Estudio de la aplicación de sistemas basados en el conocimiento a la operación de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética

Una de las actuaciones posibles para la gestión de los residuos sólidos urbanos es la valorización energética, es decir la incineración con recuperación de energía. Sin embargo es muy importante controlar adecuadamente el proceso de incineración para evitar en lo posible la liberación de sustancias contaminantes a la atmósfera que puedan ocasionar problemas de contaminación industrial.Conseguir que tanto el proceso de incineración como el tratamiento de los gases se realice en condiciones óptimas presupone tener un buen conocimiento de las dependencias entre las variables de proceso. Se precisan métodos adecuados de medida de las variables más importantes y tratar los valores medidos con modelos adecuados para transformarlos en magnitudes de mando. Un modelo clásico para el control parece poco prometedor en este caso debido a la complejidad de los procesos, la falta de descripción cuantitativa y la necesidad de hacer los cálculos en tiempo real. Esto sólo se puede conseguir con la ayuda de las modernas técnicas de proceso de datos y métodos informáticos, tales como el empleo de técnicas de simulación, modelos matemáticos, sistemas basados en el conocimiento e interfases inteligentes. En [Ono, 1989] se describe un sistema de control basado en la lógica difusa aplicado al campo de la incineración de residuos urbanos. En el centro de investigación FZK de Karslruhe se están desarrollando aplicaciones que combinan la lógica difusa con las redes neuronales [Jaeschke, Keller, 1994] para el control de la planta piloto de incineración de residuos TAMARA. En esta tesis se plantea la aplicación de un método de adquisición de conocimiento para el control de sistemas complejos inspirado en el comportamiento humano. Cuando nos encontramos ante una situación desconocida al principio no sabemos como actuar, salvo por la extrapolación de experiencias anteriores que puedan ser útiles. Aplicando procedimientos de prueba y error, refuerzo de hipótesis, etc., vamos adquiriendo y refinando el conocimiento, y elaborando un modelo mental. Podemos diseñar un método análogo, que pueda ser implementado en un sistema informático, mediante el empleo de técnicas de Inteligencia Artificial.Así, en un proceso complejo muchas veces disponemos de un conjunto de datos del proceso que a priori no nos dan información suficientemente estructurada para que nos sea útil. Para la adquisición de conocimiento pasamos por una serie de etapas: - Hacemos una primera selección de cuales son las variables que nos interesa conocer. - Estado del sistema. En primer lugar podemos empezar por aplicar técnicas de clasificación (aprendizaje no supervisado) para agrupar los datos y obtener una representación del estado de la planta. Es posible establecer una clasificación, pero normalmente casi todos los datos están en una sola clase, que corresponde a la operación normal. Hecho esto y para refinar el conocimiento utilizamos métodos estadísticos clásicos para buscar correlaciones entre variables (análisis de componentes principales) y así poder simplificar y reducir la lista de variables. - Análisis de las señales. Para analizar y clasificar las señales (por ejemplo la temperatura del horno) es posible utilizar métodos capaces de describir mejor el comportamiento no lineal del sistema, como las redes neuronales. Otro paso más consiste en establecer relaciones causales entre las variables. Para ello nos sirven de ayuda los modelos analíticos - Como resultado final del proceso se pasa al diseño del sistema basado en el conocimiento. El objetivo principal es aplicar el método al caso concreto del control de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética. En primer lugar, en el capítulo 2 Los residuos sólidos urbanos, se trata el problema global de la gestión de los residuos, dando una visión general de las diferentes alternativas existentes, y de la situación nacional e internacional en la actualidad. Se analiza con mayor detalle la problemática de la incineración de los residuos, poniendo especial interés en aquellas características de los residuos que tienen mayor importancia de cara al proceso de combustión.En el capítulo 3, Descripción del proceso, se hace una descripción general del proceso de incineración y de los distintos elementos de una planta incineradora: desde la recepción y almacenamiento de los residuos, pasando por los distintos tipos de hornos y las exigencias de los códigos de buena práctica de combustión, el sistema de aire de combustión y el sistema de humos. Se presentan también los distintos sistemas de depuración de los gases de combustión, y finalmente el sistema de evacuación de cenizas y escorias.El capítulo 4, La planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos de Girona, describe los principales sistemas de la planta incineradora de Girona: la alimentación de residuos, el tipo de horno, el sistema de recuperación de energía, y el sistema de depuración de los gases de combustión Se describe también el sistema de control, la operación, los datos de funcionamiento de la planta, la instrumentación y las variables que son de interés para el control del proceso de combustión.En el capítulo 5, Técnicas utilizadas, se proporciona una visión global de los sistemas basados en el conocimiento y de los sistemas expertos. Se explican las diferentes técnicas utilizadas: redes neuronales, sistemas de clasificación, modelos cualitativos, y sistemas expertos, ilustradas con algunos ejemplos de aplicación.Con respecto a los sistemas basados en el conocimiento se analizan en primer lugar las condiciones para su aplicabilidad, y las formas de representación del conocimiento. A continuación se describen las distintas formas de razonamiento: redes neuronales, sistemas expertos y lógica difusa, y se realiza una comparación entre ellas. Se presenta una aplicación de las redes neuronales al análisis de series temporales de temperatura.Se trata también la problemática del análisis de los datos de operación mediante técnicas estadísticas y el empleo de técnicas de clasificación. Otro apartado está dedicado a los distintos tipos de modelos, incluyendo una discusión de los modelos cualitativos.Se describe el sistema de diseño asistido por ordenador para el diseño de sistemas de supervisión CASSD que se utiliza en esta tesis, y las herramientas de análisis para obtener información cualitativa del comportamiento del proceso: Abstractores y ALCMEN. Se incluye un ejemplo de aplicación de estas técnicas para hallar las relaciones entre la temperatura y las acciones del operador. Finalmente se analizan las principales características de los sistemas expertos en general, y del sistema experto CEES 2.0 que también forma parte del sistema CASSD que se ha utilizado.El capítulo 6, Resultados, muestra los resultados obtenidos mediante la aplicación de las diferentes técnicas, redes neuronales, clasificación, el desarrollo de la modelización del proceso de combustión, y la generación de reglas. Dentro del apartado de análisis de datos se emplea una red neuronal para la clasificación de una señal de temperatura. También se describe la utilización del método LINNEO+ para la clasificación de los estados de operación de la planta.En el apartado dedicado a la modelización se desarrolla un modelo de combustión que sirve de base para analizar el comportamiento del horno en régimen estacionario y dinámico. Se define un parámetro, la superficie de llama, relacionado con la extensión del fuego en la parrilla. Mediante un modelo linealizado se analiza la respuesta dinámica del proceso de incineración. Luego se pasa a la definición de relaciones cualitativas entre las variables que se utilizan en la elaboración de un modelo cualitativo. A continuación se desarrolla un nuevo modelo cualitativo, tomando como base el modelo dinámico analítico.Finalmente se aborda el desarrollo de la base de conocimiento del sistema experto, mediante la generación de reglas En el capítulo 7, Sistema de control de una planta incineradora, se analizan los objetivos de un sistema de control de una planta incineradora, su diseño e implementación. Se describen los objetivos básicos del sistema de control de la combustión, su configuración y la implementación en Matlab/Simulink utilizando las distintas herramientas que se han desarrollado en el capítulo anterior.Por último para mostrar como pueden aplicarse los distintos métodos desarrollados en esta tesis se construye un sistema experto para mantener constante la temperatura del horno actuando sobre la alimentación de residuos.Finalmente en el capítulo Conclusiones, se presentan las conclusiones y resultados de esta tesis.

Control basat en lògica difusa per sistemes de fangs activats. Disseny, implementació i validació en EDAR reals

En aquesta tesi es presenten dues propostes de Sistemes de Control basats en Lògica Difusa (SCLD), des del seu disseny fins a la seva implementació i validació en dues instal·lacions: l'EDAR Granollers i l'EDAR Taradell. El capítol 1 explica els conceptes bàsics per comprendre el desenvolupament dels dos SCLD i el resum d'una revisió d'articles que relacionen la lògica difusa amb aigües residuals. A continuació, s'estableixen els objectius. En el capítol 3 es presenten els materials i mètodes. Els capítols 4 i 5 exposen el treball realitzat per arribar a la implementació dels dos SCLD. Ambdós capítols presenten la mateixa estructura: presentació, definició dels objectius del SCLD, descripció de l'EDAR on s'implementa el SCLD, desenvolupament d'índexs d'avaluació, explicació del disseny del SCLD i la seva avaluació mitjançant estudis de simulació, implementació i validació del SCLD a l'EDAR i, finalment discussió del treball realitzat. En el capítol 6 s'enumeren les conclusions obtingudes.

Integration of knowledge-based, qualitative and numeric tools for real time dynamic systems supervision

The proposal presented in this thesis is to provide designers of knowledge based supervisory systems of dynamic systems with a framework to facilitate their tasks avoiding interface problems among tools, data flow and management. The approach is thought to be useful to both control and process engineers in assisting their tasks. The use of AI technologies to diagnose and perform control loops and, of course, assist process supervisory tasks such as fault detection and diagnose, are in the scope of this work. Special effort has been put in integration of tools for assisting expert supervisory systems design. With this aim the experience of Computer Aided Control Systems Design (CACSD) frameworks have been analysed and used to design a Computer Aided Supervisory Systems (CASSD) framework. In this sense, some basic facilities are required to be available in this proposed framework: ·

Designing flexible procurement systems

The systems used for the procurement of buildings are organizational systems. They involve people in a series of strategic decisions, and a pattern of roles, responsibilities and relationships that combine to form the organizational structure of the project. To ensure effectiveness of the building team, this organizational structure needs to be contingent upon the environment within which the construction project takes place. In addition, a changing environment means that the organizational structure within a project needs to be responsive, and dynamic. These needs are often not satisfied in the construction industry, due to the lack of analytical tools with which to analyse the environment and to design appropriate temporary organizations. This paper presents two techniques. First is the technique of "Environmental Complexity Analysis", which identifies the key variables in the environment of the construction project. These are classified as Financial, Legal, Technological, Aesthetic and Policy. It is proposed that their identification will set the parameters within which the project has to be managed. This provides a basis for the project managers to define the relevant set of decision points that will be required for the project. The Environmental Complexity Analysis also identifies the project's requirements for control systems concerning Budget, Contractual, Functional, Quality and Time control. The process of environmental scanning needs to be done at regular points during the procurement process to ensure that the organizational structure is adaptive to the changing environment. The second technique introduced is the technique of "3R analysis", being a graphical technique for describing and modelling Roles, Responsibilities and Relationships. A list of steps is introduced that explains the procedure recommended for setting up a flexible organizational structure that is responsive to the environment of the project. This is by contrast with the current trend towards predetermined procurement paths that may not always be in the best interests of the client.

Requirements for building information modeling based lean production management systems for construction

Smooth flow of production in construction is hampered by disparity between individual trade teams' goals and the goals of stable production flow for the project as a whole. This is exacerbated by the difficulty of visualizing the flow of work in a construction project. While the addresses some of the issues in Building information modeling provides a powerful platform for visualizing work flow in control systems that also enable pull flow and deeper collaboration between teams on and off site. The requirements for implementation of a BIM-enabled pull flow construction management software system based on the Last Planner System™, called ‘KanBIM’, have been specified, and a set of functional mock-ups of the proposed system has been implemented and evaluated in a series of three focus group workshops. The requirements cover the areas of maintenance of work flow stability, enabling negotiation and commitment between teams, lean production planning with sophisticated pull flow control, and effective communication and visualization of flow. The evaluation results show that the system holds the potential to improve work flow and reduce waste by providing both process and product visualization at the work face.

Innovative approach to building systems integration problems: Using systems theory, technological forecasting and scenario planning

Building services are worth about 2% GDP and are essential for the effective and efficient operations of the building. It is increasingly recognised that the value of a building is related to the way it supports the client organisation’s ongoing business operations. Building services are central to the functional performance of buildings and provide the necessary conditions for health, well-being, safety and security of the occupants. They frequently comprise several technologically distinct sub-systems and their design and construction requires the involvement of numerous disciplines and trades. Designers and contractors working on the same project are frequently employed by different companies. Materials and equipment is supplied by a diverse range of manufacturers. Facilities managers are responsible for operation of the building service in use. The coordination between these participants is crucially important to achieve optimum performance, but too often is neglected. This leaves room for serious faults. The need for effective integration is important. Modern technology offers increasing opportunities for integrated personal-control systems for lighting, ventilation and security as well as interoperability between systems. Opportunities for a new mode of systems integration are provided by the emergence of PFI/PPP procurements frameworks. This paper attempts to establish how systems integration can be achieved in the process of designing, constructing and operating building services. The essence of the paper therefore is to envisage the emergent organisational responses to the realisation of building services as an interactive systems network.

The geometry of optimal control solutions on some six dimensional lie groups

This paper examines optimal solutions of control systems with drift defined on the orthonormal frame bundle of particular Riemannian manifolds of constant curvature. The manifolds considered here are the space forms Euclidean space E-3, the spheres S-3 and the hyperboloids H-3 with the corresponding frame bundles equal to the Euclidean group of motions SE(3), the rotation group SO(4) and the Lorentz group SO(1,3). The optimal controls of these systems are solved explicitly in terms of elliptic functions. In this paper, a geometric interpretation of the extremal solutions is given with particular emphasis to a singularity in the explicit solutions. Using a reduced form of the Casimir functions the geometry of these solutions are illustrated.

Integrating Hamiltonian systems defined on the Lie groups SO(4) and SO(1,3)

This paper examines optimal solutions of control systems with drift defined on the orthonormal frame bundle of particular Riemannian manifolds of constant curvature. The manifolds considered here are the space forms Euclidean space E³, the spheres S³ and the hyperboloids H³ with the corresponding frame bundles equal to the Euclidean group of motions SE(3), the rotation group SO(4) and the Lorentz group SO(1,3). The optimal controls of these systems are solved explicitly in terms of elliptic functions. In this paper, a geometric interpretation of the extremal solutions is given with particular emphasis to a singularity in the explicit solutions. Using a reduced form of the Casimir functions the geometry of these solutions is illustrated.

Singularities of optimal control problems on some 6-D lie groups

This paper considers the motion planning problem for oriented vehicles travelling at unit speed in a 3-D space. A Lie group formulation arises naturally and the vehicles are modeled as kinematic control systems with drift defined on the orthonormal frame bundles of particular Riemannian manifolds, specifically, the 3-D space forms Euclidean space E-3, the sphere S-3, and the hyperboloid H'. The corresponding frame bundles are equal to the Euclidean group of motions SE(3), the rotation group SO(4), and the Lorentz group SO (1, 3). The maximum principle of optimal control shifts the emphasis for these systems to the associated Hamiltonian formalism. For an integrable case, the extremal curves are explicitly expressed in terms of elliptic functions. In this paper, a study at the singularities of the extremal curves are given, which correspond to critical points of these elliptic functions. The extremal curves are characterized as the intersections of invariant surfaces and are illustrated graphically at the singular points. It. is then shown that the projections, of the extremals onto the base space, called elastica, at these singular points, are curves of constant curvature and torsion, which in turn implies that the oriented vehicles trace helices.

Identification of nonlinear systems using generalized kernel models

Nonlinear system identification is considered using a generalized kernel regression model. Unlike the standard kernel model, which employs a fixed common variance for all the kernel regressors, each kernel regressor in the generalized kernel model has an individually tuned diagonal covariance matrix that is determined by maximizing the correlation between the training data and the regressor using a repeated guided random search based on boosting optimization. An efficient construction algorithm based on orthogonal forward regression with leave-one-out (LOO) test statistic and local regularization (LR) is then used to select a parsimonious generalized kernel regression model from the resulting full regression matrix. The proposed modeling algorithm is fully automatic and the user is not required to specify any criterion to terminate the construction procedure. Experimental results involving two real data sets demonstrate the effectiveness of the proposed nonlinear system identification approach.

Assessment of the food control system in the State of Kuwait

National food control systems are a key element in the protection of consumers from unsafe foods and from other fraudulent practices. International guidance is available and provides a framework for enhancing national systems. However, it is recognized that before reaching decisions on the necessary improvements to a national system, an analysis is required of the current state of key elements in the present system. This paper provides such an analysis for the State of Kuwait. The fragmented nature of the food control system is described. Four key elements of the Kuwaiti system are analyzed: the legal framework, the administrative structures, the enforcement activity and the provision of education and training. It is noted that the country has a dependence on imported foods and that the present national food control system is largely based on an historic approach to food sampling at the point of import and is unsustainable. The paper recommends a more coordinated approach to food safety control in Kuwait with a significant increase in the use of risk analysis methods to target enforcement.

Parallelism in control

A parallel structure is suggested for feedback control systems. Such a technique can be applied to either single or multi-sensor environments and is ideally suited for parallel processor implementation. The control input actually applied is based on a weighted summation of the different parallel controller values, the weightings being either fixed values or chosen by an adaptive decision-making mechanism. The effect of different controller combinations is a field now open to study.

The relative order and inverses of recurrent networks

Differential geometry is used to investigate the structure of neural-network-based control systems. The key aspect is relative order—an invariant property of dynamic systems. Finite relative order allows the specification of a minimal architecture for a recurrent network. Any system with finite relative order has a left inverse. It is shown that a recurrent network with finite relative order has a local inverse that is also a recurrent network with the same weights. The results have implications for the use of recurrent networks in the inverse-model-based control of nonlinear systems.

H∞ robust control design for unsupported paraplegic standing: experimental evaluation

This paper is concerned with the design of robust feedback H~-control systems for the control of the upright posture of paraplegic persons standing. While the subject stands in a special apparatus, stabilising torque at the ankle joint is generated by electrical stimulation of the paralyzed calf muscles. Since the muscles acting as actuators in this setup show a significant degree of nonlinearity, a robust H~-control design is used. The design approach is implemented in experiments with a paraplegic subject. The results demonstrate good performance and closed loop stability over the whole range of operation.