Fully automatic segmentation of AP pelvis X-rays via random forest regression with efficient feature selection and hierarchical sparse shape composition

In clinical practice, traditional X-ray radiography is widely used, and knowledge of landmarks and contours in anteroposterior (AP) pelvis X-rays is invaluable for computer aided diagnosis, hip surgery planning and image-guided interventions. This paper presents a fully automatic approach for landmark detection and shape segmentation of both pelvis and femur in conventional AP X-ray images. Our approach is based on the framework of landmark detection via Random Forest (RF) regression and shape regularization via hierarchical sparse shape composition. We propose a visual feature FL-HoG (Flexible- Level Histogram of Oriented Gradients) and a feature selection algorithm based on trace radio optimization to improve the robustness and the efficacy of RF-based landmark detection. The landmark detection result is then used in a hierarchical sparse shape composition framework for shape regularization. Finally, the extracted shape contour is fine-tuned by a post-processing step based on low level image features. The experimental results demonstrate that our feature selection algorithm reduces the feature dimension in a factor of 40 and improves both training and test efficiency. Further experiments conducted on 436 clinical AP pelvis X-rays show that our approach achieves an average point-to-curve error around 1.2 mm for femur and 1.9 mm for pelvis.

Time-Efficiency Analysis Comparing Digital and Conventional Workflows for Implant Crowns: A Prospective Clinical Crossover Trial

PURPOSE To compare time-efficiency in the production of implant crowns using a digital workflow versus the conventional pathway. MATERIALS AND METHODS This prospective clinical study used a crossover design that included 20 study participants receiving single-tooth replacements in posterior sites. Each patient received a customized titanium abutment plus a computer-aided design/computer-assisted manufacture (CAD/CAM) zirconia suprastructure (for those in the test group, using digital workflow) and a standardized titanium abutment plus a porcelain-fused-to-metal crown (for those in the control group, using a conventional pathway). The start of the implant prosthetic treatment was established as the baseline. Time-efficiency analysis was defined as the primary outcome, and was measured for every single clinical and laboratory work step in minutes. Statistical analysis was calculated with the Wilcoxon rank sum test. RESULTS All crowns could be provided within two clinical appointments, independent of the manufacturing process. The mean total production time, as the sum of clinical plus laboratory work steps, was significantly different. The mean ± standard deviation (SD) time was 185.4 ± 17.9 minutes for the digital workflow process and 223.0 ± 26.2 minutes for the conventional pathway (P = .0001). Therefore, digital processing for overall treatment was 16% faster. Detailed analysis for the clinical treatment revealed a significantly reduced mean ± SD chair time of 27.3 ± 3.4 minutes for the test group compared with 33.2 ± 4.9 minutes for the control group (P = .0001). Similar results were found for the mean laboratory work time, with a significant decrease of 158.1 ± 17.2 minutes for the test group vs 189.8 ± 25.3 minutes for the control group (P = .0001). CONCLUSION Only a few studies have investigated efficiency parameters of digital workflows compared with conventional pathways in implant dental medicine. This investigation shows that the digital workflow seems to be more time-efficient than the established conventional production pathway for fixed implant-supported crowns. Both clinical chair time and laboratory manufacturing steps could be effectively shortened with the digital process of intraoral scanning plus CAD/CAM technology.

The impact of a computer based adult literacy program on literacy and numeracy : evidence from India

With over 700 million illiterate adults in the world, many governments have implemented adult literacy programs across the world, although typically with low rates of success partly because the quality of teaching is low. One solution may lie in the standardization of teaching provided by computer-aided instruction. We present the first rigorous evidence of the effectiveness of a computer-based adult literacy program. A randomized control trial study of TARA Akshar Plus, an Indian adult literacy program, was implemented in the state of Uttar Pradesh in India. We find large, significant impacts of this computer-aided program on literacy and numeracy outcomes. We compare the improvement in learning to that of other traditional adult literacy programs and conclude that TARA Akshar Plus is effective in increasing literacy and numeracy for illiterate adult women.

Self-learning of fault diagnosis identification

A good and early fault detection and isolation system along with efficient alarm management and fine sensor validation systems are very important in today¿s complex process plants, specially in terms of safety enhancement and costs reduction. This paper presents a methodology for fault characterization. This is a self-learning approach developed in two phases. An initial, learning phase, where the simulation of process units, without and with different faults, will let the system (in an automated way) to detect the key variables that characterize the faults. This will be used in a second (on line) phase, where these key variables will be monitored in order to diagnose possible faults. Using this scheme the faults will be diagnosed and isolated in an early stage where the fault still has not turned into a failure.

Contribución a las nuevas tendencias en el diseño de tuberías en construcción naval

En la situación actual, tanto las posibilidades de contratar como los resultados económicos de un astillero, dependen de su capacidad para construir un buque en el plazo mas corto posible. Dentro de los trabajos de diseño y construcción de de un buque el trabajo de tuberías ha sido el que tradicionalmente ha condicionado los plazos de construcción. En este estudio se considerara que se han tenido en cuenta los criterios necesarios para que las instalaciones del buque funcionen correctamente y se verá como los sistemas de diseño influyen en el coste y plazo del buque y, por tanto, en la productividad del astillero. Se estudian los distintos procesos de diseño, fabricación y montaje de tuberías, la evolución de estos procesos a lo largo del tiempo, los módulos de armamento que se realizan en los astilleros, los modelos de cámara de máquinas, y los sistemas de ayuda al diseño por ordenador. El autor, en su puesto de Jefe de la Oficina Tecnológica de la Factoría de Sevilla de Astilleros Españoles en los últimos 12 años, ha tomado parte activa en esta evolución, formando parte de un equipo que ha situado a este astillero entre los mas avanzarlos de Europa. Todo lo anterior sirve de base para la segunda parte de este estudio, donde se abordan las que, en opinión del autor, son las nuevas tendencias en el diseño de tuberías en la construcción naval. V Integración del CAD/CAM o CIM : CAD = computer aided design o diseño asistido por ordenador, CAM = computer aided manufacturing o fabricación asistida por ordenador, CIM = computer integrated manufacturing o fabricación integrada por ordenador. Se estudia la integración de los procesos de diseño con el resto de los procesos de gestión y de producción de un astillero, proponiéndose un modelo de cómo el autor ve esta integración. Se comenta la actual tendencia a pasar de las automatizaciones duras con maquinas especializadas para cada proceso, a las automatizaciones blandas en las que un robot puede realizar distintos procesos modificando su programación. Se estudian las nuevas posibilidades de la normal i zacio'n, de los planos parametrizados y de la tecnología de grupos aportando algunos ejemplos. Se estudia también como los procesos anteriores conducirán a una optimización del producto en sí, es decir a conseguir mejores buques. En las conclusiones destacamos como el camino que tienen los países desarrollados, como el nuestro, para mantener una industria competitiva de construcción naval va por la mecanización de los procesos constructivos siguiendo las tendencias anteriores y obteniendo buques optimizados. vi SUMMARY Under the present situation the possibilities to contract and the economical results of a Shipyard depend on its capacity to build a ship within the shortest time. i Within the works of design and construction of a ship, piping work has traditionally conditioned the construction time. In this study it shall be considered that the necessary criteria for the ship installations to operate correctly have been taken into account and it shall be noticed how the design systems influence on the cost and time of a ship and therefore on the Shipyard's productivity. Studies are made of different design processes, manufacturing and installation of piping, evolution of these processes along the time, outfitting modules made in the Shipyard, engine room models and computerized design aid systems. The author, in his post of Chief of the Technological Office of Sevilla Shipyard of Astilleros Españoles for the last 12 years, has taken an active part in this evolution, making part of a team which has placed this Shipyard among the most advanced in Europe. All of the above is used for the second part of this study, whereby an approach is made to those who, in the author's opinion, are the new trends in the piping design of shipbuilding. vii Integration of CAD/CAM or CIM: CAD = computer aided design, CAM = computer aided manufacturing, CIM = computer integrated manufacturing. i A study is made of the integration of design processes with the remaining step and production Shipyard processes, proposing a model of how the author views this integration. Comments are made on the present trend to go from hard automations with specialized machines for each process to soft automations, in which a robot can carry out different processes modifying its programmes. Studies are made of: New possibility of standardization, parametrized drawings and group technology, bringing some examples. It is also studied how the above processes shall lead to optimize the product itself, that is, to obtain better ships. In the conclusions we stand out how the way of developed countries (as ours) to maintain a competitive shipbuilding industry is by computerizing constructive processes, following the above trends and obtaining better ships.

TCAD for PV: a fast method for accurately modelling metal impurity evolution during solar cell processing

Coupled device and process silumation tools, collectively known as technology computer-aided design (TCAD), have been used in the integrated circuit industry for over 30 years. These tools allow researchers to quickly converge on optimized devide designs and manufacturing processes with minimal experimental expenditures. The PV industry has been slower to adopt these tools, but is quickly developing competency in using them. This paper introduces a predictive defect engineering paradigm and simulation tool, while demonstrating its effectiveness at increasing the performance and throughput of current industrial processes. the impurity-to-efficiency (I2E) simulator is a coupled process and device simulation tool that links wafer material purity, processing parameters and cell desigh to device performance. The tool has been validated with experimental data and used successfully with partners in industry. The simulator has also been deployed in a free web-accessible applet, which is available for use by the industrial and academic communities.

Information integration: generating functional models from structural ones

Information integration is a very important topic. Reusing the knowledge and having common representations have been (and it is) an active research topic in the process systems community. Conventional (structural) But only structural models have been dealt with so far. In this paper the issue of integration is related with two types of different knowledge, functional and structural. Functional representation and analysis have proved very useful, but still it is developed and presented in a completely isolated way from the classic structural description of the process. This paper presents an architecture to integrate both representations.

HAZOP studies using a functional modeling framework

In this paper we present a tool to perform guided HAZOP studies using a functional modeling framework: D-higraphs. It is a formalism that gathers in a single model structural (ontological) and functional information about the process considered. In this paper it is applied to an industrial case showing that the proposed methodology fits its purposes and fulfills some of the gaps and drawbacks existing in previous reported HAZOP assistant tools.

Geometric documentation of the flour factory "El Puente Colgante" in Aranjuez (Madrid).

The goal of this communication is to offer, through computer-aided design tools, a methodology to recover and virtually reconstruct disappeared buildings of our industrial historical heritage. It will be applied to the case of the flour factory "El Puente Colgante" (The Suspended Bridge) in Aranjuez, which was demolished in 2001. The process is as follows: After a historical analysis of the evolution in time of the flour factory, a field work provides data allowing an info graphic reconstruction of the factory. Once this information has been processed, a lifting of the current state is made with AutoCAD, and a three-dimensional model is built with the Rhinoceros application. Then images of the ensemble are obtained with the applications Rhinoceros and V-Ray, ending with a postproduction with Photoshop. The proposed methodology has permitted to obtain a three-dimensional model of the flour factory ?El Puente Colgante? in Aranjuez, with an accurate virtual reconstruction of its original state prior to demolition. The procedure exposed is susceptible to be generalized for any other example of industrial architecture.

The p-Adaptive Biem Approach for Two-Dimensional Elasticity Analysis

This paper presents the development and application of the p-adaptive BIEM version in elastostatics. The basic concepts underlying the p-adaptive technique are summarized and discussed. Some Pascal pseudocodes which show the way how such a technique can be implemented easily in microcomputers are also provided. Both the applicability and the accuracy of the method proposed here are illustrated through a numerical example.

Toward mass production of microtextured microdevices: linking rapid prototyping with microinjection molding

The possibility of manufacturing textured materials and devices, with surface properties controlled from the design stage, instead of being the result of machining processes or chemical attacks, is a key factor for the incorporation of advanced functionalities to a wide set of micro and nanosystems. Recently developed high-precision additive manufacturing technologies, together with the use of fractal models linked to computer-aided design tools, allow for a precise definition and control of final surface properties for a wide set of applications, although the production of larger series based on these resources is still an unsolved challenge. However, rapid prototypes, with controlled surface topography, can be used as original masters for obtaining micromold inserts for final large-scale series manufacture of replicas using microinjection molding. In this study, an original procedure is presented, aimed at connecting rapid prototyping with microinjection molding, for the mass production of two different microtextured microsystems, linked to tissue engineering tasks, using different thermoplastics as ultimate materials.

Interfaz gráfica de usuario para la detección de microcalcificaciones mediante análisis de mamografía digitalizada

The graphical user interface (GUI) are all graphic elements that help to communicate with a system. The design of a GUI allow to land the central idea of a draft information technology. Today technology has become one of the largest and most useful tools to automate and facilitate processes for that reason fit into any kind of productive sectors, for example, in the health sector. The CAD systems (Systems Computer Aided Diagnosis) are the type of technology used in the health sector, in order to automate online modular learning environment with a fast placed in service. In the present paper the use of a Learning Management Systems (LMS) as continuous education tool is proposed.

Diseño para fabricación digital: definición unívoca entre forma y fabricación en arquitectura

La presente investigación se inicia planteando el objetivo de identificar los parámetros geométricos que son exclusivos del proceso de generación de la Forma y relacionarlos con los invariantes relacionados con la Fabricación digital aplicada a la Arquitectura. Con ello se pretende recuperar la geometría como herramienta principal del proceso de Proyecto ampliando su ámbito de actuación al encontrar una relación con los procesos de fabricación digital. El primer capítulo describe los antecedentes y contexto histórico centrándose especialmente en la influencia de la capacidad de definir geometrías complejas digitalmente mediante la aplicación de algoritmos. En los primeros ejemplos la aproximación del Arquitecto a proyectos con geometrías complejas no euclídeas aún se emplea sin precisión en la comunicación de la geometría ideada para su puesta en obra. Las técnicas constructivas obligan a asumir una tolerancia de desviación entre proyecto y obra y la previsión del comportamiento de esa geometría no permite asegurar su comportamiento final. No será hasta la introducción de herramientas CAD en el proceso de ideación arquitectónica cuando el Arquitecto se capacite para generar geometrías no representables de forma analógica. Sin embargo, la imposibilidad de trasladar la geometría proyectada a la praxis constructiva impedirá la plasmación de un proceso completo, salvo en las contadas ocasiones que se recogen en este texto. “El análisis cronológico de las referencias establece como aspecto esencial para la construcción de geometrías complejas la capacidad primero para definir y comunicar de forma precisa e inequívoca la geometría y después la capacidad de analizar el desempeño prestacional de dicha propuesta geométrica”. La presente investigación se inicia planteando el objetivo de identificar los parámetros geométricos que son exclusivos del proceso de generación de la Forma y relacionarlos con los invariantes relacionados con la Fabricación digital aplicada a la Arquitectura. Con ello se pretende recuperar la geometría como herramienta principal del proceso de Proyecto ampliando su ámbito de actuación al encontrar una relación con los procesos de fabricación digital. El primer capítulo describe los antecedentes y contexto histórico centrándose especialmente en la influencia de la capacidad de definir geometrías complejas digitalmente mediante la aplicación de algoritmos. En los primeros ejemplos la aproximación del Arquitecto a proyectos con geometrías complejas no euclídeas aún se emplea sin precisión en la comunicación de la geometría ideada para su puesta en obra. Las técnicas constructivas obligan a asumir una tolerancia de desviación entre proyecto y obra y la previsión del comportamiento de esa geometría no permite asegurar su comportamiento final. No será hasta la introducción de herramientas CAD en el proceso de ideación arquitectónica cuando el Arquitecto se capacite para generar geometrías no representables de forma analógica. Sin embargo, la imposibilidad de trasladar la geometría proyectada a la praxis constructiva impedirá la plasmación de un proceso completo, salvo en las contadas ocasiones que se recogen en este texto. “El análisis cronológico de las referencias establece como aspecto esencial para la construcción de geometrías complejas la capacidad primero para definir y comunicar de forma precisa e inequívoca la geometría y después la capacidad de analizar el desempeño prestacional de dicha propuesta geométrica”. Establecida la primera conclusión, el capítulo de contexto histórico continúa enfocándose sobre la aplicación de las técnicas digitales en el Proceso de proyecto primero, y en la puesta en obra después. Los casos de estudio identifican claramente como un punto de inflexión para la generación de formas complejas mediante un software CAD el Museo Guggenheim de Bilbao en 1992. El motivo esencial para elegir este proyecto como el primer proyecto digital es el uso de la herramienta de definición digital de la geometría para su reproducción inequívoca en obra. “La revolución digital ha aportado al Arquitecto la posibilidad de abandonar las tipologías arquitectónicas basados en restricciones geométricas-constructivas. La aplicación de técnicas de fabricación digital ha permitido la capacidad de diseñar con independencia del sistema constructivo y libertad formal. En este nuevo contexto las prestaciones suponen los nuevos límites conceptuales, ya que el acceso y disposición de la información del comportamiento de las alternativas que cada geometría conlleva demanda del Arquitecto la jerarquización de los objetivos y la formulación en un conjunto coherente de parámetros”. Los proyectos que emplean herramientas digitales para la resolución de las distintas etapas del proceso proyectual se verán incrementados de forma exponencial desde 1992 hasta nuestros días. A pesar del importante auge de las técnicas de diseño asistido por ordenador el principal desafío sigue siendo la vinculación de las geometrías y materiales propuestos con las capacidades de las técnicas de manufactura y puesta en obra. El proceso de diseño para fabricación en un entorno digital es una tecnología madura en otras industrias como la aeroespacial o la automovilística, incluso la de productos de consumo y decoración, sin embargo en el sector de Construcción es un sistema inmaduro e inconexo. Las particularidades de la industria de la construcción aún no han sido abordadas en su totalidad y las propuestas de investigación realizadas en este ámbito se han centrado hasta 2015 en partes del proceso y no en el proceso total. “El principal obstáculo para la estandarización e implantación globalizada de un proceso digital desde el origen de la forma hasta la construcción es la inexistencia de un protocolo integrado que integre las limitaciones de fabricación, económicas y de puesta en obra junto a la evaluación de desempeño prestacional durante la fases iniciales de proyecto”. En el capítulo número 3 se estudian los distintos procesos de generación de la forma. Se propone una definición específica para el ámbito de la investigación de “forma” en el entendemos que se incluye la envolvente exterior y el conjunto organizativo de espacios interiores conectados. Por lo tanto no es excluyente del interior. El objetivo de este estudio es analizar y clasificar los procesos para la generación digital de formas en los distintos proyectos seleccionados como emblemáticos de cada tipología. Se concluye que la aproximación a este proceso es muy variada y compleja, con aplicación segregada y descoordinada entre los distintos agentes que han intervenir. En un proceso de generación formal analógico los parámetros que intervienen son en parte conscientes y en parte inconscientes o aprendidos. El Arquitecto sólo tiene control sobre la parte consciente de los parámetros a integrar en el diseño, de acuerdo a sus conocimientos y capacidades será capaz de manejar un número limitado de parámetros. La parte aprendida permanece en el inconsciente y dirige el proceso analógico, aportando prejuicios estéticos incorporados durante el proceso formativo y propio del entorno cultural. “El empleo de herramientas digitales basadas en la evaluación prestacional durante el proceso de selección formal permite al Arquitecto conocer “en tiempo real” el desempeño en el conjunto de prestaciones evaluadoras del conjunto de alternativas geométricas a la propuesta previamente definida por la intuición arquitectónica. El proceso definido no persigue identificar una solución óptima sino asistir al Arquitecto en el proceso de generación de la forma mediante la evaluación continua de los vectores direccionales más idóneos que el procedimiento generativo plantea”. La definición de complejidad en generación y producción de formas en relación con el proceso de diseño digital paramétrico global o integrado, es esencial para establecer un protocolo que optimice su gestión. “Se propone como definición de complejidad como factor resultante de multiplicar el número de agentes intervinientes por el número de parámetros e interacciones comunes que intervienen en el proceso de generación de la forma, dividido por la complejidad de intercambio de información digital desde el origen hasta la fase de fabricación y construcción”. Una vez analizados los procesos de generación digital de Arquitectura se propone identificar los parámetros geométricos que definen el proceso de Diseño digital, entendiendose por Diseño el proceso que engloba desde la proposición de una forma inicial basada en la intuición del Arquitecto, la generación y evaluación de variantes y posterior definición digital para producción, tanto de un objeto, un sistema o de la totalidad del Proyecto. En la actualidad el proceso de Diseño es discontinuo y lineal organizandose los parámetros por disciplinas en las que está estructurada las atribuciones profesionales en la industria de la construcción. Para simplificar la identificación y listado se han agrupado siguiendo estos grupos de conocimiento. Entendemos parametros invariables aquellos que son independientes de Tipologías arquitectónicas o que dependen del mismo proceso de generación de la Forma. “El listado de los parámetros que intervienen en un proceso de generación formal es una abstracción de una realidad compleja. La parametrización de las decisiones que intervienen en la selección de una forma determinada mediante “well defined problems” es imposible. El proceso que esta tesis describe entiende esta condición como un elemento que pone en valor el propio procedimiento generativo por la riqueza que la subjetividad que el equipo de diseño aporta”. La segunda parte esencial de esta investigación pretende extraer las restricciones propias del estado del arte de la fabricación digital para posteriormente incorporarlos en los procesos digitales de definición de la Forma arquitectónica. “La integración de las restricciones derivadas de las técnicas de fabricación y construcción digitales en el proceso de generación de formas desde el ámbito de la Arquitectura debe referirse a los condicionantes geométricos asociados a cada sistema constructivo, material y técnica de fabricación. La geometría es además el vínculo que permite asociar el conjunto de parámetros prestacionales seleccionados para un Proyecto con los sistemas de fabricación digital”. A estos condicionantes geométricos obtenidos del análisis de cada sistema de fabricación digital se les ha denominado “invariantes geométricos”. Bajo este término se engloban tanto límites dimensionales de fabricación, como materiales compatibles, tolerancias de manufactura e instalación y cualidades prestacionales asociadas. El objetivo de esta propuesta es emplear la geometría, herramienta fundamental y propia del Arquitecto, como nexo de unión entre el conjunto complejo y heterogéneo de parámetros previamente listados y analizados. Para ello se han simplificado en tablas específicas para cada parámetro prestacional los condicionantes geométricos que se derivan de los Sistemas de fabricación digital compatibles (ver apéndice 1). El estudio y evaluación de las capacidades y objetivos de las distintas plataformas de software disponibles y de las experiencias profesionales evaluadas en los proyectos presentados, permiten concluir que la propuesta de plataforma digital de diseño integral multi-paramétrico de formas arquitectónicas requiere de un protocolo de interoperatibilidad específico aún no universalmente establecido. Actualmente el enfoque de la estrategia para normalizar y universalizar el contexto normativo para regular la interoperatibilidad se centra en figura del gestor denominado “BIM manager”. Las atribuciones y roles de esta figura se enfocan a la gestión del continente y no del contenido (Definición de los formatos de intercambio, niveles de desarrollo (LOD) de los componentes o conjuntos constructivos, detección de interferencias y documentación del propio modelo). Siendo este ámbito un desarrollo necesario para la propuesta de universalización del sistema de diseño para fabricación digital integrado, la presente investigación aporta un organigrama y protocolo asociado. El protocolo: 1. Establece la responsabilidad de identificar y definir la Información que debe determinar el proceso de generación y desarrollo de la forma arquitectónica. 2. Define la forma digital apropiada para generar la geometría del Proyecto, incluyendo la precisión necesaria para cada componente y el nivel de detalle necesario para su exportación inequívoca al proceso de fabricación. 3. Define el tempo de cada etapa de diseño identificando un nivel de detalle acorde. 4. Acopla este organigrama dentro de las estructuras nuevas que se proponen en un entorno BIM para asegurar que no se producen solapes o vacíos con las atribuciones que se identifican para el BIM Manager. “El Arquitecto debe dirigir el protocolo de generación coordinada con los sistemas de producción digital para conseguir que la integración completa. El protocolo debe asistir al proceso de generación de forma mediante la evaluación del desempeño prestacional de cada variante en tiempo real. La comunicación entre herramientas digitales es esencial para permitir una ágil transmisión de información. Es necesario establecer un protocolo adaptado a los objetivos y las necesidades operativas de cada proyecto ya que la estandarización de un protocolo único no es posible”. Una decisión estratégica a la hora de planificar una plataforma de diseño digital común es establecer si vamos a optar por un Modelo digital único o diversos Modelos digitales federados. Cada uno de los modos de trabajo tiene fortalezas y debilidades, no obstante en el ámbito de investigación se ha concluido que un proceso integrado de Diseño que incorpore la evaluación prestacional y conceptual definida en el Capítulo 3, requiere necesariamente de varios modelos de software distintos que han de relacionarse entre sí mediante un protocolo de comunicación automatizado. Una plataforma basada en un modelo federado consiste en establecer un protocolo de comunicación entre los programas informáticos empleados por cada disciplina. En este modelo de operación cada equipo de diseño debe establecer las bases de comunicación en función del número y tipo de programas y procesos digitales a emplear. En esta investigación se propone un protocolo basado en los estándares de intercambio de información que estructura cualquier proceso de generación de forma paramétrico “La investigación establece el empleo de algoritmos evolutivos como el sistema actual óptimo para desarrollar un proceso de generación de formas basadas en la integración y coordinación de invariantes geométricos derivados de un conjunto de objetivos prestacionales y constructivos. No obstante, para la aplicación en el caso práctico realizado se ha podido verificar que la evaluación del desempeño aún no puede realizarse en una única herramienta y por lo tanto el proceso de selección de las variantes genéticas óptimas ha de ejecutarse de forma manual y acumulativa. El proceso debe realizarse de manera federada para la selección evolutiva de los invariantes geométricos dimensionales”. La evaluación del protocolo de integración y los condicionantes geométricos obtenidos como parámetros geométricos que controlan las posibles formas compatibles se realiza mediante su aplicación en un caso práctico. El ejercicio simula la colaboración multidisciplinar con modelos federados de plataformas distintas. La elección del tamaño y complejidad constructiva del proyecto se ha modulado para poder alcanzar un desarrollo completo de cada uno de los parámetros prestacionales seleccionados. Continuando con el mismo objetivo propuesto para los parámetros prestacionales, la tipología constructiva-estructural seleccionada para el ejercicio permite la aplicación la totalidad de invariantes geométricos asociados. El objetivo de este caso práctico es evaluar la capacidad alterar la forma inicialmente propuesta mediante la evaluación del desempeño prestacional de conjunto de variantes geométricas generadas a partir de un parámetro dimensional determinado. Para que este proceso tenga sentido, cada una de las variantes debe ser previamente validada conforme a las limitaciones geométricas propias de cada sistema de fabricación y montaje previstos. El interés de las conclusiones obtenidas es la identificación de una variante geométrica distante a la solución simétrica inicialmente como la solución óptima para el conjunto de parámetros seleccionados. Al tiempo se ha comprobado como la participación de un conjunto de parámetros multi-disciplinares que representan la realidad compleja de los objetivos arquitectónicos favorecen la aparición de variaciones genéticas con prestaciones mejoradas a la intuición inicial. “La herencias tipológicas suponen un límite para la imaginación de variantes formales al proceso de ideación arquitectónica. El ejercicio realizado demuestra que incluso en casos donde aparentemente la solución óptima aparenta ser obvia una variante aleatoria puede mejorar su desempeño global. La posibilidad de conocer las condiciones geométricas de las técnicas de fabricación digital compatibles con el conjunto de parámetros seleccionados por el Arquitecto para dirigir el proceso asegura que los resultados del algoritmo evolutivo empleado sean constructivamente viables. La mejora de imaginación humana con la aportación de geometrías realmente construibles supone el objetivo último de esta tesis”. ABSTRACT Architectural form generation process is shifting from analogical to digital. Digital technology has changed the way we design empowering Architects and Engineers to precisely define any complex geometry envisioned. At the same time, the construction industry, following aeronautical and automotive industries, is implementing digital manufacturing techniques to improve efficiency and quality. Consequently construction complexity will no longer be related to geometry complexity and it is associated to coordination with digital manufacturing capacities. Unfortunately it is agreed that non-standard geometries, even when proposed with performance optimization criteria, are only suitable for projects with non-restricted budgets. Furthemore, the lack of coordinated exportation protocol and geometry management between design and construction is avoiding the globalization of emergence process in built projects Present research first objective is to identify exclusive form-generation parameters related to digital manufacturing geometrical restraints. The intention was to use geometry as the form-generation tool and integrate the digital manufacturing capacities at first stages of the project. The first chapter of this text describes the investigation historical context focusing on the influence between accurate geometry definition at non-standard forms and its construction. At first examples of non-Euclidean geometries built the communication between design and construction were based on analogical partial and imprecise documentation. Deficient communication leads to geometry adaptation on site leaving the final form uncontrolled by the Architect. Computer Aided Design enable Architects to define univocally complex geometries that previously where impossible to communicate. “The univocally definition of the Form, and communication between design and construction is essential for complex geometry Projects”. The second chapter is focused on digital technologies application in form finding process and site construction. The case studies selected identifies a clear inflexion node at 1992 with the Guggenheim Museum in Bilbao. The singularity of this project was the use of Aeronautics software to define digitally the external envelope complex geometry to enable the contractor to build it. “The digital revolution has given the Architect the capacity to design buildings beyond the architectural archetypes driven by geometric-constructive limitations. The application of digital manufacturing techniques has enabled a free-form construction without geometrical limitations. In this new context performance shall be the responsible to set new conceptual boundaries, since the behavior of each possible geometry can be compare and analyze beforehand. The role of the Architect is to prioritize the performance and architectural objectives of each project in a complete and coherent set of parameters”. Projects using digital tools for solving various stages of the design process were increased exponentially since 1992 until today. Despite the significant rise of the techniques of computer-aided design the main challenge remains linking geometries and materials proposed at each design with the capabilities of digital manufacturing techniques. Design for manufacturing in a digital environment is a mature technology in other industries such as aerospace and automotive, including consumer products and decoration, but in the construction sector is an immature and disjointed system. The peculiarities of the construction industry have not yet been addressed in its entirety and research proposals made in this area until 2015 have focused in separate parts of the process and not the total process. “The main obstacle to global standardization and implementation of a complete digital process from the form-finding to construction site is the lack of an integrated protocol that integrates manufacturing, economic and commissioning limitations, together with the performance evaluation of each possible form”. The different form generation processes are studied at chapter number 3. At the introduction of this chapter there is a specific definition of "form" for the research field. Form is identified with the outer envelope geometry, including the organizational set of connected indoor spaces connected to it. Therefore it is not exclusive of the interior. The aim of this study is to analyze and classify the main digital form generation processes using different selected projects as emblematic of each type. The approach to this process is complex, with segregated and uncoordinated different actors have to intervene application. In an analogical form-generation process parameters involved are partly conscious and partly unconscious or learned. The architect has control only over limited part of the parameters to be integrated into the design, according to their knowledge and. There is also a learned aesthetical prejudice that leads the form generation process to a specific geometry leaving the performance and optimization criteria apart from the decision making process. “Using performance evaluation digital tools during form finding process provides real-time comparative information to the Architect enabling geometry selection based on its performance. The generative form generation process described at this document does not ambition to identify the optimum geometry for each set of parameters. The objective is to provide quick information at each generation of what direction is most favorable for the performance parameters selected”. Manufacturing complexity definition in relation to a global and integral process of digital design for manufacture is essential for establishing an efficient managing protocol. “The definition of complexity associated to design for production in Architecture is proposed as the factor between number of different agents involved in the process by the number of interactions required between them, divided by the percentage of the interchange of information that is standardized and proof of information loss”. Design in architecture is a multi-objective process by definition. Therefore, addressing generation process linked to a set of non-coherent parameters requires the selection of adequate generative algorithm and the interaction of the architect. During the second half of the twentieth century and early twenty-first century it have been developed various mathematical algorithms for multi-parametric digital design. Heuristic algorithms are the most adequate algorithms for architectural projects due to its nature. The advantage of such algorithms is the ability to efficiently handle large scale optimization cases where a large number of design objectives and variables are involved. These generative processes do not pursue the optimum solution, in fact it will be impossible to proof with such algorithm. This is not a problem in architectural design where the final goal is to guide the form finding process towards a better performance within the initial direction provided by the architect. This research has focused on genetic algorithms due to its capacity to generate geometric alternatives in multiple directions and evaluate the fitness against a set of parameters specified in a single process. "Any protocol seeks to achieve standardization. The design to manufacturing protocol aims to provide a coordinated and coherent form generation process between a set of design parameters and the geometrical requirements of manufacturing technique. The protocol also provides an information exchange environment where there is a communication path and the level of information is ensured. The research is focused on the process because it is considered that each project will have its own singularities and parameters but the process will stay the same. Again the development of a specific tool is not a goal for the research, the intention is to provide an open source protocol that is valid for any set of tools”. Once the digital generation processes are being analized and classified, the next step is to identify the geometric parameters that define the digital design process. The definition of design process is including from the initial shape proposal based on the intuition of the architect to the generation, evaluation, selection and production of alternatives, both of an object , system or of the entire project . The current design process in Architecture is discontinuous and linear, dividing the process in disciplines in which the construction industry is structured. The proposal is to unify all relevant parameters in one process. The parameters are listed in groups of knowledge for internal classification but the matrix used for parameter relationship determination are combined. “A multi-parameter determination of the form-finding process is the integration all the measurable decisions laying behind Architect intuition. It is not possible to formulate and solve with an algorithm the design in Architecture. It is not the intention to do so with the proposal of this research. The process aims to integrate in one open protocol a selection of parameters by using geometry as common language. There is no optimum solution for any step of the process, the outcome is an evaluation of performance of all the form variations to assist the Architect for the selection of the preferable solution for the project”. The research follows with the geometrical restrictions of today Digital manufacturing techniques. Once determined it has been integrated in the form-finding process. “Digital manufacturing techniques are integrated in the form-finding process using geometry as common language. Geometric restraints define the boundary for performance parametric form-finding process. Geometrical limitations are classified by material and constructive system”. Choose between one digital model or several federate models is a strategic decision at planning a digital design for manufacturing protocol. Each one of the working models have strengths and weakens, nevertheless for the research purposes federated models are required to manage the different performance evaluation software platforms. A protocol based on federated models shall establish a communication process between software platforms and consultants. The manager shall integrate each discipline requirements defining the communication basis. The proposed protocol is based on standards on information exchange with singularities of the digital manufacturing industry. “The research concludes evolutionary algorithms as current best system to develop a generative form finding process based on the integration and coordination of a set of performance and constructive objectives. However, for application in professional practice and standardize it, the performance evaluation cannot be done in only one tool and therefore the selection of optimal genetic variants must be run in several iterations with a cumulative result. Consequently, the evaluation process within the geometrical restraints shall be carried out with federated models coordinated following the information exchange protocol”. The integration protocol and geometric constraints evaluation is done by applying in a practical case study. The exercise simulates multidisciplinary collaboration across software platforms with federated models. The choice of size and construction complexity of the project has been modulated to achieve the full development of each of the parameters selected. Continuing with the same objective proposed for the performance parameters the constructive and structural type selected for the exercise allows the application all geometric invariants associated to the set of parameters selected. The main goal of the case study is to proof the capacity of the manufacturing integrated form finding process to generate geometric alternatives to initial form with performance improved and following the restrictions determined by the compatible digital manufacturing technologies. The process is to be divided in consecutive analysis each one limited by the geometrical conditions and integrated in a overall evaluation. The interest of this process is the result of a non-intuitive form that performs better than a double symmetrical form. The second conclusion is that one parameter evaluation alone will not justify the exploration of complex geometry variations, but when there is a set of parameters with multidisciplinary approach then the less obvious solution emerge as the better performing form. “Architectural typologies impose limitation for Architects capacity to imagine formal variations. The case study and the research conclusions proof that even in situations where the intuitive solution apparently is the optimum solution, random variations can perform better when integrating all parameters evaluation. The capacity of foreseing the geometrical properties linking each design parameter with compatible manufacturing technologies ensure the result of the form-finding process to be constructively viable. Finally, the propose of a complete process where the geometry alternatives are generated beyond the Architect intuition and performance evaluated by a set of parameters previously selected and coordinated with the manufacturing requirements is the final objective of the Thesis”.

Particle swarm optimization with sequential niche technique for dynamic finite element model updating

Peer reviewed

A novel hybrid simulation-optimization approach for the optimal design of multicomponent distillation columns

Póster presentado en Escape 22, European Symposium on Computer Aided Process Engineering, University College London, UK, 17-20 June 2012.