to model correlated variables, yet they entail some shortcomings such as the need of using the same kind of marginal distribution for all variables and the assumption of a linear dependence relation between them. Recently, the use of copulas has been extended in hydrology because of their benefits regarding dealing with the multivariate context, as they overcome the drawbacks of the traditional approach. A copula is a function that represents the dependence structure of the studied variables, and allows obtaining the multivariate frequency distribution of them by using their marginal distributions, regardless of the kind of marginal distributions considered. The estimate of multivariate return periods, and therefore multivariate quantiles, is also facilitated by the way in which copulas are formulated. The present doctoral thesis seeks to provide methodologies that improve traditional techniques used by practitioners, in order to estimate more appropriate flood quantiles for dam design, dam management and flood risk assessment, through bivariate flood frequency analyses based on the copula approach. The flood variables considered for that goal are peak flow and hydrograph volume. In order to accomplish a complete study, the present research addresses: (i) a bivariate local flood frequency analysis focused on examining and comparing theoretical return periods based on the natural probability of occurrence of a flood, with the return period associated with the risk of dam overtopping, to estimate quantiles at a given gauged site; (ii) the extension of the local to the regional approach, supplying a complete procedure for performing a bivariate regional flood frequency analysis to either estimate quantiles at ungauged sites or improve at-site estimates at gauged sites; (iii) the use of copulas to investigate bivariate flood trends due to increasing urbanisation levels in a catchment; and (iv) the extension of observed flood series by combining the benefits of a copula-based model and a hydro-meteorological model.

Distributed Estimation of Distribution Algorithms for continuous optimization: how does the exchanged information influence their behavior?

One of the most promising areas in which probabilistic graphical models have shown an incipient activity is the field of heuristic optimization and, in particular, in Estimation of Distribution Algorithms. Due to their inherent parallelism, different research lines have been studied trying to improve Estimation of Distribution Algorithms from the point of view of execution time and/or accuracy. Among these proposals, we focus on the so-called distributed or island-based models. This approach defines several islands (algorithms instances) running independently and exchanging information with a given frequency. The information sent by the islands can be either a set of individuals or a probabilistic model. This paper presents a comparative study for a distributed univariate Estimation of Distribution Algorithm and a multivariate version, paying special attention to the comparison of two alternative methods for exchanging information, over a wide set of parameters and problems ? the standard benchmark developed for the IEEE Workshop on Evolutionary Algorithms and other Metaheuristics for Continuous Optimization Problems of the ISDA 2009 Conference. Several analyses from different points of view have been conducted to analyze both the influence of the parameters and the relationships between them including a characterization of the configurations according to their behavior on the proposed benchmark.

Evaluation/Optimization of reservoir operation rules for flood management using an integrated hydrologic-hydraulic framework

Se ha presentado la evaluación y optimización de las reglas de operación de un embalse para gestión de avenidas usando un entorno integrado hidrológico- hidráulico de tipo Monte Carlo. Some reservoirs play a major role in flood protection, managing the floods and reducing or delaying the peak discharges in the river downstream. However, the changing environment (natural and anthropological changes) requires the development of more elaborated strategies for reservoir operation. Three factors are relevant: 1) the natural variability of inflow hydrographs, 2) the competition for reservoir storage capacity between flood control and other uses, and 3) the existence of built-up areas on downstream river reaches. A framework for evaluation/optimization of reservoir operation rules for flood management in a changing environment is presented in this study. The study was carried out using an integrated hydrologic – hydraulic model in a Monte Carlo framework.

Determinación y caracterización de los indicadores que intervienen en un sistema integral de iluminación natural y protección solar : aplicado a la incorporación de bandejas en los huecos de fachadas existentes

En esta tesis se estudia cómo lograr el equilibrio entre dos fenómenos naturales que afectan a los huecos de fachadas: la iluminación natural y la ganancia solar. Es decir, el cómo, conseguir la optimización de la iluminación natural que se introduce a través de las ventanas existentes, sin realizar una laboriosa intervención de sustitución de las mismas y el cómo, conseguir la protección de la radiación solar directa de la zona acristalada, para evitar tanto las ganancias térmicas innecesarias como el deslumbramiento que afecta a la calidad lumínica de los recintos. Para el desarrollo esta investigación se ha propuesto una metodología de estudio dividida en dos fases: La primera, de Análisis y Diagnóstico, en la que se han de definir los estándares a cumplir y las variables con las que se evaluarán las bandejas. Y, la segunda, de Evaluación y Comprobación en la que se han de establecer los criterios de valoración y ponderación de cada variable. En la primera fase, se definirán las variables físico-ambientales, para lo que se seleccionarán algunas ciudades a estudiar, a las cuales se les estudiará las necesidades de confort térmico, se determinarán las dimensiones que deben tener las protecciones solares en esas ciudades, además se determinarán las actuaciones a realizar en los huecos de fachada según sea su posición en el plano vertical de la misma. Así mismo, se plantea hacer un análisis de casos reales, para lo que se caracterizarán desde el punto de vista lumínico algunas viviendas, realizando medidas “in situ” y comparando resultados con los que se obtienen de los programas de simulación, para seleccionar las viviendas en las que la realidad y la simulación se aproximen más, una de estas viviendas servirá de modelo en las simulaciones que se realizará en la segunda fase. También, en esta primera fase, mediante un modelo neutro, se estudiará el comportamiento térmico y lumínico del tamaño del hueco en el que se insertará la bandeja posteriormente, para luego estudiar la posición de la bandeja en el plano vertical de la ventana, desde el punto de vista ergonómico. Y finalmente se estudiará, el comportamiento térmico y lumínico del modelo con la bandeja ubicada a 40, 50 y 60cm del techo. En la segunda fase, se establecerá la valoración y ponderación de las variables con las que seleccionar la bandeja que mejor equilibre los aspectos térmicos y lumínicos, teniendo en cuenta estrategias pasivas de acondicionamiento ambiental, como favorecer las ganancias solares en invierno en horas diurnas y evitar las pérdidas de calor en horas nocturnas; y en verano implementar sistemas de sombreamiento en la zona acristalada para evitar las ganancias de calor; y, tanto en verano como en invierno, aprovechar la iluminación natural, para favorecer la iluminancia útil y evitar el deslumbramiento. Una vez definidos los criterios de valoración y ponderación se aplicará a la evaluación térmica y lumínica del modelo neutro con la bandeja, consiguiendo seleccionar la bandeja con mejor comportamiento. Posteriormente se comprobará la metodología de estudio desarrollada en el modelo seleccionado, se evaluará el comportamiento térmico y lumínico, con la incorporación de algunas alternativas de bandeja. Con esta investigación se quiere demostrar que mediante la aplicación de esta metodología de estudio, es posible evaluar y seleccionar bandejas que respondan a las necesidades requeridas en distintos casos de estudio, por lo que se considera que, la bandeja puede ser un elemento arquitectónico aplicable tanto en rehabilitación como en nueva construcción, de espacios en los que sea necesario mejorar sus condiciones lumínicas y térmicas simultáneamente. ABSTRACT This thesis studies how to balance two natural events that affect the window opening of facades: daylighting and solar gain. That is to say, how to achieve optimization of natural light that gets in through the existing windows, without making a laborious intervention of replacing them and how to get protection from direct solar radiation from the glass area, to avoid unnecessary heat gain and glare affecting the light quality of the enclosures. To develop this research, it has been proposed a methodology of study divided into two phases: First phase, Analysis and Diagnostics, in which the variables with which the light shelf are evaluated will be defined along with the standards the light shelves will meet. The second phase, Assessment and Verification, in which the assessment criteria and weighting of each variable will be established. In the first phase, the physical and environmental variables shall be defined, various cities will be selected to be studied, and in each the needs of thermal comfort will be determined along with the dimensions of shading devices in the cities. In addition the actions to be taken in the window opening of the façade will be determined, depending on their position in the vertical plane. An analysis of real cases will be undertaken, which will be characterized from the luminous point of view, performing "in situ" measurements and comparing results with those obtained from simulation programs, to select places/dwellings where reality and simulation are closer, one of these places/dwellings will be a model, in the simulations to perform at the second phase. Also, in this first phase, by a neutral model, the thermal and light behavior of the size of the window opening will be studied, in which the light shelf is inserted later, the position of the light shelf in the vertical plane of the window is studied, from an ergonomic point of view. And finally to study the thermal and light behavior of the model with the light shelf located at 40, 50 and 60cm from the ceiling. In the second phase, the evaluation and weighting of the variables will be established selecting the light shelf that best balances the thermal and daylighting aspects, taking into account passive environmental conditioning strategies; such as getting solar gains in winter during daylight hours, and preventing heat loss during the night hours; and in summer implementing shading systems in the glazing area to avoid heat gains. And in both summer and winter, taking advantage of natural lighting, to improve useful illuminance and avoid glare. Once defined, the evaluation criteria and weighting will be applied to thermal and daylighting evaluation to the neutral model with the light shelf, the best performing light shelf will be selected. The study methodology developed in the selected model will be verified the thermal and daylighting performance with the addition of some light shelf alternative will also be studied. With this research, we want to show that by applying this study methodology it is possible to evaluate and select the light shelf that meets the needs required in different case studies, so it is considered that the light shelf may be an applicable architectural element in both refurbishment and new construction of spaces where necessary to improve their daylighting and thermal conditions simultaneously.

Factores anatómicos, dendrométricos y climáticos implicados en la producción de resina de Pinus pinaster AIT. : aplicación a la mejora de los métodos de resinación

Pinus pinaster Ait. es la conífera con mayor área de distribución en la Península Ibérica y es, a día de hoy, la única especie resinada en nuestro país. La inducción del flujo de resina al exterior para su recolección a través de distintos tipos de heridas ha sido practicada desde hace miles de años por distintas culturas. En todos los casos, las técnicas desarrolladas se basan en la estimulación del característico sistema de defensa de las pináceas. En los últimos siete años se viene observando una tendencia de incremento sustancial de la superficie resinada en España, acompañada por avances tecnológicos dirigidos a la mecanización y mejora de estimulantes. El aprovechamiento resinero se perfila como un sector estratégico en la generación de empleo rural y la conservación de ecosistemas. La industria resinera demanda métodos de extracción más eficaces, una selvicultura adecuada y actualizada, y condiciones laborales de los resineros más dignas con objeto de llegar a ser competitiva en el mercado internacional. Este trabajo se centra en ampliar el conocimiento sobre el sistema de defensa de P. pinaster, concretamente sobre las estructuras y procesos que pueden afectar a la producción de resina. Se analizan las relaciones entre las características anatómicas del xilema, destacando las relacionadas con los canales resiníferos, las variables dendrométricas y dasométricas de la masa y el flujo de resina (objetivo 1). Se estudia cómo estas relaciones son moduladas por las heridas de resinación dependiendo de la técnica de resinación aplicada (objetivo 2), el clima y el balance hídrico del suelo (objetivo 3). El material vegetal, las muestras de suelo y los datos de producción de resina y climáticos usados en esta tesis han sido recogidos en tres montes de utilidad pública; MUP 101 en Armuña, MUP 108 en Melque de Cercos y MUP 117 en Nieva (en esta última solo se recogieron los datos de producciones), todos ellos pinares monoespecíficos de P. pinaster localizados en la denominada Tierra de Pinares Segoviana. En los árboles de nuestro estudio se han aplicado cuatro métodos de resinación: método de pica de corteza con estimulante y método mecanizado con estimulante, ambos en sentido ascendente y descendente. En los trabajos realizados para el análisis de la influencia de la anatomía constitutiva en la producción de resina (objetivo 1) y el efecto del clima (objetivo 3), se obtuvieron muestras del xilema de 26 árboles resinados en Melque de Cercos y Armuña y 12 árboles control sin resinar. Para caracterizar los pies estudiados, se midió la altura, diámetro normal y porcentaje de copa viva. Las muestras de tejido fueron recogidas en una zona del tronco a una distancia del límite de la herida considerada en la bibliografía como no afectada (anatomía constitutiva). Para el análisis de las alteraciones anatómicas inducidas por la herida (objetivo 2), se recogieron muestras en ocho de los individuos en los que se habían realizado los distintos métodos de resinación descritos y en cinco árboles control. Se obtuvieron ocho muestras de tejido distribuidas en la parte superior, inferior, lateral y centro de la herida de cada uno de los árboles resinados. Para establecer las diferencias en la producción de resina según el método de resinación, se analizaron las producciones de 561 árboles resinados en 2012 con estos cuatro métodos en Nieva. Los principales resultados de estos trabajos muestran que la producción de resina está ligada al volumen de canales (axiales y radiales) y a la frecuencia de canales radiales existentes en el árbol antes de efectuar ninguna herida (sistema constitutivo). De esta manera, los árboles grandes productores de resina mostraron una red de canales más densa que aquellos con producciones medias. Una vez realizada la herida de resinación, observamos una disminución del ancho del anillo de crecimiento y del tamaño medio de los canales axiales a la vez que se incrementaba la frecuencia y área ocupada por mm2 de anillo de estos canales. Estos cambios perduraron en el árbol durante al menos tres años y fueron distintos dependiendo de la localización en el entorno de la herida y del método de resinación. Las respuestas más intensas a la herida se observaron el año siguiente a la realización de la misma, en dirección axial, para las distancias más próximas al límite de la herida y para los métodos de resinación en sentido ascendente. Además, se ha constatado que como consecuencia de las heridas de resinación se produjeron cambios en la anatomía del xilema en zonas alejadas de la herida, tanto en el año de la herida como años posteriores. Es decir, se observó una respuesta sistémica del árbol. Respecto al papel del clima como regulador de la respuesta del árbol, se ha evidenciado que la temperatura, la radiación y la ETP influyeron en la producción de resina, no solo durante la campaña de resinación, sino también durante los meses anteriores. El déficit hídrico favoreció la producción y la formación de canales axiales pero, a partir de un determinado umbral, esa relación se invirtió y las lluvias estivales incrementaron la producción. Algunas de estas variables climáticas se asociaron a cambios en el tamaño y frecuencia de las estructuras secretoras, las cuales posiblemente modulan la respuesta defensiva de la planta. La dendrometría del árbol (evaluada a través del diámetro normal, altura y porcentaje de copa viva), la densidad de la masa y el tipo de suelo influyeron en el potencial de producción de resina de P. pinaster. Árboles más vigorosos, parcelas con menores densidades y suelos con más capacidad para la retención de agua y nutrientes presentaron producciones mayores. Estos trabajos se complementan en anexos con una caracterización del sistema socio-ecológico del pinar en resinación. En ese trabajo se identifican sus potenciales servicios ecosistémicos y se evalúa su grado de vinculación con el aprovechamiento resinero con objeto de valorar su funcionalidad y aproximar una valoración económica de modo que sea posible apreciar la importancia económica de los mismos. Para concluir, podemos resaltar que son necesarios más trabajos de carácter científico para avanzar en la comprensión de los procesos anatómicos y fisiológicos que regulan la secreción de resina en P. pinaster y sus interacciones con el medio. Esto permitiría avances certeros hacia el desarrollo de métodos de extracción más eficaces, una selvicultura óptima, el reconocimiento de los beneficios socio-ecológicos y económicos del aprovechamiento y, de manera general, una bibliografía amplia y fiable para la consulta y desarrollo de futuras mejoras que posibiliten la reactivación y conservación de la resinación como aprovechamiento rentable. ABSTRACT Pinus pinaster Ait. is the most widespread conifer in Spain and is now the only species tapped for its oleoresin. External induction of resin secretion, based on the defense system of Pinus trees, has been performed by humans since Classical times through various methods. The socio-economic implication of this practice in Spain justifies a new approach to improve tapping methodology and understand the effects of this activity on the tree. In the last five years, sharp increases in the price of natural resins, accompanied by technological advances directed toward mechanization, have made resin tapping a strategic activity for rural development and forest conservation. The resin industry demands more efficient tapping methods and forest management plans as a way to increase competitiveness in a global market. In this way, this work focuses on the study of the defense system of P. pinaster, with the aim to understand the effects of anatomical and physiological characteristics and environmental conditions on resin yield. The relationships between anatomical variables -with special focus on resin canals-, dendrometric and dasometric variables, and resin yield will be evaluated (objective 1). The tapping wound effects (objective 2) and the intra- and inter-annual variability of climate conditions and soil water availability influence (objective 3) on resin yield will be also studied. The plant and soil material and the resin yield and climatic data used in this thesis have been collected in stands of three public forests of P. pinaster; Armuña, Melque de Cercos and Nieva, located in Segovia (Central Spain). Trees were tapped using two different methods: mechanized or traditional tool, in both upwards and downwards direction. Twenty-six tapped trees of contrasting resin yield classes and twelve non-tapped (control) trees, growing in two locations (Armuña y Melque de Cercos) with the same climate but different stand density and soil characteristics, were selected for studying the role of tree size, xylem anatomy at distal parts aside from the tapping wound (objective 1) and climate influence (objective 3) on resin yield. Concerning the tree defenses induced by the tapping wound (objective 2), the xylem of eight trees, tapped with the two described methods in both upwards and downwards direction, were analyzed. From each tapped tree, eight cores were collected at different locations and varying distances from the tapping wound. In each core, a histological analysis was made. Growth ring width, earlywood and latewood width, and axial canal frequency, area, mean size and location were measured. The effect of the tapping method on resin yield was assessed in 561 P. pinaster tapped trees in a stand in Nieva. In tissues not affected by the tapping wound, the frequency of radial resin canals and the total volume of resin canals were related to resin yield. The frequency of radial canals and the resin yield were strongly related to tree diameter and percentage of live crown. High area of axial resin canals per mm2 was related to high yielding trees, but only in the location with higher plant density and poorer soil quality. In tapped trees, an increase in axial canal frequency and area was found during the three years following the start of tapping activity, suggesting that canal formation is a systemic induced response to wounding. The highest mean annual resin yield was found using the traditional tool in upwards direction, which also induced the highest increase in axial canal frequency and area. The lowest yield was found for mechanized tapping, which showed no differences between the upwards and downwards directions. The strongest induction of systemic induced responses in terms of resin canal frequency and area was detected one year after tapping for upwards tapping. This suggests the involvement of signaling processes that spread mainly upwards, and the importance of adaptive processes as a defense against periodic insect attacks. Intra-annual variation in resin yield was strongly correlated with temperature, solar radiation, potential evapotranspiration and soil water deficit. Inter-annual variation in resin yield and resin canal abundance were correlated with temperature and water deficit in spring, but above a certain threshold of cumulated water deficit in summer rainfall favored resin yield. Under adverse climate scenarios where resource optimization is desirable, a reduced tapping season during the warmest months (June–September) would be advisable, assuming a very small production loss relative to traditional tapping season. Similarly, in years with a rainy summer and/or dry spring, a slightly longer tapping season could be suggested, as resin yield increases after these events. Tree diameter and percentage of live crown, and radial resin canal frequency could be useful criteria for estimating resin yields in P. pinaster. Vigorous trees in lower density stands and growing up in good quality soils will be the most productive. These conclusions could be applied to improve tapping management and breeding programs. These works are complemented with socio-ecological characterization, the identification of the main ecosystem services and an assessment of the possible economic impact derived from the tapping practice. To conclude, more scientific studies are necessary for understanding the anatomical and physiological processes behind resin synthesis and their interactions with the environment. This would afford further progresses towards an extensive and reliable bibliography and improved tapping methods and optimal selvicultural guide lines.

Approximate solution for frequency synchronization in a finite-size Kuramoto model

Peer reviewed

Negative frequency-dependent selection maintains a dramatic flower color polymorphism in the rewardless orchid Dactylorhiza sambucina (L.) Soò

The orchid Dactylorhiza sambucina shows a stable and dramatic flower-color polymorphism, with both yellow- and purple-flowered individuals present in natural populations throughout the range of the species in Europe. The evolutionary significance of flower-color polymorphisms found in many rewardless orchid species has been discussed at length, but the mechanisms responsible for their maintenance remain unclear. Laboratory experiments have suggested that behavioral responses by pollinators to lack of reward availability might result in a reproductive advantage for rare-color morphs. Consequently, we performed an experiment varying the relative frequency of the two color morphs of D. sambucina to test whether rare morph advantage acted in the natural habitat of the species. We show here clear evidence from this manipulative experiment that rare-color morphs have reproductive advantage through male and female components. This is the first demonstration, to our knowledge, that negative frequency-dependent selection through pollinator preference for rare morphs can cause the maintenance of a flower-color polymorphism.

DNA variation at the Sod locus of Drosophila melanogaster: An unfolding story of natural selection

Patterns of variation at the Sod locus of Drosophila melanogaster suggest that the protein polymorphism at this locus has very recently arisen. In addition, it appears that a previously rare DNA variant has been recently and rapidly driven to intermediate frequency. From the size of the region (>20 kb) that has been swept along with this rare variant, and patterns of linkage disequilibrium in the region, it is inferred that strength of selection was large (s > 0.01) and that the sweep occurred more than 25,000 generations ago. In addition, there are striking similarities to patterns of variation observed at the Est6 and Est-P loci, which are located approximately 1,000 kb from Sod.

Strong natural selection causes microscale allozyme variation in a marine snail.

Natural selection is one of the most fundamental processes in biology. However, there is still a controversy over the importance of selection in microevolution of molecular traits. Despite the general lack of data most authors hold the view that selection on molecular characters may be important, but at lower rates than selection on most phenotypic traits. Here we present evidence that natural selection may contribute substantially to molecular variation on a scale of meters only. In populations of the marine snail Littorina saxatilis living on exposed rocky shores, steep microclines in allele frequencies between splash and surf zone groups are present in the enzyme aspartate aminotransferase (allozyme locus Aat; EC. 2.6.1.1). We followed one population over 7 years, including a period of strong natural perturbation. The surf zone part of the population dominated by the allele Aat100 was suddenly eliminated by a bloom of a toxin-producing microflagellate. Downshore migration of splash zone snails with predominantly Aat120 alleles resulted in a drastic increase in surf zone frequency of Aat120, from 0.4 to 0.8 over 2 years. Over the next four to six generations, however, the frequency of Aat120 returned to the original value. We estimated the coefficient of selection of Aat120 in the surf zone to be about 0.4. Earlier studies show similar or even sharper Aat clines in other countries. Thus, we conclude that microclinal selection is an important evolutionary force in this system.

Real time optimization in chemical process: evaluation of strategies, improvements and industrial application.

The increasing economic competition drives the industry to implement tools that improve their processes efficiencies. The process automation is one of these tools, and the Real Time Optimization (RTO) is an automation methodology that considers economic aspects to update the process control in accordance with market prices and disturbances. Basically, RTO uses a steady-state phenomenological model to predict the process behavior, and then, optimizes an economic objective function subject to this model. Although largely implemented in industry, there is not a general agreement about the benefits of implementing RTO due to some limitations discussed in the present work: structural plant/model mismatch, identifiability issues and low frequency of set points update. Some alternative RTO approaches have been proposed in literature to handle the problem of structural plant/model mismatch. However, there is not a sensible comparison evaluating the scope and limitations of these RTO approaches under different aspects. For this reason, the classical two-step method is compared to more recently derivative-based methods (Modifier Adaptation, Integrated System Optimization and Parameter estimation, and Sufficient Conditions of Feasibility and Optimality) using a Monte Carlo methodology. The results of this comparison show that the classical RTO method is consistent, providing a model flexible enough to represent the process topology, a parameter estimation method appropriate to handle measurement noise characteristics and a method to improve the sample information quality. At each iteration, the RTO methodology updates some key parameter of the model, where it is possible to observe identifiability issues caused by lack of measurements and measurement noise, resulting in bad prediction ability. Therefore, four different parameter estimation approaches (Rotational Discrimination, Automatic Selection and Parameter estimation, Reparametrization via Differential Geometry and classical nonlinear Least Square) are evaluated with respect to their prediction accuracy, robustness and speed. The results show that the Rotational Discrimination method is the most suitable to be implemented in a RTO framework, since it requires less a priori information, it is simple to be implemented and avoid the overfitting caused by the Least Square method. The third RTO drawback discussed in the present thesis is the low frequency of set points update, this problem increases the period in which the process operates at suboptimum conditions. An alternative to handle this problem is proposed in this thesis, by integrating the classic RTO and Self-Optimizing control (SOC) using a new Model Predictive Control strategy. The new approach demonstrates that it is possible to reduce the problem of low frequency of set points updates, improving the economic performance. Finally, the practical aspects of the RTO implementation are carried out in an industrial case study, a Vapor Recompression Distillation (VRD) process located in Paulínea refinery from Petrobras. The conclusions of this study suggest that the model parameters are successfully estimated by the Rotational Discrimination method; the RTO is able to improve the process profit in about 3%, equivalent to 2 million dollars per year; and the integration of SOC and RTO may be an interesting control alternative for the VRD process.

CIMBNC- Combination and interactions of three kinds of nanoclays structural modifiers, for the colored bio-nanocomposites optimization

Biopolymers do not have competitive prices, which has prevented their industrial exploitation on a global scale so far. In this context, Using nanoclays, improvements in certain biopolymer properties, mainly mechanical and thermal, have been achieved. However, research has been much less focused on changing optical properties through the incorporation of nanoclays. At the same time, current research has focused on obtaining nanopigments, by organic dyes adsoptions into different nanoclays in order to achieve sustainable colouring and high performance materials. By combining advances in these lines of research, biodegradable composites with optimal mechanical and optical properties can be obtained. The aim of this work is to find the optimal formulation of naturally sourced nanopigments, incorporate them into a biological origin epoxy resin, and obtain a significant improvement in their mechanical, and optical properties. We combine three structural modifiers in the nanopigment synthesis: surfactant, silane and mordant salt. The latter was selected in order to replicate the mordant textile dyeing with natural dyes. Using a Taguchi’s desing L8, we look for the effect of the presence of the modifiers, the pH acidification, and the interactions effect between the synthesis factors. Three natural dyes were selected: chlorophyll, beta-carotene, and beetroot extract. Furthermore we use two kinds of laminar nanoclays, differentiated by the ion exchange charge: montmorillonite, and hydrotalcite. Then the thermal, mechanical and colorimetric characterization of the bionanocomposite materials was carried out. The optimal conditions to obtain the best bionanocomposite materials are using acid pH, and modifying the nanoclays with mordant and surfactant.

Holocene flood frequency across the Central Alps

The frequency of large-scale heavy precipitation events in the European Alps is expected to undergo substantial changes with current climate change. Hence, knowledge about the past natural variability of floods caused by heavy precipitation constitutes important input for climate projections. We present a comprehensive Holocene (10,000 years) reconstruction of the flood frequency in the Central European Alps combining 15 lacustrine sediment records. These records provide an extensive catalog of flood deposits, which were generated by flood-induced underflows delivering terrestrial material to the lake floors. The multi-archive approach allows suppressing local weather patterns, such as thunderstorms, from the obtained climate signal. We reconstructed mainly late spring to fall events since ice cover and precipitation in form of snow in winter at high-altitude study sites do inhibit the generation of flood layers. We found that flood frequency was higher during cool periods, coinciding with lows in solar activity. In addition, flood occurrence shows periodicities that are also observed in reconstructions of solar activity from 14C and 10Be records (2500-3000, 900-1200, as well as of about 710, 500, 350, 208 (Suess cycle), 150, 104 and 87 (Gleissberg cycle) years). As atmospheric mechanism, we propose an expansion/shrinking of the Hadley cell with increasing/decreasing air temperature, causing dry/wet conditions in Central Europe during phases of high/low solar activity. Furthermore, differences between the flood patterns from the Northern Alps and the Southern Alps indicate changes in North Atlantic circulation. Enhanced flood occurrence in the South compared to the North suggests a pronounced southward position of the Westerlies and/or blocking over the northern North Atlantic, hence resembling a negative NAO state (most distinct from 4.2 to 2.4 kyr BP and during the Little Ice Age). South-Alpine flood activity therefore provides a qualitative record of variations in a paleo-NAO pattern during the Holocene. Additionally, increased South Alpine flood activity contrasts to low precipitation in tropical Central America (Cariaco Basin) on the Holocene and centennial time scale. This observation is consistent with a Holocene southward migration of the Atlantic circulation system, and hence of the ITCZ, driven by decreasing summer insolation in the Northern hemisphere, as well as with shorter-term fluctuations probably driven by solar activity.

Optimum frequency of inspection. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.

Madjalah ilmu alam untuk Indonesia. Indonesian journal for natural science

Volumes 4-66 also numbered in series