Self-organizing cultured neural networks: Image analysis techniques for longitudinal tracking and modeling of the underlying network structure

Esta tesis estudia la evolución estructural de conjuntos de neuronas como la capacidad de auto-organización desde conjuntos de neuronas separadas hasta que forman una red (clusterizada) compleja. Esta tesis contribuye con el diseño e implementación de un algoritmo no supervisado de segmentación basado en grafos con un coste computacional muy bajo. Este algoritmo proporciona de forma automática la estructura completa de la red a partir de imágenes de cultivos neuronales tomadas con microscopios de fase con una resolución muy alta. La estructura de la red es representada mediante un objeto matemático (matriz) cuyos nodos representan a las neuronas o grupos de neuronas y los enlaces son las conexiones reconstruidas entre ellos. Este algoritmo extrae también otras medidas morfológicas importantes que caracterizan a las neuronas y a las neuritas. A diferencia de otros algoritmos hasta el momento, que necesitan de fluorescencia y técnicas inmunocitoquímicas, el algoritmo propuesto permite el estudio longitudinal de forma no invasiva posibilitando el estudio durante la formación de un cultivo. Además, esta tesis, estudia de forma sistemática un grupo de variables topológicas que garantizan la posibilidad de cuantificar e investigar la progresión de las características principales durante el proceso de auto-organización del cultivo. Nuestros resultados muestran la existencia de un estado concreto correspondiente a redes con configuracin small-world y la emergencia de propiedades a micro- y meso-escala de la estructura de la red. Finalmente, identificamos los procesos físicos principales que guían las transformaciones morfológicas de los cultivos y proponemos un modelo de crecimiento de red que reproduce el comportamiento cuantitativamente de las observaciones experimentales. ABSTRACT The thesis analyzes the morphological evolution of assemblies of living neurons, as they self-organize from collections of separated cells into elaborated, clustered, networks. In particular, it contributes with the design and implementation of a graph-based unsupervised segmentation algorithm, having an associated very low computational cost. The processing automatically retrieves the whole network structure from large scale phase-contrast images taken at high resolution throughout the entire life of a cultured neuronal network. The network structure is represented by a mathematical object (a matrix) in which nodes are identified neurons or neurons clusters, and links are the reconstructed connections between them. The algorithm is also able to extract any other relevant morphological information characterizing neurons and neurites. More importantly, and at variance with other segmentation methods that require fluorescence imaging from immunocyto- chemistry techniques, our measures are non invasive and entitle us to carry out a fully longitudinal analysis during the maturation of a single culture. In turn, a systematic statistical analysis of a group of topological observables grants us the possibility of quantifying and tracking the progression of the main networks characteristics during the self-organization process of the culture. Our results point to the existence of a particular state corresponding to a small-world network configuration, in which several relevant graphs micro- and meso-scale properties emerge. Finally, we identify the main physical processes taking place during the cultures morphological transformations, and embed them into a simplified growth model that quantitatively reproduces the overall set of experimental observations.

Self-organizing cultured neural networks: Image analysis techniques for longitudinal tracking and modeling of the underlying network structure (versión actualizada)

Esta tesis estudia la evolución estructural de conjuntos de neuronas como la capacidad de auto-organización desde conjuntos de neuronas separadas hasta que forman una red (clusterizada) compleja. Esta tesis contribuye con el diseño e implementación de un algoritmo no supervisado de segmentación basado en grafos con un coste computacional muy bajo. Este algoritmo proporciona de forma automática la estructura completa de la red a partir de imágenes de cultivos neuronales tomadas con microscopios de fase con una resolución muy alta. La estructura de la red es representada mediante un objeto matemático (matriz) cuyos nodos representan a las neuronas o grupos de neuronas y los enlaces son las conexiones reconstruidas entre ellos. Este algoritmo extrae también otras medidas morfológicas importantes que caracterizan a las neuronas y a las neuritas. A diferencia de otros algoritmos hasta el momento, que necesitan de fluorescencia y técnicas inmunocitoquímicas, el algoritmo propuesto permite el estudio longitudinal de forma no invasiva posibilitando el estudio durante la formación de un cultivo. Además, esta tesis, estudia de forma sistemática un grupo de variables topológicas que garantizan la posibilidad de cuantificar e investigar la progresión de las características principales durante el proceso de auto-organización del cultivo. Nuestros resultados muestran la existencia de un estado concreto correspondiente a redes con configuracin small-world y la emergencia de propiedades a micro- y meso-escala de la estructura de la red. Finalmente, identificamos los procesos físicos principales que guían las transformaciones morfológicas de los cultivos y proponemos un modelo de crecimiento de red que reproduce el comportamiento cuantitativamente de las observaciones experimentales. ABSTRACT The thesis analyzes the morphological evolution of assemblies of living neurons, as they self-organize from collections of separated cells into elaborated, clustered, networks. In particular, it contributes with the design and implementation of a graph-based unsupervised segmentation algorithm, having an associated very low computational cost. The processing automatically retrieves the whole network structure from large scale phase-contrast images taken at high resolution throughout the entire life of a cultured neuronal network. The network structure is represented by a mathematical object (a matrix) in which nodes are identified neurons or neurons clusters, and links are the reconstructed connections between them. The algorithm is also able to extract any other relevant morphological information characterizing neurons and neurites. More importantly, and at variance with other segmentation methods that require fluorescence imaging from immunocyto- chemistry techniques, our measures are non invasive and entitle us to carry out a fully longitudinal analysis during the maturation of a single culture. In turn, a systematic statistical analysis of a group of topological observables grants us the possibility of quantifying and tracking the progression of the main networks characteristics during the self-organization process of the culture. Our results point to the existence of a particular state corresponding to a small-world network configuration, in which several relevant graphs micro- and meso-scale properties emerge. Finally, we identify the main physical processes taking place during the cultures morphological transformations, and embed them into a simplified growth model that quantitatively reproduces the overall set of experimental observations.

Aldi Manutii Pii Romani Grammaticarum institutionum libri IIII [Texto impreso]

Copia digital: Biblioteca Valenciana, 2011

Grammatica Antonii Nebrisensis [Texto impreso]

Copia digital: Biblioteca Valenciana, 2011

Heterogeneous architecture for the optimization of large-scale graph processing data centres

Con el auge del Cloud Computing, las aplicaciones de proceso de datos han sufrido un incremento de demanda, y por ello ha cobrado importancia lograr m�ás eficiencia en los Centros de Proceso de datos. El objetivo de este trabajo es la obtenci�ón de herramientas que permitan analizar la viabilidad y rentabilidad de diseñar Centros de Datos especializados para procesamiento de datos, con una arquitectura, sistemas de refrigeraci�ón, etc. adaptados. Algunas aplicaciones de procesamiento de datos se benefician de las arquitecturas software, mientras que en otras puede ser m�ás eficiente un procesamiento con arquitectura hardware. Debido a que ya hay software con muy buenos resultados en el procesamiento de grafos, como el sistema XPregel, en este proyecto se realizará una arquitectura hardware en VHDL, implementando el algoritmo PageRank de Google de forma escalable. Se ha escogido este algoritmo ya que podr��á ser m�ás eficiente en arquitectura hardware, debido a sus características concretas que se indicaráan m�ás adelante. PageRank sirve para ordenar las p�áginas por su relevancia en la web, utilizando para ello la teorí��a de grafos, siendo cada página web un vértice de un grafo; y los enlaces entre páginas, las aristas del citado grafo. En este proyecto, primero se realizará un an�álisis del estado de la técnica. Se supone que la implementaci�ón en XPregel, un sistema de procesamiento de grafos, es una de las m�ás eficientes. Por ello se estudiará esta �ultima implementaci�ón. Sin embargo, debido a que Xpregel procesa, en general, algoritmos que trabajan con grafos; no tiene en cuenta ciertas caracterí��sticas del algoritmo PageRank, por lo que la implementaci�on no es �optima. Esto es debido a que en PageRank, almacenar todos los datos que manda un mismo v�értice es un gasto innecesario de memoria ya que todos los mensajes que manda un vértice son iguales entre sí e iguales a su PageRank. Se realizará el diseño en VHDL teniendo en cuenta esta caracter��ística del citado algoritmo,evitando almacenar varias veces los mensajes que son iguales. Se ha elegido implementar PageRank en VHDL porque actualmente las arquitecturas de los sistemas operativos no escalan adecuadamente. Se busca evaluar si con otra arquitectura se obtienen mejores resultados. Se realizará un diseño partiendo de cero, utilizando la memoria ROM de IPcore de Xillinx (Software de desarrollo en VHDL), generada autom�áticamente. Se considera hacer cuatro tipos de módulos para que as�� el procesamiento se pueda hacer en paralelo. Se simplificar�á la estructura de XPregel con el fin de intentar aprovechar la particularidad de PageRank mencionada, que hace que XPregel no le saque el m�aximo partido. Despu�és se escribirá el c�ódigo, realizando una estructura escalable, ya que en la computación intervienen millones de páginas web. A continuación, se sintetizar�á y se probará el código en una FPGA. El �ultimo paso será una evaluaci�ón de la implementaci�ón, y de posibles mejoras en cuanto al consumo.

Análisis de la actividad neuronal y cerebral mediante técnicas de redes complejas

El cerebro humano es probablemente uno de los sistemas más complejos a los que nos enfrentamos en la actualidad, si bien es también uno de los más fascinantes. Sin embargo, la compresión de cómo el cerebro organiza su actividad para llevar a cabo tareas complejas es un problema plagado de restos y obstáculos. En sus inicios la neuroimagen y la electrofisiología tenían como objetivo la identificación de regiones asociadas a activaciones relacionadas con tareas especificas, o con patrones locales que variaban en el tiempo dada cierta actividad. Sin embargo, actualmente existe un consenso acerca de que la actividad cerebral tiene un carácter temporal multiescala y espacialmente extendido, lo que lleva a considerar el cerebro como una gran red de áreas cerebrales coordinadas, cuyas conexiones funcionales son continuamente creadas y destruidas. Hasta hace poco, el énfasis de los estudios de la actividad cerebral funcional se han centrado en la identidad de los nodos particulares que forman estas redes, y en la caracterización de métricas de conectividad entre ellos: la hipótesis subyacente es que cada nodo, que es una representación mas bien aproximada de una región cerebral dada, ofrece a una única contribución al total de la red. Por tanto, la neuroimagen funcional integra los dos ingredientes básicos de la neuropsicología: la localización de la función cognitiva en módulos cerebrales especializados y el rol de las fibras de conexión en la integración de dichos módulos. Sin embargo, recientemente, la estructura y la función cerebral han empezado a ser investigadas mediante la Ciencia de la Redes, una interpretación mecánico-estadística de una antigua rama de las matemáticas: La teoría de grafos. La Ciencia de las Redes permite dotar a las redes funcionales de una gran cantidad de propiedades cuantitativas (robustez, centralidad, eficiencia, ...), y así enriquecer el conjunto de elementos que describen objetivamente la estructura y la función cerebral a disposición de los neurocientíficos. La conexión entre la Ciencia de las Redes y la Neurociencia ha aportado nuevos puntos de vista en la comprensión de la intrincada anatomía del cerebro, y de cómo las patrones de actividad cerebral se pueden sincronizar para generar las denominadas redes funcionales cerebrales, el principal objeto de estudio de esta Tesis Doctoral. Dentro de este contexto, la complejidad emerge como el puente entre las propiedades topológicas y dinámicas de los sistemas biológicos y, específicamente, en la relación entre la organización y la dinámica de las redes funcionales cerebrales. Esta Tesis Doctoral es, en términos generales, un estudio de cómo la actividad cerebral puede ser entendida como el resultado de una red de un sistema dinámico íntimamente relacionado con los procesos que ocurren en el cerebro. Con este fin, he realizado cinco estudios que tienen en cuenta ambos aspectos de dichas redes funcionales: el topológico y el dinámico. De esta manera, la Tesis está dividida en tres grandes partes: Introducción, Resultados y Discusión. En la primera parte, que comprende los Capítulos 1, 2 y 3, se hace un resumen de los conceptos más importantes de la Ciencia de las Redes relacionados al análisis de imágenes cerebrales. Concretamente, el Capitulo 1 está dedicado a introducir al lector en el mundo de la complejidad, en especial, a la complejidad topológica y dinámica de sistemas acoplados en red. El Capítulo 2 tiene como objetivo desarrollar los fundamentos biológicos, estructurales y funcionales del cerebro, cuando éste es interpretado como una red compleja. En el Capítulo 3, se resumen los objetivos esenciales y tareas que serán desarrolladas a lo largo de la segunda parte de la Tesis. La segunda parte es el núcleo de la Tesis, ya que contiene los resultados obtenidos a lo largo de los últimos cuatro años. Esta parte está dividida en cinco Capítulos, que contienen una versión detallada de las publicaciones llevadas a cabo durante esta Tesis. El Capítulo 4 está relacionado con la topología de las redes funcionales y, específicamente, con la detección y cuantificación de los nodos mas importantes: aquellos denominados “hubs” de la red. En el Capítulo 5 se muestra como las redes funcionales cerebrales pueden ser vistas no como una única red, sino más bien como una red-de-redes donde sus componentes tienen que coexistir en una situación de balance funcional. De esta forma, se investiga cómo los hemisferios cerebrales compiten para adquirir centralidad en la red-de-redes, y cómo esta interacción se mantiene (o no) cuando se introducen fallos deliberadamente en la red funcional. El Capítulo 6 va un paso mas allá al considerar las redes funcionales como sistemas vivos. En este Capítulo se muestra cómo al analizar la evolución de la topología de las redes, en vez de tratarlas como si estas fueran un sistema estático, podemos caracterizar mejor su estructura. Este hecho es especialmente relevante cuando se quiere tratar de encontrar diferencias entre grupos que desempeñan una tarea de memoria, en la que las redes funcionales tienen fuertes fluctuaciones. En el Capítulo 7 defino cómo crear redes parenclíticas a partir de bases de datos de actividad cerebral. Este nuevo tipo de redes, recientemente introducido para estudiar las anormalidades entre grupos de control y grupos anómalos, no ha sido implementado nunca en datos cerebrales y, en este Capítulo explico cómo hacerlo cuando se quiere evaluar la consistencia de la dinámica cerebral. Para concluir esta parte de la Tesis, el Capítulo 8 se centra en la relación entre las propiedades topológicas de los nodos dentro de una red y sus características dinámicas. Como mostraré más adelante, existe una relación entre ellas que revela que la posición de un nodo dentro una red está íntimamente correlacionada con sus propiedades dinámicas. Finalmente, la última parte de esta Tesis Doctoral está compuesta únicamente por el Capítulo 9, el cual contiene las conclusiones y perspectivas futuras que pueden surgir de los trabajos expuestos. En vista de todo lo anterior, espero que esta Tesis aporte una perspectiva complementaria sobre uno de los más extraordinarios sistemas complejos frente a los que nos encontramos: El cerebro humano. ABSTRACT The human brain is probably one of the most complex systems we are facing, thus being a timely and fascinating object of study. Characterizing how the brain organizes its activity to carry out complex tasks is highly non-trivial. While early neuroimaging and electrophysiological studies typically aimed at identifying patches of task-specific activations or local time-varying patterns of activity, there has now been consensus that task-related brain activity has a temporally multiscale, spatially extended character, as networks of coordinated brain areas are continuously formed and destroyed. Up until recently, though, the emphasis of functional brain activity studies has been on the identity of the particular nodes forming these networks, and on the characterization of connectivity metrics between them, the underlying covert hypothesis being that each node, constituting a coarse-grained representation of a given brain region, provides a unique contribution to the whole. Thus, functional neuroimaging initially integrated the two basic ingredients of early neuropsychology: localization of cognitive function into specialized brain modules and the role of connection fibres in the integration of various modules. Lately, brain structure and function have started being investigated using Network Science, a statistical mechanics understanding of an old branch of pure mathematics: graph theory. Network Science allows endowing networks with a great number of quantitative properties, thus vastly enriching the set of objective descriptors of brain structure and function at neuroscientists’ disposal. The link between Network Science and Neuroscience has shed light about how the entangled anatomy of the brain is, and how cortical activations may synchronize to generate the so-called functional brain networks, the principal object under study along this PhD Thesis. Within this context, complexity appears to be the bridge between the topological and dynamical properties of biological systems and, more specifically, the interplay between the organization and dynamics of functional brain networks. This PhD Thesis is, in general terms, a study of how cortical activations can be understood as the output of a network of dynamical systems that are intimately related with the processes occurring in the brain. In order to do that, I performed five studies that encompass both the topological and the dynamical aspects of such functional brain networks. In this way, the Thesis is divided into three major parts: Introduction, Results and Discussion. In the first part, comprising Chapters 1, 2 and 3, I make an overview of the main concepts of Network Science related to the analysis of brain imaging. More specifically, Chapter 1 is devoted to introducing the reader to the world of complexity, specially to the topological and dynamical complexity of networked systems. Chapter 2 aims to develop the biological, topological and functional fundamentals of the brain when it is seen as a complex network. Next, Chapter 3 summarizes the main objectives and tasks that will be developed along the forthcoming Chapters. The second part of the Thesis is, in turn, its core, since it contains the results obtained along these last four years. This part is divided into five Chapters, containing a detailed version of the publications carried out during the Thesis. Chapter 4 is related to the topology of functional networks and, more specifically, to the detection and quantification of the leading nodes of the network: the hubs. In Chapter 5 I will show that functional brain networks can be viewed not as a single network, but as a network-of-networks, where its components have to co-exist in a trade-off situation. In this way, I investigate how the brain hemispheres compete for acquiring the centrality of the network-of-networks and how this interplay is maintained (or not) when failures are introduced in the functional network. Chapter 6 goes one step beyond by considering functional networks as living systems. In this Chapter I show how analyzing the evolution of the network topology instead of treating it as a static system allows to better characterize functional networks. This fact is especially relevant when trying to find differences between groups performing certain memory tasks, where functional networks have strong fluctuations. In Chapter 7 I define how to create parenclitic networks from brain imaging datasets. This new kind of networks, recently introduced to study abnormalities between control and anomalous groups, have not been implemented with brain datasets and I explain in this Chapter how to do it when evaluating the consistency of brain dynamics. To conclude with this part of the Thesis, Chapter 8 is devoted to the interplay between the topological properties of the nodes within a network and their dynamical features. As I will show, there is an interplay between them which reveals that the position of a node in a network is intimately related with its dynamical properties. Finally, the last part of this PhD Thesis is composed only by Chapter 9, which contains the conclusions and future perspectives that may arise from the exposed results. In view of all, I hope that reading this Thesis will give a complementary perspective of one of the most extraordinary complex systems: The human brain.

Mining Abstractions in Scientific Workows

Los flujos de trabajo científicos han sido adoptados durante la última década para representar los métodos computacionales utilizados en experimentos in silico, así como para dar soporte a sus publicaciones asociadas. Dichos flujos de trabajo han demostrado ser útiles para compartir y reproducir experimentos científicos, permitiendo a investigadores visualizar, depurar y ahorrar tiempo a la hora de re-ejecutar un trabajo realizado con anterioridad. Sin embargo, los flujos de trabajo científicos pueden ser en ocasiones difíciles de entender y reutilizar. Esto es debido a impedimentos como el gran número de flujos de trabajo existentes en repositorios, su heterogeneidad o la falta generalizada de documentación y ejemplos de uso. Además, dado que normalmente es posible implementar un mismo método utilizando algoritmos o técnicas distintas, flujos de trabajo aparentemente distintos pueden estar relacionados a un determinado nivel de abstracción, basándose, por ejemplo, en su funcionalidad común. Esta tesis se centra en la reutilización de flujos de trabajo y su abstracción mediante la exploración de relaciones entre los flujos de trabajo de un repositorio y la extracción de abstracciones que podrían ayudar a la hora de reutilizar otros flujos de trabajo existentes. Para ello, se propone un modelo simple de representación de flujos de trabajo y sus ejecuciones, se analizan las abstracciones típicas que se pueden encontrar en los repositorios de flujos de trabajo, se exploran las prácticas habituales de los usuarios a la hora de reutilizar flujos de trabajo existentes y se describe un método para descubrir abstracciones útiles para usuarios, basadas en técnicas existentes de teoría de grafos. Los resultados obtenidos exponen las abstracciones y prácticas comunes de usuarios en términos de reutilización de flujos de trabajo, y muestran cómo las abstracciones que se extraen automáticamente tienen potencial para ser reutilizadas por usuarios que buscan diseñar nuevos flujos de trabajo. Abstract Scientific workflows have been adopted in the last decade to represent the computational methods used in in silico scientific experiments and their associated research products. Scientific workflows have demonstrated to be useful for sharing and reproducing scientific experiments, allowing scientists to visualize, debug and save time when re-executing previous work. However, scientific workflows may be difficult to understand and reuse. The large amount of available workflows in repositories, together with their heterogeneity and lack of documentation and usage examples may become an obstacle for a scientist aiming to reuse the work from other scientists. Furthermore, given that it is often possible to implement a method using different algorithms or techniques, seemingly disparate workflows may be related at a higher level of abstraction, based on their common functionality. In this thesis we address the issue of reusability and abstraction by exploring how workflows relate to one another in a workflow repository, mining abstractions that may be helpful for workflow reuse. In order to do so, we propose a simple model for representing and relating workflows and their executions, we analyze the typical common abstractions that can be found in workflow repositories, we explore the current practices of users regarding workflow reuse and we describe a method for discovering useful abstractions for workflows based on existing graph mining techniques. Our results expose the common abstractions and practices of users in terms of workflow reuse, and show how our proposed abstractions have potential to become useful for users designing new workflows.

A framework for mixed-criticality partitioned real-time embedded systems

Los sistemas empotrados son cada día más comunes y complejos, de modo que encontrar procesos seguros, eficaces y baratos de desarrollo software dirigidos específicamente a esta clase de sistemas es más necesario que nunca. A diferencia de lo que ocurría hasta hace poco, en la actualidad los avances tecnológicos en el campo de los microprocesadores de los últimos tiempos permiten el desarrollo de equipos con prestaciones más que suficientes para ejecutar varios sistemas software en una única máquina. Además, hay sistemas empotrados con requisitos de seguridad (safety) de cuyo correcto funcionamiento depende la vida de muchas personas y/o grandes inversiones económicas. Estos sistemas software se diseñan e implementan de acuerdo con unos estándares de desarrollo software muy estrictos y exigentes. En algunos casos puede ser necesaria también la certificación del software. Para estos casos, los sistemas con criticidades mixtas pueden ser una alternativa muy valiosa. En esta clase de sistemas, aplicaciones con diferentes niveles de criticidad se ejecutan en el mismo computador. Sin embargo, a menudo es necesario certificar el sistema entero con el nivel de criticidad de la aplicación más crítica, lo que hace que los costes se disparen. La virtualización se ha postulado como una tecnología muy interesante para contener esos costes. Esta tecnología permite que un conjunto de máquinas virtuales o particiones ejecuten las aplicaciones con unos niveles de aislamiento tanto temporal como espacial muy altos. Esto, a su vez, permite que cada partición pueda ser certificada independientemente. Para el desarrollo de sistemas particionados con criticidades mixtas se necesita actualizar los modelos de desarrollo software tradicionales, pues estos no cubren ni las nuevas actividades ni los nuevos roles que se requieren en el desarrollo de estos sistemas. Por ejemplo, el integrador del sistema debe definir las particiones o el desarrollador de aplicaciones debe tener en cuenta las características de la partición donde su aplicación va a ejecutar. Tradicionalmente, en el desarrollo de sistemas empotrados, el modelo en V ha tenido una especial relevancia. Por ello, este modelo ha sido adaptado para tener en cuenta escenarios tales como el desarrollo en paralelo de aplicaciones o la incorporación de una nueva partición a un sistema ya existente. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar la tecnología actual de desarrollo de sistemas particionados con criticidades mixtas. Para ello, se ha diseñado e implementado un entorno dirigido específicamente a facilitar y mejorar los procesos de desarrollo de esta clase de sistemas. En concreto, se ha creado un algoritmo que genera el particionado del sistema automáticamente. En el entorno de desarrollo propuesto, se han integrado todas las actividades necesarias para desarrollo de un sistema particionado, incluidos los nuevos roles y actividades mencionados anteriormente. Además, el diseño del entorno de desarrollo se ha basado en la ingeniería guiada por modelos (Model-Driven Engineering), la cual promueve el uso de los modelos como elementos fundamentales en el proceso de desarrollo. Así pues, se proporcionan las herramientas necesarias para modelar y particionar el sistema, así como para validar los resultados y generar los artefactos necesarios para el compilado, construcción y despliegue del mismo. Además, en el diseño del entorno de desarrollo, la extensión e integración del mismo con herramientas de validación ha sido un factor clave. En concreto, se pueden incorporar al entorno de desarrollo nuevos requisitos no-funcionales, la generación de nuevos artefactos tales como documentación o diferentes lenguajes de programación, etc. Una parte clave del entorno de desarrollo es el algoritmo de particionado. Este algoritmo se ha diseñado para ser independiente de los requisitos de las aplicaciones así como para permitir al integrador del sistema implementar nuevos requisitos del sistema. Para lograr esta independencia, se han definido las restricciones al particionado. El algoritmo garantiza que dichas restricciones se cumplirán en el sistema particionado que resulte de su ejecución. Las restricciones al particionado se han diseñado con una capacidad expresiva suficiente para que, con un pequeño grupo de ellas, se puedan expresar la mayor parte de los requisitos no-funcionales más comunes. Las restricciones pueden ser definidas manualmente por el integrador del sistema o bien pueden ser generadas automáticamente por una herramienta a partir de los requisitos funcionales y no-funcionales de una aplicación. El algoritmo de particionado toma como entradas los modelos y las restricciones al particionado del sistema. Tras la ejecución y como resultado, se genera un modelo de despliegue en el que se definen las particiones que son necesarias para el particionado del sistema. A su vez, cada partición define qué aplicaciones deben ejecutar en ella así como los recursos que necesita la partición para ejecutar correctamente. El problema del particionado y las restricciones al particionado se modelan matemáticamente a través de grafos coloreados. En dichos grafos, un coloreado propio de los vértices representa un particionado del sistema correcto. El algoritmo se ha diseñado también para que, si es necesario, sea posible obtener particionados alternativos al inicialmente propuesto. El entorno de desarrollo, incluyendo el algoritmo de particionado, se ha probado con éxito en dos casos de uso industriales: el satélite UPMSat-2 y un demostrador del sistema de control de una turbina eólica. Además, el algoritmo se ha validado mediante la ejecución de numerosos escenarios sintéticos, incluyendo algunos muy complejos, de más de 500 aplicaciones. ABSTRACT The importance of embedded software is growing as it is required for a large number of systems. Devising cheap, efficient and reliable development processes for embedded systems is thus a notable challenge nowadays. Computer processing power is continuously increasing, and as a result, it is currently possible to integrate complex systems in a single processor, which was not feasible a few years ago.Embedded systems may have safety critical requirements. Its failure may result in personal or substantial economical loss. The development of these systems requires stringent development processes that are usually defined by suitable standards. In some cases their certification is also necessary. This scenario fosters the use of mixed-criticality systems in which applications of different criticality levels must coexist in a single system. In these cases, it is usually necessary to certify the whole system, including non-critical applications, which is costly. Virtualization emerges as an enabling technology used for dealing with this problem. The system is structured as a set of partitions, or virtual machines, that can be executed with temporal and spatial isolation. In this way, applications can be developed and certified independently. The development of MCPS (Mixed-Criticality Partitioned Systems) requires additional roles and activities that traditional systems do not require. The system integrator has to define system partitions. Application development has to consider the characteristics of the partition to which it is allocated. In addition, traditional software process models have to be adapted to this scenario. The V-model is commonly used in embedded systems development. It can be adapted to the development of MCPS by enabling the parallel development of applications or adding an additional partition to an existing system. The objective of this PhD is to improve the available technology for MCPS development by providing a framework tailored to the development of this type of system and by defining a flexible and efficient algorithm for automatically generating system partitionings. The goal of the framework is to integrate all the activities required for developing MCPS and to support the different roles involved in this process. The framework is based on MDE (Model-Driven Engineering), which emphasizes the use of models in the development process. The framework provides basic means for modeling the system, generating system partitions, validating the system and generating final artifacts. The framework has been designed to facilitate its extension and the integration of external validation tools. In particular, it can be extended by adding support for additional non-functional requirements and support for final artifacts, such as new programming languages or additional documentation. The framework includes a novel partitioning algorithm. It has been designed to be independent of the types of applications requirements and also to enable the system integrator to tailor the partitioning to the specific requirements of a system. This independence is achieved by defining partitioning constraints that must be met by the resulting partitioning. They have sufficient expressive capacity to state the most common constraints and can be defined manually by the system integrator or generated automatically based on functional and non-functional requirements of the applications. The partitioning algorithm uses system models and partitioning constraints as its inputs. It generates a deployment model that is composed by a set of partitions. Each partition is in turn composed of a set of allocated applications and assigned resources. The partitioning problem, including applications and constraints, is modeled as a colored graph. A valid partitioning is a proper vertex coloring. A specially designed algorithm generates this coloring and is able to provide alternative partitions if required. The framework, including the partitioning algorithm, has been successfully used in the development of two industrial use cases: the UPMSat-2 satellite and the control system of a wind-power turbine. The partitioning algorithm has been successfully validated by using a large number of synthetic loads, including complex scenarios with more that 500 applications.

Especificaciones eMathTeacher, creación del Modelo Granular Lingüístico de la evaluación del aprendizaje humano, y diseño de sistemas que implementan estos conceptos

El concepto de algoritmo es básico en informática, por lo que es crucial que los alumnos profundicen en él desde el inicio de su formación. Por tanto, contar con una herramienta que guíe a los estudiantes en su aprendizaje puede suponer una gran ayuda en su formación. La mayoría de los autores coinciden en que, para determinar la eficacia de una herramienta de visualización de algoritmos, es esencial cómo se utiliza. Así, los estudiantes que participan activamente en la visualización superan claramente a los que la contemplan de forma pasiva. Por ello, pensamos que uno de los mejores ejercicios para un alumno consiste en simular la ejecución del algoritmo que desea aprender mediante el uso de una herramienta de visualización, i. e. consiste en realizar una simulación visual de dicho algoritmo. La primera parte de esta tesis presenta los resultados de una profunda investigación sobre las características que debe reunir una herramienta de ayuda al aprendizaje de algoritmos y conceptos matemáticos para optimizar su efectividad: el conjunto de especificaciones eMathTeacher, además de un entorno de aprendizaje que integra herramientas que las cumplen: GRAPHs. Hemos estudiado cuáles son las cualidades esenciales para potenciar la eficacia de un sistema e-learning de este tipo. Esto nos ha llevado a la definición del concepto eMathTeacher, que se ha materializado en el conjunto de especificaciones eMathTeacher. Una herramienta e-learning cumple las especificaciones eMathTeacher si actúa como un profesor virtual de matemáticas, i. e. si es una herramienta de autoevaluación que ayuda a los alumnos a aprender de forma activa y autónoma conceptos o algoritmos matemáticos, corrigiendo sus errores y proporcionando pistas para encontrar la respuesta correcta, pero sin dársela explícitamente. En estas herramientas, la simulación del algoritmo no continúa hasta que el usuario introduce la respuesta correcta. Para poder reunir en un único entorno una colección de herramientas que cumplan las especificaciones eMathTeacher hemos creado GRAPHs, un entorno ampliable, basado en simulación visual, diseñado para el aprendizaje activo e independiente de los algoritmos de grafos y creado para que en él se integren simuladores de diferentes algoritmos. Además de las opciones de creación y edición del grafo y la visualización de los cambios producidos en él durante la simulación, el entorno incluye corrección paso a paso, animación del pseudocódigo del algoritmo, preguntas emergentes, manejo de las estructuras de datos del algoritmo y creación de un log de interacción en XML. Otro problema que nos planteamos en este trabajo, por su importancia en el proceso de aprendizaje, es el de la evaluación formativa. El uso de ciertos entornos e-learning genera gran cantidad de datos que deben ser interpretados para llegar a una evaluación que no se limite a un recuento de errores. Esto incluye el establecimiento de relaciones entre los datos disponibles y la generación de descripciones lingüísticas que informen al alumno sobre la evolución de su aprendizaje. Hasta ahora sólo un experto humano era capaz de hacer este tipo de evaluación. Nuestro objetivo ha sido crear un modelo computacional que simule el razonamiento del profesor y genere un informe sobre la evolución del aprendizaje que especifique el nivel de logro de cada uno de los objetivos definidos por el profesor. Como resultado del trabajo realizado, la segunda parte de esta tesis presenta el modelo granular lingüístico de la evaluación del aprendizaje, capaz de modelizar la evaluación y generar automáticamente informes de evaluación formativa. Este modelo es una particularización del modelo granular lingüístico de un fenómeno (GLMP), en cuyo desarrollo y formalización colaboramos, basado en la lógica borrosa y en la teoría computacional de las percepciones. Esta técnica, que utiliza sistemas de inferencia basados en reglas lingüísticas y es capaz de implementar criterios de evaluación complejos, se ha aplicado a dos casos: la evaluación, basada en criterios, de logs de interacción generados por GRAPHs y de cuestionarios de Moodle. Como consecuencia, se han implementado, probado y utilizado en el aula sistemas expertos que evalúan ambos tipos de ejercicios. Además de la calificación numérica, los sistemas generan informes de evaluación, en lenguaje natural, sobre los niveles de competencia alcanzados, usando sólo datos objetivos de respuestas correctas e incorrectas. Además, se han desarrollado dos aplicaciones capaces de ser configuradas para implementar los sistemas expertos mencionados. Una procesa los archivos producidos por GRAPHs y la otra, integrable en Moodle, evalúa basándose en los resultados de los cuestionarios. ABSTRACT The concept of algorithm is one of the core subjects in computer science. It is extremely important, then, for students to get a good grasp of this concept from the very start of their training. In this respect, having a tool that helps and shepherds students through the process of learning this concept can make a huge difference to their instruction. Much has been written about how helpful algorithm visualization tools can be. Most authors agree that the most important part of the learning process is how students use the visualization tool. Learners who are actively involved in visualization consistently outperform other learners who view the algorithms passively. Therefore we think that one of the best exercises to learn an algorithm is for the user to simulate the algorithm execution while using a visualization tool, thus performing a visual algorithm simulation. The first part of this thesis presents the eMathTeacher set of requirements together with an eMathTeacher-compliant tool called GRAPHs. For some years, we have been developing a theory about what the key features of an effective e-learning system for teaching mathematical concepts and algorithms are. This led to the definition of eMathTeacher concept, which has materialized in the eMathTeacher set of requirements. An e-learning tool is eMathTeacher compliant if it works as a virtual math trainer. In other words, it has to be an on-line self-assessment tool that helps students to actively and autonomously learn math concepts or algorithms, correcting their mistakes and providing them with clues to find the right answer. In an eMathTeacher-compliant tool, algorithm simulation does not continue until the user enters the correct answer. GRAPHs is an extendible environment designed for active and independent visual simulation-based learning of graph algorithms, set up to integrate tools to help the user simulate the execution of different algorithms. Apart from the options of creating and editing the graph, and visualizing the changes made to the graph during simulation, the environment also includes step-by-step correction, algorithm pseudo-code animation, pop-up questions, data structure handling and XML-based interaction log creation features. On the other hand, assessment is a key part of any learning process. Through the use of e-learning environments huge amounts of data can be output about this process. Nevertheless, this information has to be interpreted and represented in a practical way to arrive at a sound assessment that is not confined to merely counting mistakes. This includes establishing relationships between the available data and also providing instructive linguistic descriptions about learning evolution. Additionally, formative assessment should specify the level of attainment of the learning goals defined by the instructor. Till now, only human experts were capable of making such assessments. While facing this problem, our goal has been to create a computational model that simulates the instructor’s reasoning and generates an enlightening learning evolution report in natural language. The second part of this thesis presents the granular linguistic model of learning assessment to model the assessment of the learning process and implement the automated generation of a formative assessment report. The model is a particularization of the granular linguistic model of a phenomenon (GLMP) paradigm, based on fuzzy logic and the computational theory of perceptions, to the assessment phenomenon. This technique, useful for implementing complex assessment criteria using inference systems based on linguistic rules, has been applied to two particular cases: the assessment of the interaction logs generated by GRAPHs and the criterion-based assessment of Moodle quizzes. As a consequence, several expert systems to assess different algorithm simulations and Moodle quizzes have been implemented, tested and used in the classroom. Apart from the grade, the designed expert systems also generate natural language progress reports on the achieved proficiency level, based exclusively on the objective data gathered from correct and incorrect responses. In addition, two applications, capable of being configured to implement the expert systems, have been developed. One is geared up to process the files output by GRAPHs and the other one is a Moodle plug-in set up to perform the assessment based on the quizzes results.

Strong Connectivity in Directed Hypergraphs and its Application to the Atomic Decomposition of Ontologies

Los hipergrafos dirigidos se han empleado en problemas relacionados con lógica proposicional, bases de datos relacionales, linguística computacional y aprendizaje automático. Los hipergrafos dirigidos han sido también utilizados como alternativa a los grafos (bipartitos) dirigidos para facilitar el estudio de las interacciones entre componentes de sistemas complejos que no pueden ser fácilmente modelados usando exclusivamente relaciones binarias. En este contexto, este tipo de representación es conocida como hiper-redes. Un hipergrafo dirigido es una generalización de un grafo dirigido especialmente adecuado para la representación de relaciones de muchos a muchos. Mientras que una arista en un grafo dirigido define una relación entre dos de sus nodos, una hiperarista en un hipergrafo dirigido define una relación entre dos conjuntos de sus nodos. La conexión fuerte es una relación de equivalencia que divide el conjunto de nodos de un hipergrafo dirigido en particiones y cada partición define una clase de equivalencia conocida como componente fuertemente conexo. El estudio de los componentes fuertemente conexos de un hipergrafo dirigido puede ayudar a conseguir una mejor comprensión de la estructura de este tipo de hipergrafos cuando su tamaño es considerable. En el caso de grafo dirigidos, existen algoritmos muy eficientes para el cálculo de los componentes fuertemente conexos en grafos de gran tamaño. Gracias a estos algoritmos, se ha podido averiguar que la estructura de la WWW tiene forma de “pajarita”, donde más del 70% del los nodos están distribuidos en tres grandes conjuntos y uno de ellos es un componente fuertemente conexo. Este tipo de estructura ha sido también observada en redes complejas en otras áreas como la biología. Estudios de naturaleza similar no han podido ser realizados en hipergrafos dirigidos porque no existe algoritmos capaces de calcular los componentes fuertemente conexos de este tipo de hipergrafos. En esta tesis doctoral, hemos investigado como calcular los componentes fuertemente conexos de un hipergrafo dirigido. En concreto, hemos desarrollado dos algoritmos para este problema y hemos determinado que son correctos y cuál es su complejidad computacional. Ambos algoritmos han sido evaluados empíricamente para comparar sus tiempos de ejecución. Para la evaluación, hemos producido una selección de hipergrafos dirigidos generados de forma aleatoria inspirados en modelos muy conocidos de grafos aleatorios como Erdos-Renyi, Newman-Watts-Strogatz and Barabasi-Albert. Varias optimizaciones para ambos algoritmos han sido implementadas y analizadas en la tesis. En concreto, colapsar los componentes fuertemente conexos del grafo dirigido que se puede construir eliminando ciertas hiperaristas complejas del hipergrafo dirigido original, mejora notablemente los tiempos de ejecucion de los algoritmos para varios de los hipergrafos utilizados en la evaluación. Aparte de los ejemplos de aplicación mencionados anteriormente, los hipergrafos dirigidos han sido también empleados en el área de representación de conocimiento. En concreto, este tipo de hipergrafos se han usado para el cálculo de módulos de ontologías. Una ontología puede ser definida como un conjunto de axiomas que especifican formalmente un conjunto de símbolos y sus relaciones, mientras que un modulo puede ser entendido como un subconjunto de axiomas de la ontología que recoge todo el conocimiento que almacena la ontología sobre un conjunto especifico de símbolos y sus relaciones. En la tesis nos hemos centrado solamente en módulos que han sido calculados usando la técnica de localidad sintáctica. Debido a que las ontologías pueden ser muy grandes, el cálculo de módulos puede facilitar las tareas de re-utilización y mantenimiento de dichas ontologías. Sin embargo, analizar todos los posibles módulos de una ontología es, en general, muy costoso porque el numero de módulos crece de forma exponencial con respecto al número de símbolos y de axiomas de la ontología. Afortunadamente, los axiomas de una ontología pueden ser divididos en particiones conocidas como átomos. Cada átomo representa un conjunto máximo de axiomas que siempre aparecen juntos en un modulo. La decomposición atómica de una ontología es definida como un grafo dirigido de tal forma que cada nodo del grafo corresponde con un átomo y cada arista define una dependencia entre una pareja de átomos. En esta tesis introducimos el concepto de“axiom dependency hypergraph” que generaliza el concepto de descomposición atómica de una ontología. Un modulo en una ontología correspondería con un componente conexo en este tipo de hipergrafos y un átomo de una ontología con un componente fuertemente conexo. Hemos adaptado la implementación de nuestros algoritmos para que funcionen también con axiom dependency hypergraphs y poder de esa forma calcular los átomos de una ontología. Para demostrar la viabilidad de esta idea, hemos incorporado nuestros algoritmos en una aplicación que hemos desarrollado para la extracción de módulos y la descomposición atómica de ontologías. A la aplicación la hemos llamado HyS y hemos estudiado sus tiempos de ejecución usando una selección de ontologías muy conocidas del área biomédica, la mayoría disponibles en el portal de Internet NCBO. Los resultados de la evaluación muestran que los tiempos de ejecución de HyS son mucho mejores que las aplicaciones más rápidas conocidas. ABSTRACT Directed hypergraphs are an intuitive modelling formalism that have been used in problems related to propositional logic, relational databases, computational linguistic and machine learning. Directed hypergraphs are also presented as an alternative to directed (bipartite) graphs to facilitate the study of the interactions between components of complex systems that cannot naturally be modelled as binary relations. In this context, they are known as hyper-networks. A directed hypergraph is a generalization of a directed graph suitable for representing many-to-many relationships. While an edge in a directed graph defines a relation between two nodes of the graph, a hyperedge in a directed hypergraph defines a relation between two sets of nodes. Strong-connectivity is an equivalence relation that induces a partition of the set of nodes of a directed hypergraph into strongly-connected components. These components can be collapsed into single nodes. As result, the size of the original hypergraph can significantly be reduced if the strongly-connected components have many nodes. This approach might contribute to better understand how the nodes of a hypergraph are connected, in particular when the hypergraphs are large. In the case of directed graphs, there are efficient algorithms that can be used to compute the strongly-connected components of large graphs. For instance, it has been shown that the macroscopic structure of the World Wide Web can be represented as a “bow-tie” diagram where more than 70% of the nodes are distributed into three large sets and one of these sets is a large strongly-connected component. This particular structure has been also observed in complex networks in other fields such as, e.g., biology. Similar studies cannot be conducted in a directed hypergraph because there does not exist any algorithm for computing the strongly-connected components of the hypergraph. In this thesis, we investigate ways to compute the strongly-connected components of directed hypergraphs. We present two new algorithms and we show their correctness and computational complexity. One of these algorithms is inspired by Tarjan’s algorithm for directed graphs. The second algorithm follows a simple approach to compute the stronglyconnected components. This approach is based on the fact that two nodes of a graph that are strongly-connected can also reach the same nodes. In other words, the connected component of each node is the same. Both algorithms are empirically evaluated to compare their performances. To this end, we have produced a selection of random directed hypergraphs inspired by existent and well-known random graphs models like Erd˝os-Renyi and Newman-Watts-Strogatz. Besides the application examples that we mentioned earlier, directed hypergraphs have also been employed in the field of knowledge representation. In particular, they have been used to compute the modules of an ontology. An ontology is defined as a collection of axioms that provides a formal specification of a set of terms and their relationships; and a module is a subset of an ontology that completely captures the meaning of certain terms as defined in the ontology. In particular, we focus on the modules computed using the notion of syntactic locality. As ontologies can be very large, the computation of modules facilitates the reuse and maintenance of these ontologies. Analysing all modules of an ontology, however, is in general not feasible as the number of modules grows exponentially in the number of terms and axioms of the ontology. Nevertheless, the modules can succinctly be represented using the Atomic Decomposition of an ontology. Using this representation, an ontology can be partitioned into atoms, which are maximal sets of axioms that co-occur in every module. The Atomic Decomposition is then defined as a directed graph such that each node correspond to an atom and each edge represents a dependency relation between two atoms. In this thesis, we introduce the notion of an axiom dependency hypergraph which is a generalization of the atomic decomposition of an ontology. A module in the ontology corresponds to a connected component in the hypergraph, and the atoms of the ontology to the strongly-connected components. We apply our algorithms for directed hypergraphs to axiom dependency hypergraphs and in this manner, we compute the atoms of an ontology. To demonstrate the viability of this approach, we have implemented the algorithms in the application HyS which computes the modules of ontologies and calculate their atomic decomposition. In the thesis, we provide an experimental evaluation of HyS with a selection of large and prominent biomedical ontologies, most of which are available in the NCBO Bioportal. HyS outperforms state-of-the-art implementations in the tasks of extracting modules and computing the atomic decomposition of these ontologies.

Método para la Construcción Automática de Ontologías Basado en Patrones Lingüísticos

La tesis que se presenta tiene como propósito la construcción automática de ontologías a partir de textos, enmarcándose en el área denominada Ontology Learning. Esta disciplina tiene como objetivo automatizar la elaboración de modelos de dominio a partir de fuentes información estructurada o no estructurada, y tuvo su origen con el comienzo del milenio, a raíz del crecimiento exponencial del volumen de información accesible en Internet. Debido a que la mayoría de información se presenta en la web en forma de texto, el aprendizaje automático de ontologías se ha centrado en el análisis de este tipo de fuente, nutriéndose a lo largo de los años de técnicas muy diversas provenientes de áreas como la Recuperación de Información, Extracción de Información, Sumarización y, en general, de áreas relacionadas con el procesamiento del lenguaje natural. La principal contribución de esta tesis consiste en que, a diferencia de la mayoría de las técnicas actuales, el método que se propone no analiza la estructura sintáctica superficial del lenguaje, sino que estudia su nivel semántico profundo. Su objetivo, por tanto, es tratar de deducir el modelo del dominio a partir de la forma con la que se articulan los significados de las oraciones en lenguaje natural. Debido a que el nivel semántico profundo es independiente de la lengua, el método permitirá operar en escenarios multilingües, en los que es necesario combinar información proveniente de textos en diferentes idiomas. Para acceder a este nivel del lenguaje, el método utiliza el modelo de las interlinguas. Estos formalismos, provenientes del área de la traducción automática, permiten representar el significado de las oraciones de forma independiente de la lengua. Se utilizará en concreto UNL (Universal Networking Language), considerado como la única interlingua de propósito general que está normalizada. La aproximación utilizada en esta tesis supone la continuación de trabajos previos realizados tanto por su autor como por el equipo de investigación del que forma parte, en los que se estudió cómo utilizar el modelo de las interlinguas en las áreas de extracción y recuperación de información multilingüe. Básicamente, el procedimiento definido en el método trata de identificar, en la representación UNL de los textos, ciertas regularidades que permiten deducir las piezas de la ontología del dominio. Debido a que UNL es un formalismo basado en redes semánticas, estas regularidades se presentan en forma de grafos, generalizándose en estructuras denominadas patrones lingüísticos. Por otra parte, UNL aún conserva ciertos mecanismos de cohesión del discurso procedentes de los lenguajes naturales, como el fenómeno de la anáfora. Con el fin de aumentar la efectividad en la comprensión de las expresiones, el método provee, como otra contribución relevante, la definición de un algoritmo para la resolución de la anáfora pronominal circunscrita al modelo de la interlingua, limitada al caso de pronombres personales de tercera persona cuando su antecedente es un nombre propio. El método propuesto se sustenta en la definición de un marco formal, que ha debido elaborarse adaptando ciertas definiciones provenientes de la teoría de grafos e incorporando otras nuevas, con el objetivo de ubicar las nociones de expresión UNL, patrón lingüístico y las operaciones de encaje de patrones, que son la base de los procesos del método. Tanto el marco formal como todos los procesos que define el método se han implementado con el fin de realizar la experimentación, aplicándose sobre un artículo de la colección EOLSS “Encyclopedia of Life Support Systems” de la UNESCO. ABSTRACT The purpose of this thesis is the automatic construction of ontologies from texts. This thesis is set within the area of Ontology Learning. This discipline aims to automatize domain models from structured or unstructured information sources, and had its origin with the beginning of the millennium, as a result of the exponential growth in the volume of information accessible on the Internet. Since most information is presented on the web in the form of text, the automatic ontology learning is focused on the analysis of this type of source, nourished over the years by very different techniques from areas such as Information Retrieval, Information Extraction, Summarization and, in general, by areas related to natural language processing. The main contribution of this thesis consists of, in contrast with the majority of current techniques, the fact that the method proposed does not analyze the syntactic surface structure of the language, but explores his deep semantic level. Its objective, therefore, is trying to infer the domain model from the way the meanings of the sentences are articulated in natural language. Since the deep semantic level does not depend on the language, the method will allow to operate in multilingual scenarios, where it is necessary to combine information from texts in different languages. To access to this level of the language, the method uses the interlingua model. These formalisms, coming from the area of machine translation, allow to represent the meaning of the sentences independently of the language. In this particular case, UNL (Universal Networking Language) will be used, which considered to be the only interlingua of general purpose that is standardized. The approach used in this thesis corresponds to the continuation of previous works carried out both by the author of this thesis and by the research group of which he is part, in which it is studied how to use the interlingua model in the areas of multilingual information extraction and retrieval. Basically, the procedure defined in the method tries to identify certain regularities at the UNL representation of texts that allow the deduction of the parts of the ontology of the domain. Since UNL is a formalism based on semantic networks, these regularities are presented in the form of graphs, generalizing in structures called linguistic patterns. On the other hand, UNL still preserves certain mechanisms of discourse cohesion from natural languages, such as the phenomenon of the anaphora. In order to increase the effectiveness in the understanding of expressions, the method provides, as another significant contribution, the definition of an algorithm for the resolution of pronominal anaphora limited to the model of the interlingua, in the case of third person personal pronouns when its antecedent is a proper noun. The proposed method is based on the definition of a formal framework, adapting some definitions from Graph Theory and incorporating new ones, in order to locate the notions of UNL expression and linguistic pattern, as well as the operations of pattern matching, which are the basis of the method processes. Both the formal framework and all the processes that define the method have been implemented in order to carry out the experimentation, applying on an article of the "Encyclopedia of Life Support Systems" of the UNESCO-EOLSS collection.

El proyecto de vivienda como laboratorio de estrategias para Sejima y Nishizawa de 1987 a 2010

Como indica el título, esta tesis plantea el estudio de la arquitectura doméstica elaborada por los arquitectos japoneses Kazuyo Sejima y Ryue Nishizawa. Más concretamente, la investigación se ciñe a un conjunto integrado por veinticinco casas que los arquitectos proyectaron entre 1987, momento en el que Sejima establece su propia oficina, y 2010, fecha en la que el reconocimiento del trabajo que ambos venían desarrollando queda certificado a nivel internacional, ya que ese año son galardonados con el premio Pritzker y comisarían la Bienal deVenecia. Del estudio conjunto y sistemático de estos proyectos, y de sus distintas versiones se espera poder obtener una serie de criterios exegéticos que permitan comprenderlos y explicarlos mejor, relacionándolos entre sí de manera coherente. A estos criterios es a lo que hemos denominado estrategias. En el momento en el que se inicia esta investigación se detectó un vacío editorial respecto al tema tratado, apenas había textos, propios o ajenos que abordaran esta faceta de la obra de Sejima y Nishizawa en profundidad. No en vano, algunos críticos han acuñado el apelativo de "arquitectos sin palabras" para referirse, tanto a ellos como a la generación de arquitectos que la pareja encabeza, dando a entender que se trata de una arquitectura carente de explicación.1 Sin embargo, esta investigación sostiene que el hecho de que los arquitectos no hablen en exceso de su obra y mantengan una actitud centrada en desarrollar de forma práctica su trabajo no quiere decir que prescindan de realizar operaciones compositivas altamente idealizadas y abstractas, refrendadas por un marco cultural y teórico que se pueda describir. Tras recopilar, ordenar y analizar un número lo suficientemente amplio como para ser significativo de las manifestaciones verbales que los arquitectos han realizado a lo largo del periodo estudiado, se ha observado que de entre todos los términos que los dos socios que integran SANAA emplean para describir sus proyectos, uno de los más relevantes y quizás también el más general resulta la palabra “sistema”.2 El modo en el que ambos describen los principios de su arquitectura, diferenciando entre los componentes del programa, y las relaciones que se establecen entre éstos, y entre ellos y el exterior permiten sostener que no se trata de un uso accidental término. Paralelamente, al mismo tiempo que se indaga sobre el corpus intelectual de esta teoría se intenta detallar las circunstancias que favorecieron tal trasvase de ideas entre Occidente y Japón y como acabaron llegando al ámbito de estos arquitectos. Al amparo de este marco teórico y tras redibujar las viviendas documentadas, se intentará describir los rasgos de la estructura material de las viviendas analizadas, así como cartografiar los patrones organizativos que las caracterizan. Para ello se empleará el rigor instrumental que aporta la teoría de grafos como método habitual para la representación, estudio y caracterización de sistemas. Los resultados de la investigación evidencian que hay una serie de estrategias — tanto materiales como organizativas— que enunciadas en sus primeros proyectos se van desarrollando en obras posteriores, conformado sistemas que están paulatinamente más organizados. Y que llegado un punto en la trayectoria de estos arquitectos, se observa que tales estrategias, se van superponiendo de distinta forma en diversos proyectos, por lo que es posible agruparlos y hablar de ellos atendiendo a características comunes. Finalmente, el estudio concluye que tanto a nivel material como reladonal, bien podría decirse que en el periodo estudiado, las estrategias empleadas por Sejima y Nishizawa para elaborar su arquitectura doméstica persiguen un objetivo común que se fundamenta en la elaboración de planteamientos sintéticos que les permiten explorar y responder creativamente ante las disyuntivas previamente establecidas, precisamente explotando el potencial de las paradojas que las originan. ABSTRACT As the title suggest itself, this thesis deals about the study of domestic architecture developed by Japanese architects Kazuyo Sejima and Ryue Nishizawa. More specifically, research focus its attention on a group of twenty five houses that both architects projected from 1987, when Sejima establishes her own practice, and 2010, as the moment in which their work obtains international acknowledgment, since this year they are awarded the Pritzker prize and cúrate the Venice Biennale. From the combined and systematic study of all these projects, and their different versions are expected to obtain a series of exegetical criteria to relate to each other, understand and explain better. These criteria are what we cali strategies. By the time when this research began, an editorial emptiness about the treaty issue was detected; there were barely texts that addressed this aspect of the work of Sejima and Nishizawa in depth, neither the ones written by the architects themselves ñor by other authors. Some critics have coined the ñame "wordless generation" to refer to both them as to the generation of architects that the couple leads, implying that it is an architecture devoid of explanation.3 However, this study argües that the fact that architects do not speak too much about his work and keep themselves focused on developing practical work attitude does not mean that dispense perform highly idealized and abstract compositional operations, fueled by a frame cultural and theoretical that can be described. After collect, sort and analyze a large enough number of verbal statements done by the architects about their work as to be meaningful, it was observed that of all the terms that the two partners that intégrate SANAA used to describe their projects, one of the most important and, perhaps one of the most general, is the word "system".4 The way in which both describe the principies of their architecture distinguishing between program components and the relationships established between them, and between them and the outside allow us the view that it is not accidental use of a term. Similarly, while it investigates the intellectual corpus of this theory it attempts to explain some of the circumstances that favored such transfer of ideas between the West and Japan and how eventually reaching the scope of these architects. Under this framework and after redraw the documented houses we attempt to describe the characteristics of the material structure of the projects tested, as well as mapping the organizational patterns that characterize them. For this, we use the instrumental rigor that brings graph theory, as a regular method of representation, study and characterization of systems used. The research results show that there are a number of strategies -both material and organizational level- that once they are set out in its first projects are developed in later works. Bringing up systems that are gradually more and more organized. And at one point in the career of these architects, such strategies are observed, they are superimposed differently on various projects, making it possible to group them and discuss them according to common characteristics. Finally, the study condueles that both materially and organizational it could be said that in the period studied, the strategies employed by Sejima and Nishizawa to develop its domestic architecture pursue a common goal, which is based on the development of synthetic approaches that allow them explore and respond creatively to the previously established dilemmas precisely exploiting the paradoxical potential that originates them.

Optimizing communication by compression for Multi-GPU Scalable Breadth-First Searches

Debido al creciente aumento del tamaño de los datos en muchos de los actuales sistemas de información, muchos de los algoritmos de recorrido de estas estructuras pierden rendimento para realizar búsquedas en estos. Debido a que la representacion de estos datos en muchos casos se realiza mediante estructuras nodo-vertice (Grafos), en el año 2009 se creó el reto Graph500. Con anterioridad, otros retos como Top500 servían para medir el rendimiento en base a la capacidad de cálculo de los sistemas, mediante tests LINPACK. En caso de Graph500 la medicion se realiza mediante la ejecución de un algoritmo de recorrido en anchura de grafos (BFS en inglés) aplicada a Grafos. El algoritmo BFS es uno de los pilares de otros muchos algoritmos utilizados en grafos como SSSP, shortest path o Betweeness centrality. Una mejora en este ayudaría a la mejora de los otros que lo utilizan. Analisis del Problema El algoritmos BFS utilizado en los sistemas de computación de alto rendimiento (HPC en ingles) es usualmente una version para sistemas distribuidos del algoritmo secuencial original. En esta versión distribuida se inicia la ejecución realizando un particionado del grafo y posteriormente cada uno de los procesadores distribuidos computará una parte y distribuirá sus resultados a los demás sistemas. Debido a que la diferencia de velocidad entre el procesamiento en cada uno de estos nodos y la transfencia de datos por la red de interconexión es muy alta (estando en desventaja la red de interconexion) han sido bastantes las aproximaciones tomadas para reducir la perdida de rendimiento al realizar transferencias. Respecto al particionado inicial del grafo, el enfoque tradicional (llamado 1D-partitioned graph en ingles) consiste en asignar a cada nodo unos vertices fijos que él procesará. Para disminuir el tráfico de datos se propuso otro particionado (2D) en el cual la distribución se haciá en base a las aristas del grafo, en vez de a los vertices. Este particionado reducía el trafico en la red en una proporcion O(NxM) a O(log(N)). Si bien han habido otros enfoques para reducir la transferecnia como: reordemaniento inicial de los vertices para añadir localidad en los nodos, o particionados dinámicos, el enfoque que se va a proponer en este trabajo va a consistir en aplicar técnicas recientes de compression de grandes sistemas de datos como Bases de datos de alto volume o motores de búsqueda en internet para comprimir los datos de las transferencias entre nodos.---ABSTRACT---The Breadth First Search (BFS) algorithm is the foundation and building block of many higher graph-based operations such as spanning trees, shortest paths and betweenness centrality. The importance of this algorithm increases each day due to it is a key requirement for many data structures which are becoming popular nowadays. These data structures turn out to be internally graph structures. When the BFS algorithm is parallelized and the data is distributed into several processors, some research shows a performance limitation introduced by the interconnection network [31]. Hence, improvements on the area of communications may benefit the global performance in this key algorithm. In this work it is presented an alternative compression mechanism. It differs with current existing methods in that it is aware of characteristics of the data which may benefit the compression. Apart from this, we will perform a other test to see how this algorithm (in a dis- tributed scenario) benefits from traditional instruction-based optimizations. Last, we will review the current supercomputing techniques and the related work being done in the area.

Validação de uma estrutura de análise ofensiva no basquetebol baseada no sequenciamento de dinâmicas de criação de espaço

A inferência de estratégias ofensivas em esportes coletivos pode ser realizada a partir da análise dos padrões de jogo observados durante a disputa. Para que isso ocorra, há a necessidade da formalização de classes de comportamentos específicos para a modalidade de forma a discriminar perfis de jogo com base na identificação das ações mais recorrentes. No basquetebol as ações são encadeadas ao longo da posse de bola, sendo que os diferentes tipos de sequências de ações contêm características que os diferenciam e podem influenciar diretamente no desfecho do ataque. Nesse trabalho foi apresentada uma proposta contendo diferentes possibilidades de sequenciamento de dinâmicas ofensivas baseadas em um modelo teórico descrito na literatura. Os procedimentos de validação do sequenciamento de dinâmicas ofensivas e os testes de reprodutibilidade e objetividade realizados junto a técnicos de basquetebol apresentaram valores elevados demonstrando a consistência dos critérios para a elaboração de 27 tipos de concatenações dependentes (Qui-quadrado >0,78). Além disso, a estrutura desenvolvida foi concluída através da aplicação do constructo a jogos de basquetebol da liga profissional Americana (NBA) (28 partidas, dentre as quais 10 partidas do confronto entre Spurs x Thunder, 10 partidas referentes ao confronto entre Heat e Pacers e 8 partidas da disputa envolvendo Heat e Spurs, sendo analisados ambos os ataques em cada confronto, válidos pela temporada regular e na fase de playoffs). Os resultados gerados a partir da análise foram apresentados através de árvores de decisão e grafos de modo a facilitar a visualização dos comportamentos identificados. A árvore de decisão apresentou as ações na sequência exata em que ocorreram nas posses de bola, enquanto os grafos mostraram os encadeamentos mais recorrentes entre duas dinâmicas ofensivas. Assim ambas as técnicas se mostraram complementares e auxiliaram na observação e análise dos perfis de jogo de cada equipe e na realização de inferências acerca de sua estratégia ofensiva. A formalização dos tipos de sequenciamento de ações ofensivas pode auxiliar treinadores e profissionais do basquetebol no desenho de estratégias, análise dos padrões de suas equipes e adversários e estruturação de sessões de treinamento que considerem os comportamentos ofensivos de modo dinâmico e contextualizado dentro de um encadeamento lógico de ações de jogo

Segmentação de imagens pela transformada imagem-floresta com faixa de restrição geodésica

Vários métodos tradicionais de segmentação de imagens, como a transformada de watershed de marcado- res e métodos de conexidade fuzzy (Relative Fuzzy Connectedness- RFC, Iterative Relative Fuzzy Connected- ness - IRFC), podem ser implementados de modo eficiente utilizando o método em grafos da Transformada Imagem-Floresta (Image Foresting Transform - IFT). No entanto, a carência de termos de regularização de fronteira em sua formulação fazem com que a borda do objeto segmentado possa ser altamente irregular. Um modo de contornar isto é por meio do uso de restrições de forma do objeto, que favoreçam formas mais regulares, como na recente restrição de convexidade geodésica em estrela (Geodesic Star Convexity - GSC). Neste trabalho, apresentamos uma nova restrição de forma, chamada de Faixa de Restrição Geodésica (Geodesic Band Constraint - GBC), que pode ser incorporada eficientemente em uma sub-classe do fra- mework de corte em grafos generalizado (Generalized Graph Cut - GGC), que inclui métodos pela IFT. É apresentada uma prova da otimalidade do novo algoritmo em termos de um mínimo global de uma função de energia sujeita às novas restrições de borda. A faixa de restrição geodésica nos ajuda a regularizar a borda dos objetos, consequentemente melhorando a segmentação de objetos com formas mais regulares, mantendo o baixo custo computacional da IFT. A GBC pode também ser usada conjuntamente com um mapa de custos pré estabelecido, baseado em um modelo de forma, de modo a direcionar a segmentação a seguir uma dada forma desejada, com grau de liberdade de escala e demais deformações controladas por um parâmetro único. Essa nova restrição também pode ser combinada com a GSC e com as restrições de polaridade de borda sem custo adicional. O método é demonstrado em imagens naturais, sintéticas e médicas, sendo estas provenientes de tomografias computadorizadas e de ressonância magnética.