Side-Channel Attack Protection Techniques in FPGA Systems using Enhanced Dual-Rail Solutions

Esta tesis doctoral se centra principalmente en técnicas de ataque y contramedidas relacionadas con ataques de canal lateral (SCA por sus siglas en inglés), que han sido propuestas dentro del campo de investigación académica desde hace 17 años. Las investigaciones relacionadas han experimentado un notable crecimiento en las últimas décadas, mientras que los diseños enfocados en la protección sólida y eficaz contra dichos ataques aún se mantienen como un tema de investigación abierto, en el que se necesitan iniciativas más confiables para la protección de la información persona de empresa y de datos nacionales. El primer uso documentado de codificación secreta se remonta a alrededor de 1700 B.C., cuando los jeroglíficos del antiguo Egipto eran descritos en las inscripciones. La seguridad de la información siempre ha supuesto un factor clave en la transmisión de datos relacionados con inteligencia diplomática o militar. Debido a la evolución rápida de las técnicas modernas de comunicación, soluciones de cifrado se incorporaron por primera vez para garantizar la seguridad, integridad y confidencialidad de los contextos de transmisión a través de cables sin seguridad o medios inalámbricos. Debido a las restricciones de potencia de cálculo antes de la era del ordenador, la técnica de cifrado simple era un método más que suficiente para ocultar la información. Sin embargo, algunas vulnerabilidades algorítmicas pueden ser explotadas para restaurar la regla de codificación sin mucho esfuerzo. Esto ha motivado nuevas investigaciones en el área de la criptografía, con el fin de proteger el sistema de información ante sofisticados algoritmos. Con la invención de los ordenadores se ha acelerado en gran medida la implementación de criptografía segura, que ofrece resistencia eficiente encaminada a obtener mayores capacidades de computación altamente reforzadas. Igualmente, sofisticados cripto-análisis han impulsado las tecnologías de computación. Hoy en día, el mundo de la información ha estado involucrado con el campo de la criptografía, enfocada a proteger cualquier campo a través de diversas soluciones de cifrado. Estos enfoques se han fortalecido debido a la unificación optimizada de teorías matemáticas modernas y prácticas eficaces de hardware, siendo posible su implementación en varias plataformas (microprocesador, ASIC, FPGA, etc.). Las necesidades y requisitos de seguridad en la industria son las principales métricas de conducción en el diseño electrónico, con el objetivo de promover la fabricación de productos de gran alcance sin sacrificar la seguridad de los clientes. Sin embargo, una vulnerabilidad en la implementación práctica encontrada por el Prof. Paul Kocher, et al en 1996 implica que un circuito digital es inherentemente vulnerable a un ataque no convencional, lo cual fue nombrado posteriormente como ataque de canal lateral, debido a su fuente de análisis. Sin embargo, algunas críticas sobre los algoritmos criptográficos teóricamente seguros surgieron casi inmediatamente después de este descubrimiento. En este sentido, los circuitos digitales consisten típicamente en un gran número de celdas lógicas fundamentales (como MOS - Metal Oxide Semiconductor), construido sobre un sustrato de silicio durante la fabricación. La lógica de los circuitos se realiza en función de las innumerables conmutaciones de estas células. Este mecanismo provoca inevitablemente cierta emanación física especial que puede ser medida y correlacionada con el comportamiento interno del circuito. SCA se puede utilizar para revelar datos confidenciales (por ejemplo, la criptografía de claves), analizar la arquitectura lógica, el tiempo e incluso inyectar fallos malintencionados a los circuitos que se implementan en sistemas embebidos, como FPGAs, ASICs, o tarjetas inteligentes. Mediante el uso de la comparación de correlación entre la cantidad de fuga estimada y las fugas medidas de forma real, información confidencial puede ser reconstruida en mucho menos tiempo y computación. Para ser precisos, SCA básicamente cubre una amplia gama de tipos de ataques, como los análisis de consumo de energía y radiación ElectroMagnética (EM). Ambos se basan en análisis estadístico y, por lo tanto, requieren numerosas muestras. Los algoritmos de cifrado no están intrínsecamente preparados para ser resistentes ante SCA. Es por ello que se hace necesario durante la implementación de circuitos integrar medidas que permitan camuflar las fugas a través de "canales laterales". Las medidas contra SCA están evolucionando junto con el desarrollo de nuevas técnicas de ataque, así como la continua mejora de los dispositivos electrónicos. Las características físicas requieren contramedidas sobre la capa física, que generalmente se pueden clasificar en soluciones intrínsecas y extrínsecas. Contramedidas extrínsecas se ejecutan para confundir la fuente de ataque mediante la integración de ruido o mala alineación de la actividad interna. Comparativamente, las contramedidas intrínsecas están integradas en el propio algoritmo, para modificar la aplicación con el fin de minimizar las fugas medibles, o incluso hacer que dichas fugas no puedan ser medibles. Ocultación y Enmascaramiento son dos técnicas típicas incluidas en esta categoría. Concretamente, el enmascaramiento se aplica a nivel algorítmico, para alterar los datos intermedios sensibles con una máscara de manera reversible. A diferencia del enmascaramiento lineal, las operaciones no lineales que ampliamente existen en criptografías modernas son difíciles de enmascarar. Dicho método de ocultación, que ha sido verificado como una solución efectiva, comprende principalmente la codificación en doble carril, que está ideado especialmente para aplanar o eliminar la fuga dependiente de dato en potencia o en EM. En esta tesis doctoral, además de la descripción de las metodologías de ataque, se han dedicado grandes esfuerzos sobre la estructura del prototipo de la lógica propuesta, con el fin de realizar investigaciones enfocadas a la seguridad sobre contramedidas de arquitectura a nivel lógico. Una característica de SCA reside en el formato de las fuentes de fugas. Un típico ataque de canal lateral se refiere al análisis basado en la potencia, donde la capacidad fundamental del transistor MOS y otras capacidades parásitas son las fuentes esenciales de fugas. Por lo tanto, una lógica robusta resistente a SCA debe eliminar o mitigar las fugas de estas micro-unidades, como las puertas lógicas básicas, los puertos I/O y las rutas. Las herramientas EDA proporcionadas por los vendedores manipulan la lógica desde un nivel más alto, en lugar de realizarlo desde el nivel de puerta, donde las fugas de canal lateral se manifiestan. Por lo tanto, las implementaciones clásicas apenas satisfacen estas necesidades e inevitablemente atrofian el prototipo. Por todo ello, la implementación de un esquema de diseño personalizado y flexible ha de ser tomado en cuenta. En esta tesis se presenta el diseño y la implementación de una lógica innovadora para contrarrestar SCA, en la que se abordan 3 aspectos fundamentales: I. Se basa en ocultar la estrategia sobre el circuito en doble carril a nivel de puerta para obtener dinámicamente el equilibrio de las fugas en las capas inferiores; II. Esta lógica explota las características de la arquitectura de las FPGAs, para reducir al mínimo el gasto de recursos en la implementación; III. Se apoya en un conjunto de herramientas asistentes personalizadas, incorporadas al flujo genérico de diseño sobre FPGAs, con el fin de manipular los circuitos de forma automática. El kit de herramientas de diseño automático es compatible con la lógica de doble carril propuesta, para facilitar la aplicación práctica sobre la familia de FPGA del fabricante Xilinx. En este sentido, la metodología y las herramientas son flexibles para ser extendido a una amplia gama de aplicaciones en las que se desean obtener restricciones mucho más rígidas y sofisticadas a nivel de puerta o rutado. En esta tesis se realiza un gran esfuerzo para facilitar el proceso de implementación y reparación de lógica de doble carril genérica. La viabilidad de las soluciones propuestas es validada mediante la selección de algoritmos criptográficos ampliamente utilizados, y su evaluación exhaustiva en comparación con soluciones anteriores. Todas las propuestas están respaldadas eficazmente a través de ataques experimentales con el fin de validar las ventajas de seguridad del sistema. El presente trabajo de investigación tiene la intención de cerrar la brecha entre las barreras de implementación y la aplicación efectiva de lógica de doble carril. En esencia, a lo largo de esta tesis se describirá un conjunto de herramientas de implementación para FPGAs que se han desarrollado para trabajar junto con el flujo de diseño genérico de las mismas, con el fin de lograr crear de forma innovadora la lógica de doble carril. Un nuevo enfoque en el ámbito de la seguridad en el cifrado se propone para obtener personalización, automatización y flexibilidad en el prototipo de circuito de bajo nivel con granularidad fina. Las principales contribuciones del presente trabajo de investigación se resumen brevemente a continuación: Lógica de Precharge Absorbed-DPL logic: El uso de la conversión de netlist para reservar LUTs libres para ejecutar la señal de precharge y Ex en una lógica DPL. Posicionamiento entrelazado Row-crossed con pares idénticos de rutado en redes de doble carril, lo que ayuda a aumentar la resistencia frente a la medición EM selectiva y mitigar los impactos de las variaciones de proceso. Ejecución personalizada y herramientas de conversión automática para la generación de redes idénticas para la lógica de doble carril propuesta. (a) Para detectar y reparar conflictos en las conexiones; (b) Detectar y reparar las rutas asimétricas. (c) Para ser utilizado en otras lógicas donde se requiere un control estricto de las interconexiones en aplicaciones basadas en Xilinx. Plataforma CPA de pruebas personalizadas para el análisis de EM y potencia, incluyendo la construcción de dicha plataforma, el método de medición y análisis de los ataques. Análisis de tiempos para cuantificar los niveles de seguridad. División de Seguridad en la conversión parcial de un sistema de cifrado complejo para reducir los costes de la protección. Prueba de concepto de un sistema de calefacción auto-adaptativo para mitigar los impactos eléctricos debido a la variación del proceso de silicio de manera dinámica. La presente tesis doctoral se encuentra organizada tal y como se detalla a continuación: En el capítulo 1 se abordan los fundamentos de los ataques de canal lateral, que abarca desde conceptos básicos de teoría de modelos de análisis, además de la implementación de la plataforma y la ejecución de los ataques. En el capítulo 2 se incluyen las estrategias de resistencia SCA contra los ataques de potencia diferencial y de EM. Además de ello, en este capítulo se propone una lógica en doble carril compacta y segura como contribución de gran relevancia, así como también se presentará la transformación lógica basada en un diseño a nivel de puerta. Por otra parte, en el Capítulo 3 se abordan los desafíos relacionados con la implementación de lógica en doble carril genérica. Así mismo, se describirá un flujo de diseño personalizado para resolver los problemas de aplicación junto con una herramienta de desarrollo automático de aplicaciones propuesta, para mitigar las barreras de diseño y facilitar los procesos. En el capítulo 4 se describe de forma detallada la elaboración e implementación de las herramientas propuestas. Por otra parte, la verificación y validaciones de seguridad de la lógica propuesta, así como un sofisticado experimento de verificación de la seguridad del rutado, se describen en el capítulo 5. Por último, un resumen de las conclusiones de la tesis y las perspectivas como líneas futuras se incluyen en el capítulo 6. Con el fin de profundizar en el contenido de la tesis doctoral, cada capítulo se describe de forma más detallada a continuación: En el capítulo 1 se introduce plataforma de implementación hardware además las teorías básicas de ataque de canal lateral, y contiene principalmente: (a) La arquitectura genérica y las características de la FPGA a utilizar, en particular la Xilinx Virtex-5; (b) El algoritmo de cifrado seleccionado (un módulo comercial Advanced Encryption Standard (AES)); (c) Los elementos esenciales de los métodos de canal lateral, que permiten revelar las fugas de disipación correlacionadas con los comportamientos internos; y el método para recuperar esta relación entre las fluctuaciones físicas en los rastros de canal lateral y los datos internos procesados; (d) Las configuraciones de las plataformas de pruebas de potencia / EM abarcadas dentro de la presente tesis. El contenido de esta tesis se amplia y profundiza a partir del capítulo 2, en el cual se abordan varios aspectos claves. En primer lugar, el principio de protección de la compensación dinámica de la lógica genérica de precarga de doble carril (Dual-rail Precharge Logic-DPL) se explica mediante la descripción de los elementos compensados a nivel de puerta. En segundo lugar, la lógica PA-DPL es propuesta como aportación original, detallando el protocolo de la lógica y un caso de aplicación. En tercer lugar, dos flujos de diseño personalizados se muestran para realizar la conversión de doble carril. Junto con ello, se aclaran las definiciones técnicas relacionadas con la manipulación por encima de la netlist a nivel de LUT. Finalmente, una breve discusión sobre el proceso global se aborda en la parte final del capítulo. El Capítulo 3 estudia los principales retos durante la implementación de DPLs en FPGAs. El nivel de seguridad de las soluciones de resistencia a SCA encontradas en el estado del arte se ha degenerado debido a las barreras de implantación a través de herramientas EDA convencionales. En el escenario de la arquitectura FPGA estudiada, se discuten los problemas de los formatos de doble carril, impactos parásitos, sesgo tecnológico y la viabilidad de implementación. De acuerdo con estas elaboraciones, se plantean dos problemas: Cómo implementar la lógica propuesta sin penalizar los niveles de seguridad, y cómo manipular un gran número de celdas y automatizar el proceso. El PA-DPL propuesto en el capítulo 2 se valida con una serie de iniciativas, desde características estructurales como doble carril entrelazado o redes de rutado clonadas, hasta los métodos de aplicación tales como las herramientas de personalización y automatización de EDA. Por otra parte, un sistema de calefacción auto-adaptativo es representado y aplicado a una lógica de doble núcleo, con el fin de ajustar alternativamente la temperatura local para equilibrar los impactos negativos de la variación del proceso durante la operación en tiempo real. El capítulo 4 se centra en los detalles de la implementación del kit de herramientas. Desarrollado sobre una API third-party, el kit de herramientas personalizado es capaz de manipular los elementos de la lógica de circuito post P&R ncd (una versión binaria ilegible del xdl) convertido al formato XDL Xilinx. El mecanismo y razón de ser del conjunto de instrumentos propuestos son cuidadosamente descritos, que cubre la detección de enrutamiento y los enfoques para la reparación. El conjunto de herramientas desarrollado tiene como objetivo lograr redes de enrutamiento estrictamente idénticos para la lógica de doble carril, tanto para posicionamiento separado como para el entrelazado. Este capítulo particularmente especifica las bases técnicas para apoyar las implementaciones en los dispositivos de Xilinx y su flexibilidad para ser utilizado sobre otras aplicaciones. El capítulo 5 se enfoca en la aplicación de los casos de estudio para la validación de los grados de seguridad de la lógica propuesta. Se discuten los problemas técnicos detallados durante la ejecución y algunas nuevas técnicas de implementación. (a) Se discute el impacto en el proceso de posicionamiento de la lógica utilizando el kit de herramientas propuesto. Diferentes esquemas de implementación, tomando en cuenta la optimización global en seguridad y coste, se verifican con los experimentos con el fin de encontrar los planes de posicionamiento y reparación optimizados; (b) las validaciones de seguridad se realizan con los métodos de correlación y análisis de tiempo; (c) Una táctica asintótica se aplica a un núcleo AES sobre BCDL estructurado para validar de forma sofisticada el impacto de enrutamiento sobre métricas de seguridad; (d) Los resultados preliminares utilizando el sistema de calefacción auto-adaptativa sobre la variación del proceso son mostrados; (e) Se introduce una aplicación práctica de las herramientas para un diseño de cifrado completa. Capítulo 6 incluye el resumen general del trabajo presentado dentro de esta tesis doctoral. Por último, una breve perspectiva del trabajo futuro se expone, lo que puede ampliar el potencial de utilización de las contribuciones de esta tesis a un alcance más allá de los dominios de la criptografía en FPGAs. ABSTRACT This PhD thesis mainly concentrates on countermeasure techniques related to the Side Channel Attack (SCA), which has been put forward to academic exploitations since 17 years ago. The related research has seen a remarkable growth in the past decades, while the design of solid and efficient protection still curiously remain as an open research topic where more reliable initiatives are required for personal information privacy, enterprise and national data protections. The earliest documented usage of secret code can be traced back to around 1700 B.C., when the hieroglyphs in ancient Egypt are scribed in inscriptions. Information security always gained serious attention from diplomatic or military intelligence transmission. Due to the rapid evolvement of modern communication technique, crypto solution was first incorporated by electronic signal to ensure the confidentiality, integrity, availability, authenticity and non-repudiation of the transmitted contexts over unsecure cable or wireless channels. Restricted to the computation power before computer era, simple encryption tricks were practically sufficient to conceal information. However, algorithmic vulnerabilities can be excavated to restore the encoding rules with affordable efforts. This fact motivated the development of modern cryptography, aiming at guarding information system by complex and advanced algorithms. The appearance of computers has greatly pushed forward the invention of robust cryptographies, which efficiently offers resistance relying on highly strengthened computing capabilities. Likewise, advanced cryptanalysis has greatly driven the computing technologies in turn. Nowadays, the information world has been involved into a crypto world, protecting any fields by pervasive crypto solutions. These approaches are strong because of the optimized mergence between modern mathematical theories and effective hardware practices, being capable of implement crypto theories into various platforms (microprocessor, ASIC, FPGA, etc). Security needs from industries are actually the major driving metrics in electronic design, aiming at promoting the construction of systems with high performance without sacrificing security. Yet a vulnerability in practical implementation found by Prof. Paul Kocher, et al in 1996 implies that modern digital circuits are inherently vulnerable to an unconventional attack approach, which was named as side-channel attack since then from its analysis source. Critical suspicions to theoretically sound modern crypto algorithms surfaced almost immediately after this discovery. To be specifically, digital circuits typically consist of a great number of essential logic elements (as MOS - Metal Oxide Semiconductor), built upon a silicon substrate during the fabrication. Circuit logic is realized relying on the countless switch actions of these cells. This mechanism inevitably results in featured physical emanation that can be properly measured and correlated with internal circuit behaviors. SCAs can be used to reveal the confidential data (e.g. crypto-key), analyze the logic architecture, timing and even inject malicious faults to the circuits that are implemented in hardware system, like FPGA, ASIC, smart Card. Using various comparison solutions between the predicted leakage quantity and the measured leakage, secrets can be reconstructed at much less expense of time and computation. To be precisely, SCA basically encloses a wide range of attack types, typically as the analyses of power consumption or electromagnetic (EM) radiation. Both of them rely on statistical analyses, and hence require a number of samples. The crypto algorithms are not intrinsically fortified with SCA-resistance. Because of the severity, much attention has to be taken into the implementation so as to assemble countermeasures to camouflage the leakages via "side channels". Countermeasures against SCA are evolving along with the development of attack techniques. The physical characteristics requires countermeasures over physical layer, which can be generally classified into intrinsic and extrinsic vectors. Extrinsic countermeasures are executed to confuse the attacker by integrating noise, misalignment to the intra activities. Comparatively, intrinsic countermeasures are built into the algorithm itself, to modify the implementation for minimizing the measurable leakage, or making them not sensitive any more. Hiding and Masking are two typical techniques in this category. Concretely, masking applies to the algorithmic level, to alter the sensitive intermediate values with a mask in reversible ways. Unlike the linear masking, non-linear operations that widely exist in modern cryptographies are difficult to be masked. Approved to be an effective counter solution, hiding method mainly mentions dual-rail logic, which is specially devised for flattening or removing the data-dependent leakage in power or EM signatures. In this thesis, apart from the context describing the attack methodologies, efforts have also been dedicated to logic prototype, to mount extensive security investigations to countermeasures on logic-level. A characteristic of SCA resides on the format of leak sources. Typical side-channel attack concerns the power based analysis, where the fundamental capacitance from MOS transistors and other parasitic capacitances are the essential leak sources. Hence, a robust SCA-resistant logic must eliminate or mitigate the leakages from these micro units, such as basic logic gates, I/O ports and routings. The vendor provided EDA tools manipulate the logic from a higher behavioral-level, rather than the lower gate-level where side-channel leakage is generated. So, the classical implementations barely satisfy these needs and inevitably stunt the prototype. In this case, a customized and flexible design scheme is appealing to be devised. This thesis profiles an innovative logic style to counter SCA, which mainly addresses three major aspects: I. The proposed logic is based on the hiding strategy over gate-level dual-rail style to dynamically overbalance side-channel leakage from lower circuit layer; II. This logic exploits architectural features of modern FPGAs, to minimize the implementation expenses; III. It is supported by a set of assistant custom tools, incorporated by the generic FPGA design flow, to have circuit manipulations in an automatic manner. The automatic design toolkit supports the proposed dual-rail logic, facilitating the practical implementation on Xilinx FPGA families. While the methodologies and the tools are flexible to be expanded to a wide range of applications where rigid and sophisticated gate- or routing- constraints are desired. In this thesis a great effort is done to streamline the implementation workflow of generic dual-rail logic. The feasibility of the proposed solutions is validated by selected and widely used crypto algorithm, for thorough and fair evaluation w.r.t. prior solutions. All the proposals are effectively verified by security experiments. The presented research work attempts to solve the implementation troubles. The essence that will be formalized along this thesis is that a customized execution toolkit for modern FPGA systems is developed to work together with the generic FPGA design flow for creating innovative dual-rail logic. A method in crypto security area is constructed to obtain customization, automation and flexibility in low-level circuit prototype with fine-granularity in intractable routings. Main contributions of the presented work are summarized next: Precharge Absorbed-DPL logic: Using the netlist conversion to reserve free LUT inputs to execute the Precharge and Ex signal in a dual-rail logic style. A row-crossed interleaved placement method with identical routing pairs in dual-rail networks, which helps to increase the resistance against selective EM measurement and mitigate the impacts from process variations. Customized execution and automatic transformation tools for producing identical networks for the proposed dual-rail logic. (a) To detect and repair the conflict nets; (b) To detect and repair the asymmetric nets. (c) To be used in other logics where strict network control is required in Xilinx scenario. Customized correlation analysis testbed for EM and power attacks, including the platform construction, measurement method and attack analysis. A timing analysis based method for quantifying the security grades. A methodology of security partitions of complex crypto systems for reducing the protection cost. A proof-of-concept self-adaptive heating system to mitigate electrical impacts over process variations in dynamic dual-rail compensation manner. The thesis chapters are organized as follows: Chapter 1 discusses the side-channel attack fundamentals, which covers from theoretic basics to analysis models, and further to platform setup and attack execution. Chapter 2 centers to SCA-resistant strategies against generic power and EM attacks. In this chapter, a major contribution, a compact and secure dual-rail logic style, will be originally proposed. The logic transformation based on bottom-layer design will be presented. Chapter 3 is scheduled to elaborate the implementation challenges of generic dual-rail styles. A customized design flow to solve the implementation problems will be described along with a self-developed automatic implementation toolkit, for mitigating the design barriers and facilitating the processes. Chapter 4 will originally elaborate the tool specifics and construction details. The implementation case studies and security validations for the proposed logic style, as well as a sophisticated routing verification experiment, will be described in Chapter 5. Finally, a summary of thesis conclusions and perspectives for future work are included in Chapter 5. To better exhibit the thesis contents, each chapter is further described next: Chapter 1 provides the introduction of hardware implementation testbed and side-channel attack fundamentals, and mainly contains: (a) The FPGA generic architecture and device features, particularly of Virtex-5 FPGA; (b) The selected crypto algorithm - a commercially and extensively used Advanced Encryption Standard (AES) module - is detailed; (c) The essentials of Side-Channel methods are profiled. It reveals the correlated dissipation leakage to the internal behaviors, and the method to recover this relationship between the physical fluctuations in side-channel traces and the intra processed data; (d) The setups of the power/EM testing platforms enclosed inside the thesis work are given. The content of this thesis is expanded and deepened from chapter 2, which is divided into several aspects. First, the protection principle of dynamic compensation of the generic dual-rail precharge logic is explained by describing the compensated gate-level elements. Second, the novel DPL is originally proposed by detailing the logic protocol and an implementation case study. Third, a couple of custom workflows are shown next for realizing the rail conversion. Meanwhile, the technical definitions that are about to be manipulated above LUT-level netlist are clarified. A brief discussion about the batched process is given in the final part. Chapter 3 studies the implementation challenges of DPLs in FPGAs. The security level of state-of-the-art SCA-resistant solutions are decreased due to the implementation barriers using conventional EDA tools. In the studied FPGA scenario, problems are discussed from dual-rail format, parasitic impact, technological bias and implementation feasibility. According to these elaborations, two problems arise: How to implement the proposed logic without crippling the security level; and How to manipulate a large number of cells and automate the transformation. The proposed PA-DPL in chapter 2 is legalized with a series of initiatives, from structures to implementation methods. Furthermore, a self-adaptive heating system is depicted and implemented to a dual-core logic, assumed to alternatively adjust local temperature for balancing the negative impacts from silicon technological biases on real-time. Chapter 4 centers to the toolkit system. Built upon a third-party Application Program Interface (API) library, the customized toolkit is able to manipulate the logic elements from post P&R circuit (an unreadable binary version of the xdl one) converted to Xilinx xdl format. The mechanism and rationale of the proposed toolkit are carefully convoyed, covering the routing detection and repairing approaches. The developed toolkit aims to achieve very strictly identical routing networks for dual-rail logic both for separate and interleaved placement. This chapter particularly specifies the technical essentials to support the implementations in Xilinx devices and the flexibility to be expanded to other applications. Chapter 5 focuses on the implementation of the case studies for validating the security grades of the proposed logic style from the proposed toolkit. Comprehensive implementation techniques are discussed. (a) The placement impacts using the proposed toolkit are discussed. Different execution schemes, considering the global optimization in security and cost, are verified with experiments so as to find the optimized placement and repair schemes; (b) Security validations are realized with correlation, timing methods; (c) A systematic method is applied to a BCDL structured module to validate the routing impact over security metric; (d) The preliminary results using the self-adaptive heating system over process variation is given; (e) A practical implementation of the proposed toolkit to a large design is introduced. Chapter 6 includes the general summary of the complete work presented inside this thesis. Finally, a brief perspective for the future work is drawn which might expand the potential utilization of the thesis contributions to a wider range of implementation domains beyond cryptography on FPGAs.

QuantiDOPA: A Quantification Software for Dopaminergic Neurotransmission SPECT

Quantification of neurotransmission Single-Photon Emission Computed Tomography (SPECT) studies of the dopaminergic system can be used to track, stage and facilitate early diagnosis of the disease. The aim of this study was to implement QuantiDOPA, a semi-automatic quantification software of application in clinical routine to reconstruct and quantify neurotransmission SPECT studies using radioligands which bind the dopamine transporter (DAT). To this end, a workflow oriented framework for the biomedical imaging (GIMIAS) was employed. QuantiDOPA allows the user to perform a semiautomatic quantification of striatal uptake by following three stages: reconstruction, normalization and quantification. QuantiDOPA is a useful tool for semi-automatic quantification inDAT SPECT imaging and it has revealed simple and flexible

Modelo basado en técnicas de procesamiento de lenguaje natural para extraer y anotar información de publicaciones científicas

La rápida evolución experimentada en los últimos años por las tecnologías de Internet ha estimulado la proliferación de recursos software en varias disciplinas científicas, especialmente en bioinformática. En la mayoría de los casos, la tendencia actual es publicar dichos recursos como servicios accesibles libremente a través de Internet, utilizando tecnologías y patrones de diseño definidos para la implementación de Arquitecturas Orientadas a Servicios (SOA). La combinación simultánea de múltiples servicios dentro de un mismo flujo de trabajo abre la posibilidad de crear aplicaciones potencialmente más útiles y complejas. La integración de dichos servicios plantea grandes desafíos, tanto desde un punto de vista teórico como práctico, como por ejemplo, la localización y acceso a los recursos disponibles o la coordinación entre ellos. En esta tesis doctoral se aborda el problema de la identificación, localización, clasificación y acceso a los recursos informáticos disponibles en Internet. Con este fin, se ha definido un modelo genérico para la construcción de índices de recursos software con información extraída automáticamente de artículos de la literatura científica especializada en un área. Este modelo consta de seis fases que abarcan desde la selección de las fuentes de datos hasta el acceso a los índices creados, pasando por la identificación, extracción, clasificación y “curación” de la información relativa a los recursos. Para verificar la viabilidad, idoneidad y eficiencia del modelo propuesto, éste ha sido evaluado en dos dominios científicos diferentes—la BioInformática y la Informática Médica—dando lugar a dos índices de recursos denominados BioInformatics Resource Inventory (BIRI) y electronic-Medical Informatics Repository of Resources(e-MIR2) respectivamente. Los resultados obtenidos de estas aplicaciones son presentados a lo largo de la presente tesis doctoral y han dado lugar a varias publicaciones científicas en diferentes revistas JCR y congresos internacionales. El impacto potencial y la utilidad de esta tesis doctoral podrían resultar muy importantes teniendo en cuenta que, gracias a la generalidad del modelo propuesto, éste podría ser aplicado en cualquier disciplina científica. Algunas de las líneas de investigación futuras más relevantes derivadas de este trabajo son esbozadas al final en el último capítulo de este libro. ABSTRACT The rapid evolution experimented in the last years by the Internet technologies has stimulated the proliferation of heterogeneous software resources in most scientific disciplines, especially in the bioinformatics area. In most cases, current trends aim to publish those resources as services freely available over the Internet, using technologies and design patterns defined for the implementation of Service-Oriented Architectures (SOA). Simultaneous combination of various services into the same workflow opens the opportunity of creating more complex and useful applications. Integration of services raises great challenges, both from a theoretical to a practical point of view such as, for instance, the location and access to the available resources or the orchestration among them. This PhD thesis deals with the problem of identification, location, classification and access to informatics resources available over the Internet. On this regard, a general model has been defined for building indexes of software resources, with information extracted automatically from scientific articles from the literature specialized in the area. Such model consists of six phases ranging from the selection of data sources to the access to the indexes created, covering the identification, extraction, classification and curation of the information related to the software resources. To verify the viability, feasibility and efficiency of the proposed model, it has been evaluated in two different scientific domains—Bioinformatics and Medical Informatics—producing two resources indexes named BioInformatics Resources Inventory (BIRI) and electronic-Medical Informatics Repository of Resources (e-MIR2) respectively. The results and evaluation of those systems are presented along this PhD thesis, and they have produced different scientific publications in several JCR journals and international conferences. The potential impact and utility of this PhD thesis could be of great relevance considering that, thanks to the generality of the proposed model, it could be successfully extended to any scientific discipline. Some of the most relevant future research lines derived from this work are outlined at the end of this book.

Conceptualización e Infraestructura para la Investigación Experimental en Ingeniería del Software

Antecedentes: Esta investigación se enmarca principalmente en la replicación y secundariamente en la síntesis de experimentos en Ingeniería de Software (IS). Para poder replicar, es necesario disponer de todos los detalles del experimento original. Sin embargo, la descripción de los experimentos es habitualmente incompleta debido a la existencia de conocimiento tácito y a la existencia de otros problemas tales como: La carencia de un formato estándar de reporte, la inexistencia de herramientas que den soporte a la generación de reportes experimentales, etc. Esto provoca que no se pueda reproducir fielmente el experimento original. Esta problemática limita considerablemente la capacidad de los experimentadores para llevar a cabo replicaciones y por ende síntesis de experimentos. Objetivo: La investigación tiene como objetivo formalizar el proceso experimental en IS, de modo que facilite la comunicación de información entre experimentadores. Contexto: El presente trabajo de tesis doctoral ha sido desarrollado en el seno del Grupo de Investigación en Ingeniería del Software Empírica (GrISE) perteneciente a la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Informáticos (ETSIINF) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), como parte del proyecto TIN2011-23216 denominado “Tecnologías para la Replicación y Síntesis de Experimentos en Ingeniería de Software”, el cual es financiado por el Gobierno de España. El grupo GrISE cumple a la perfección con los requisitos necesarios (familia de experimentos establecida, con al menos tres líneas experimentales y una amplia experiencia en replicaciones (16 replicaciones hasta 2011 en la línea de técnicas de pruebas de software)) y ofrece las condiciones para que la investigación se lleve a cabo de la mejor manera, como por ejemplo, el acceso total a su información. Método de Investigación: Para cumplir este objetivo se opta por Action Research (AR) como el método de investigación más adecuado a las características de la investigación, para obtener resultados a través de aproximaciones sucesivas que abordan los problemas concretos de comunicación entre experimentadores. Resultados: Se formalizó el modelo conceptual del ciclo experimental desde la perspectiva de los 3 roles principales que representan los experimentadores en el proceso experimental, siendo estos: Gestor de la Investigación (GI), Gestor del Experimento (GE) y Experimentador Senior (ES). Por otra parte, se formalizó el modelo del ciclo experimental, a través de: Un workflow del ciclo y un diagrama de procesos. Paralelamente a la formalización del proceso experimental en IS, se desarrolló ISRE (de las siglas en inglés Infrastructure for Sharing and Replicating Experiments), una prueba de concepto de entorno de soporte a la experimentación en IS. Finalmente, se plantearon guías para el desarrollo de entornos de soporte a la experimentación en IS, en base al estudio de las características principales y comunes de los modelos de las herramientas de soporte a la experimentación en distintas disciplinas experimentales. Conclusiones: La principal contribución de la investigación esta representada por la formalización del proceso experimental en IS. Los modelos que representan la formalización del ciclo experimental, así como la herramienta ISRE, construida a modo de evaluación de los modelos, fueron encontrados satisfactorios por los experimentadores del GrISE. Para consolidar la validez de la formalización, consideramos que este estudio debería ser replicado en otros grupos de investigación representativos en la comunidad de la IS experimental. Futuras Líneas de Investigación: El cumplimiento de los objetivos, de la mano con los hallazgos alcanzados, han dado paso a nuevas líneas de investigación, las cuales son las siguientes: (1) Considerar la construcción de un mecanismo para facilitar el proceso de hacer explícito el conocimiento tácito de los experimentadores por si mismos de forma colaborativa y basados en el debate y el consenso , (2) Continuar la investigación empírica en el mismo grupo de investigación hasta cubrir completamente el ciclo experimental (por ejemplo: experimentos nuevos, síntesis de resultados, etc.), (3) Replicar el proceso de investigación en otros grupos de investigación en ISE, y (4) Renovar la tecnología de la prueba de concepto, tal que responda a las restricciones y necesidades de un entorno real de investigación. ABSTRACT Background: This research addresses first and foremost the replication and also the synthesis of software engineering (SE) experiments. Replication is impossible without access to all the details of the original experiment. But the description of experiments is usually incomplete because knowledge is tacit, there is no standard reporting format or there are hardly any tools to support the generation of experimental reports, etc. This means that the original experiment cannot be reproduced exactly. These issues place considerable constraints on experimenters’ options for carrying out replications and ultimately synthesizing experiments. Aim: The aim of the research is to formalize the SE experimental process in order to facilitate information communication among experimenters. Context: This PhD research was developed within the empirical software engineering research group (GrISE) at the Universidad Politécnica de Madrid (UPM)’s School of Computer Engineering (ETSIINF) as part of project TIN2011-23216 entitled “Technologies for Software Engineering Experiment Replication and Synthesis”, which was funded by the Spanish Government. The GrISE research group fulfils all the requirements (established family of experiments with at least three experimental lines and lengthy replication experience (16 replications prior to 2011 in the software testing techniques line)) and provides favourable conditions for the research to be conducted in the best possible way, like, for example, full access to information. Research Method: We opted for action research (AR) as the research method best suited to the characteristics of the investigation. Results were generated successive rounds of AR addressing specific communication problems among experimenters. Results: The conceptual model of the experimental cycle was formalized from the viewpoint of three key roles representing experimenters in the experimental process. They were: research manager, experiment manager and senior experimenter. The model of the experimental cycle was formalized by means of a workflow and a process diagram. In tandem with the formalization of the SE experimental process, infrastructure for sharing and replicating experiments (ISRE) was developed. ISRE is a proof of concept of a SE experimentation support environment. Finally, guidelines for developing SE experimentation support environments were designed based on the study of the key features that the models of experimentation support tools for different experimental disciplines had in common. Conclusions: The key contribution of this research is the formalization of the SE experimental process. GrISE experimenters were satisfied with both the models representing the formalization of the experimental cycle and the ISRE tool built in order to evaluate the models. In order to further validate the formalization, this study should be replicated at other research groups representative of the experimental SE community. Future Research Lines: The achievement of the aims and the resulting findings have led to new research lines, which are as follows: (1) assess the feasibility of building a mechanism to help experimenters collaboratively specify tacit knowledge based on debate and consensus, (2) continue empirical research at the same research group in order to cover the remainder of the experimental cycle (for example, new experiments, results synthesis, etc.), (3) replicate the research process at other ESE research groups, and (4) update the tools of the proof of concept in order to meet the constraints and needs of a real research environment.

Caracterización de la agitación local y la respuesta oscilatoria de un buque mediante el uso de técnicas de visión artificial : aplicación al análisis de los umbrales operativos en líneas de atraque y amarre

El desarrollo de actividades de carga y descarga son parte de la esencia de la naturaleza funcional de un puerto, de las cuales derivan en gran medida los ingresos del mismo y la eficiencia de la cadena logística en su conjunto. Las oscilaciones en el interior de una dársena y en un línea de atraque disminuyen la calidad de la estancia de las embarcaciones en puerto, reducen el rendimiento de la estiba de los buques y solicitan y fatigan las estructuras y los cuerpos flotantes amarrados. Si los parámetros que definen la agitación local se aproximan a regiones de fallo 0 parada, el subsistema pierde rendimiento, fiabilidad y finalmente se paralizan las operaciones, produciéndose de este modo tiempos de inactividad. Estas paradas operativas conllevan pérdidas económicas para la terminal y, consecuentemente, para el puerto. Hoy día se dispone vastas redes de monitorización destinadas a la caracterización del medio físico en el entorno de los puertos. Paralelamente, las operaciones de manipulación de cargas en las terminales se están dirigiendo hacia modelos de automatización o semi automatización, que permiten no sólo la sistematización de procesos, sino también un profundo conocimiento del flujo de tareas. En este contexto hay un déficit de información sobre cómo afectan los diferentes forzadores del medio físico al rendimiento, la seguridad funcionalidad del proceso de manipulación de carga y descarga. Esto se debe en gran medida a la falta de registros dilatados en el tiempo que permitan correlacionar todos los aspectos mencionados de un modo particularizado para cada línea de atraque y amarre de un puerto. En esta tesis se desarrolla una metodología de vídeo monitorización no intrusiva y de bajo coste basada en la aplicación de técnicas "pixel tool' y la obtención de los parámetros extrínsecos de una observación monofocal. Con ello pretende poner en valor las infraestructuras de vídeo vigilancia de los puertos y de los laboratorios de experimentación a escala reducida, con el objeto de facilitar el estudio los umbrales operativos de las áreas de atraque y amarre. The development of loading and unloading activities is an essential part of he functional nature of a port, which derive largely from he same income and the efficiency of he supply chain as a whole. The oscillations inside a dock and a mooring line diminish he quality of the stay of vessels in port reducing the performance of the stowage of ship and asking and fatigued structures and moored floating bodies. If the parameters defining the local al agitation regions are close to areas of failure or shutdown, he subsystem looses performance, reliability and eventually paralyzes the operations, thereby producing downtime. These operational stops entail economic 1osses to the terminal and, consequently for the port. Today vast networks of monitoring, aimed at he characterization of the physical environment in the vicinity of he ports, are available. In parallel, the cargo handling operations at terminals are moving towards automation or semi-automation models that allow not only the systematization of processes, but also a deep understanding of he workflow. In this context, there is a lack of information about how the different forcing agents of the physical environment affect the performance and he functional safety of the loading and unloading process. This is due largely to the lack of spread-over-time records which would allow to correlate all aspects mentioned, specifically, for each berthing and mooring of a port. This thesis develops a methodology for non-intrusive and low cost monitoring video based on the application of "pixel tool" techniques and on obtaining the extrinsic parameters of a monofocal observation. It seeks an enhancement of the video monitoring infrastructure at ports and at experimental laboratories of reduced scale, in order to facilitate the study of operational thresholds berthing and mooring areas.

Nanoinformatics approaches for information extraction and text mining in nanomedical research texts

La nanotecnología es un área de investigación de reciente creación que trata con la manipulación y el control de la materia con dimensiones comprendidas entre 1 y 100 nanómetros. A escala nanométrica, los materiales exhiben fenómenos físicos, químicos y biológicos singulares, muy distintos a los que manifiestan a escala convencional. En medicina, los compuestos miniaturizados a nanoescala y los materiales nanoestructurados ofrecen una mayor eficacia con respecto a las formulaciones químicas tradicionales, así como una mejora en la focalización del medicamento hacia la diana terapéutica, revelando así nuevas propiedades diagnósticas y terapéuticas. A su vez, la complejidad de la información a nivel nano es mucho mayor que en los niveles biológicos convencionales (desde el nivel de población hasta el nivel de célula) y, por tanto, cualquier flujo de trabajo en nanomedicina requiere, de forma inherente, estrategias de gestión de información avanzadas. Desafortunadamente, la informática biomédica todavía no ha proporcionado el marco de trabajo que permita lidiar con estos retos de la información a nivel nano, ni ha adaptado sus métodos y herramientas a este nuevo campo de investigación. En este contexto, la nueva área de la nanoinformática pretende detectar y establecer los vínculos existentes entre la medicina, la nanotecnología y la informática, fomentando así la aplicación de métodos computacionales para resolver las cuestiones y problemas que surgen con la información en la amplia intersección entre la biomedicina y la nanotecnología. Las observaciones expuestas previamente determinan el contexto de esta tesis doctoral, la cual se centra en analizar el dominio de la nanomedicina en profundidad, así como en el desarrollo de estrategias y herramientas para establecer correspondencias entre las distintas disciplinas, fuentes de datos, recursos computacionales y técnicas orientadas a la extracción de información y la minería de textos, con el objetivo final de hacer uso de los datos nanomédicos disponibles. El autor analiza, a través de casos reales, alguna de las tareas de investigación en nanomedicina que requieren o que pueden beneficiarse del uso de métodos y herramientas nanoinformáticas, ilustrando de esta forma los inconvenientes y limitaciones actuales de los enfoques de informática biomédica a la hora de tratar con datos pertenecientes al dominio nanomédico. Se discuten tres escenarios diferentes como ejemplos de actividades que los investigadores realizan mientras llevan a cabo su investigación, comparando los contextos biomédico y nanomédico: i) búsqueda en la Web de fuentes de datos y recursos computacionales que den soporte a su investigación; ii) búsqueda en la literatura científica de resultados experimentales y publicaciones relacionadas con su investigación; iii) búsqueda en registros de ensayos clínicos de resultados clínicos relacionados con su investigación. El desarrollo de estas actividades requiere el uso de herramientas y servicios informáticos, como exploradores Web, bases de datos de referencias bibliográficas indexando la literatura biomédica y registros online de ensayos clínicos, respectivamente. Para cada escenario, este documento proporciona un análisis detallado de los posibles obstáculos que pueden dificultar el desarrollo y el resultado de las diferentes tareas de investigación en cada uno de los dos campos citados (biomedicina y nanomedicina), poniendo especial énfasis en los retos existentes en la investigación nanomédica, campo en el que se han detectado las mayores dificultades. El autor ilustra cómo la aplicación de metodologías provenientes de la informática biomédica a estos escenarios resulta efectiva en el dominio biomédico, mientras que dichas metodologías presentan serias limitaciones cuando son aplicadas al contexto nanomédico. Para abordar dichas limitaciones, el autor propone un enfoque nanoinformático, original, diseñado específicamente para tratar con las características especiales que la información presenta a nivel nano. El enfoque consiste en un análisis en profundidad de la literatura científica y de los registros de ensayos clínicos disponibles para extraer información relevante sobre experimentos y resultados en nanomedicina —patrones textuales, vocabulario en común, descriptores de experimentos, parámetros de caracterización, etc.—, seguido del desarrollo de mecanismos para estructurar y analizar dicha información automáticamente. Este análisis concluye con la generación de un modelo de datos de referencia (gold standard) —un conjunto de datos de entrenamiento y de test anotados manualmente—, el cual ha sido aplicado a la clasificación de registros de ensayos clínicos, permitiendo distinguir automáticamente los estudios centrados en nanodrogas y nanodispositivos de aquellos enfocados a testear productos farmacéuticos tradicionales. El presente trabajo pretende proporcionar los métodos necesarios para organizar, depurar, filtrar y validar parte de los datos nanomédicos existentes en la actualidad a una escala adecuada para la toma de decisiones. Análisis similares para otras tareas de investigación en nanomedicina ayudarían a detectar qué recursos nanoinformáticos se requieren para cumplir los objetivos actuales en el área, así como a generar conjunto de datos de referencia, estructurados y densos en información, a partir de literatura y otros fuentes no estructuradas para poder aplicar nuevos algoritmos e inferir nueva información de valor para la investigación en nanomedicina. ABSTRACT Nanotechnology is a research area of recent development that deals with the manipulation and control of matter with dimensions ranging from 1 to 100 nanometers. At the nanoscale, materials exhibit singular physical, chemical and biological phenomena, very different from those manifested at the conventional scale. In medicine, nanosized compounds and nanostructured materials offer improved drug targeting and efficacy with respect to traditional formulations, and reveal novel diagnostic and therapeutic properties. Nevertheless, the complexity of information at the nano level is much higher than the complexity at the conventional biological levels (from populations to the cell). Thus, any nanomedical research workflow inherently demands advanced information management. Unfortunately, Biomedical Informatics (BMI) has not yet provided the necessary framework to deal with such information challenges, nor adapted its methods and tools to the new research field. In this context, the novel area of nanoinformatics aims to build new bridges between medicine, nanotechnology and informatics, allowing the application of computational methods to solve informational issues at the wide intersection between biomedicine and nanotechnology. The above observations determine the context of this doctoral dissertation, which is focused on analyzing the nanomedical domain in-depth, and developing nanoinformatics strategies and tools to map across disciplines, data sources, computational resources, and information extraction and text mining techniques, for leveraging available nanomedical data. The author analyzes, through real-life case studies, some research tasks in nanomedicine that would require or could benefit from the use of nanoinformatics methods and tools, illustrating present drawbacks and limitations of BMI approaches to deal with data belonging to the nanomedical domain. Three different scenarios, comparing both the biomedical and nanomedical contexts, are discussed as examples of activities that researchers would perform while conducting their research: i) searching over the Web for data sources and computational resources supporting their research; ii) searching the literature for experimental results and publications related to their research, and iii) searching clinical trial registries for clinical results related to their research. The development of these activities will depend on the use of informatics tools and services, such as web browsers, databases of citations and abstracts indexing the biomedical literature, and web-based clinical trial registries, respectively. For each scenario, this document provides a detailed analysis of the potential information barriers that could hamper the successful development of the different research tasks in both fields (biomedicine and nanomedicine), emphasizing the existing challenges for nanomedical research —where the major barriers have been found. The author illustrates how the application of BMI methodologies to these scenarios can be proven successful in the biomedical domain, whilst these methodologies present severe limitations when applied to the nanomedical context. To address such limitations, the author proposes an original nanoinformatics approach specifically designed to deal with the special characteristics of information at the nano level. This approach consists of an in-depth analysis of the scientific literature and available clinical trial registries to extract relevant information about experiments and results in nanomedicine —textual patterns, common vocabulary, experiment descriptors, characterization parameters, etc.—, followed by the development of mechanisms to automatically structure and analyze this information. This analysis resulted in the generation of a gold standard —a manually annotated training or reference set—, which was applied to the automatic classification of clinical trial summaries, distinguishing studies focused on nanodrugs and nanodevices from those aimed at testing traditional pharmaceuticals. The present work aims to provide the necessary methods for organizing, curating and validating existing nanomedical data on a scale suitable for decision-making. Similar analysis for different nanomedical research tasks would help to detect which nanoinformatics resources are required to meet current goals in the field, as well as to generate densely populated and machine-interpretable reference datasets from the literature and other unstructured sources for further testing novel algorithms and inferring new valuable information for nanomedicine.

Structuring research methods and data with the research object model: genomics workflows as a case study

Background: One of the main challenges for biomedical research lies in the computer-assisted integrative study of large and increasingly complex combinations of data in order to understand molecular mechanisms. The preservation of the materials and methods of such computational experiments with clear annotations is essential for understanding an experiment, and this is increasingly recognized in the bioinformatics community. Our assumption is that offering means of digital, structured aggregation and annotation of the objects of an experiment will provide necessary meta-data for a scientist to understand and recreate the results of an experiment. To support this we explored a model for the semantic description of a workflow-centric Research Object (RO), where an RO is defined as a resource that aggregates other resources, e.g., datasets, software, spreadsheets, text, etc. We applied this model to a case study where we analysed human metabolite variation by workflows. Results: We present the application of the workflow-centric RO model for our bioinformatics case study. Three workflows were produced following recently defined Best Practices for workflow design. By modelling the experiment as an RO, we were able to automatically query the experiment and answer questions such as “which particular data was input to a particular workflow to test a particular hypothesis?”, and “which particular conclusions were drawn from a particular workflow?”. Conclusions: Applying a workflow-centric RO model to aggregate and annotate the resources used in a bioinformatics experiment, allowed us to retrieve the conclusions of the experiment in the context of the driving hypothesis, the executed workflows and their input data. The RO model is an extendable reference model that can be used by other systems as well.

Feasibility assessment of the interactive use of a Monte Carlo algorithm in treatment planning for intraoperative electron radiation therapy

This work analysed the feasibility of using a fast, customized Monte Carlo (MC) method to perform accurate computation of dose distributions during pre- and intraplanning of intraoperative electron radiation therapy (IOERT) procedures. The MC method that was implemented, which has been integrated into a specific innovative simulation and planning tool, is able to simulate the fate of thousands of particles per second, and it was the aim of this work to determine the level of interactivity that could be achieved. The planning workflow enabled calibration of the imaging and treatment equipment, as well as manipulation of the surgical frame and insertion of the protection shields around the organs at risk and other beam modifiers. In this way, the multidisciplinary team involved in IOERT has all the tools necessary to perform complex MC dosage simulations adapted to their equipment in an efficient and transparent way. To assess the accuracy and reliability of this MC technique, dose distributions for a monoenergetic source were compared with those obtained using a general-purpose software package used widely in medical physics applications. Once accuracy of the underlying simulator was confirmed, a clinical accelerator was modelled and experimental measurements in water were conducted. A comparison was made with the output from the simulator to identify the conditions under which accurate dose estimations could be obtained in less than 3 min, which is the threshold imposed to allow for interactive use of the tool in treatment planning. Finally, a clinically relevant scenario, namely early-stage breast cancer treatment, was simulated with pre- and intraoperative volumes to verify that it was feasible to use the MC tool intraoperatively and to adjust dose delivery based on the simulation output, without compromising accuracy. The workflow provided a satisfactory model of the treatment head and the imaging system, enabling proper configuration of the treatment planning system and providing good accuracy in the dosage simulation.

Enhancing Guideline-based decision support with distributed computation through local mobile application

We introduce the need for a distributed guideline-based decision sup-port (DSS) process, describe its characteristics, and explain how we implement-ed this process within the European Union?s MobiGuide project. In particular, we have developed a mechanism of sequential, piecemeal projection, i.e., 'downloading' small portions of the guideline from the central DSS server, to the local DSS in the patient's mobile device, which then applies that portion, us-ing the mobile device's local resources. The mobile device sends a callback to the central DSS when it encounters a triggering pattern predefined in the pro-jected module, which leads to an appropriate predefined action by the central DSS, including sending a new projected module, or directly controlling the rest of the workflow. We suggest that such a distributed architecture that explicitly defines a dialog between a central DSS server and a local DSS module, better balances the computational load and exploits the relative advantages of the cen-tral server and of the local mobile device.

FragFlow: automated fragment detection in scientific workflows

Scientific workflows provide the means to define, execute and reproduce computational experiments. However, reusing existing workflows still poses challenges for workflow designers. Workflows are often too large and too specific to reuse in their entirety, so reuse is more likely to happen for fragments of workflows. These fragments may be identified manually by users as sub-workflows, or detected automatically. In this paper we present the FragFlow approach, which detects workflow fragments automatically by analyzing existing workflow corpora with graph mining algorithms. FragFlow detects the most common workflow fragments, links them to the original workflows and visualizes them. We evaluate our approach by comparing FragFlow results against user-defined sub-workflows from three different corpora of the LONI Pipeline system. Based on this evaluation, we discuss how automated workflow fragment detection could facilitate workflow reuse.

SMART Protocols: seMAntic represenTation for experimental protocols

Two important characteristics of science are the ?reproducibility? and ?clarity?. By rigorous practices, scientists explore aspects of the world that they can reproduce under carefully controlled experimental conditions. The clarity, complementing reproducibility, provides unambiguous descriptions of results in a mechanical or mathematical form. Both pillars depend on well-structured and accurate descriptions of scientific practices, which are normally recorded in experimental protocols, scientific workflows, etc. Here we present SMART Protocols (SP), our ontology-based approach for representing experimental protocols and our contribution to clarity and reproducibility. SP delivers an unambiguous description of processes by means of which data is produced; by doing so, we argue, it facilitates reproducibility. Moreover, SP is thought to be part of e-science infrastructures. SP results from the analysis of 175 protocols; from this dataset, we extracted common elements. From our analysis, we identified document, workflow and domain-specific aspects in the representation of experimental protocols. The ontology is available at http://purl.org/net/SMARTprotocol

A semantic-based approach to attain reproducibility of computational environments in scientific workflows: a case study

Reproducible research in scientific workflows is often addressed by tracking the provenance of the produced results. While this approach allows inspecting intermediate and final results, improves understanding, and permits replaying a workflow execution, it does not ensure that the computational environment is available for subsequent executions to reproduce the experiment. In this work, we propose describing the resources involved in the execution of an experiment using a set of semantic vocabularies, so as to conserve the computational environment. We define a process for documenting the workflow application, management system, and their dependencies based on 4 domain ontologies. We then conduct an experimental evaluation using a real workflow application on an academic and a public Cloud platform. Results show that our approach can reproduce an equivalent execution environment of a predefined virtual machine image on both computing platforms.

Cognitive risk perception system for obstacle avoidance in outdoor mUAV missions

La robótica ha evolucionado exponencialmente en las últimas décadas, permitiendo a los sistemas actuales realizar tareas sumamente complejas con gran precisión, fiabilidad y velocidad. Sin embargo, este desarrollo ha estado asociado a un mayor grado de especialización y particularización de las tecnologías implicadas, siendo estas muy eficientes en situaciones concretas y controladas, pero incapaces en entornos cambiantes, dinámicos y desestructurados. Por eso, el desarrollo de la robótica debe pasar por dotar a los sistemas de capacidad de adaptación a las circunstancias, de entendedimiento sobre los cambios observados y de flexibilidad a la hora de interactuar con el entorno. Estas son las caracteristicas propias de la interacción del ser humano con su entorno, las que le permiten sobrevivir y las que pueden proporcionar a un sistema inteligencia y capacidad suficientes para desenvolverse en un entorno real de forma autónoma e independiente. Esta adaptabilidad es especialmente importante en el manejo de riesgos e incetidumbres, puesto que es el mecanismo que permite contextualizar y evaluar las amenazas para proporcionar una respuesta adecuada. Así, por ejemplo, cuando una persona se mueve e interactua con su entorno, no evalúa los obstáculos en función de su posición, velocidad o dinámica (como hacen los sistemas robóticos tradicionales), sino mediante la estimación del riesgo potencial que estos elementos suponen para la persona. Esta evaluación se consigue combinando dos procesos psicofísicos del ser humano: por un lado, la percepción humana analiza los elementos relevantes del entorno, tratando de entender su naturaleza a partir de patrones de comportamiento, propiedades asociadas u otros rasgos distintivos. Por otro lado, como segundo nivel de evaluación, el entendimiento de esta naturaleza permite al ser humano conocer/estimar la relación de los elementos con él mismo, así como sus implicaciones en cuanto a nivel de riesgo se refiere. El establecimiento de estas relaciones semánticas -llamado cognición- es la única forma de definir el nivel de riesgo de manera absoluta y de generar una respuesta adecuada al mismo. No necesariamente proporcional, sino coherente con el riesgo al que se enfrenta. La investigación que presenta esta tesis describe el trabajo realizado para trasladar esta metodología de análisis y funcionamiento a la robótica. Este se ha centrado especialmente en la nevegación de los robots aéreos, diseñando e implementado procedimientos de inspiración humana para garantizar la seguridad de la misma. Para ello se han estudiado y evaluado los mecanismos de percepción, cognición y reacción humanas en relación al manejo de riesgos. También se ha analizado como los estímulos son capturados, procesados y transformados por condicionantes psicológicos, sociológicos y antropológicos de los seres humanos. Finalmente, también se ha analizado como estos factores motivan y descandenan las reacciones humanas frente a los peligros. Como resultado de este estudio, todos estos procesos, comportamientos y condicionantes de la conducta humana se han reproducido en un framework que se ha estructurado basadandose en factores análogos. Este emplea el conocimiento obtenido experimentalmente en forma de algoritmos, técnicas y estrategias, emulando el comportamiento humano en las mismas circunstancias. Diseñado, implementeado y validado tanto en simulación como con datos reales, este framework propone una manera innovadora -tanto en metodología como en procedimiento- de entender y reaccionar frente a las amenazas potenciales de una misión robótica. ABSTRACT Robotics has undergone a great revolution in the last decades. Nowadays this technology is able to perform really complex tasks with a high degree of accuracy and speed, however this is only true in precisely defined situations with fully controlled variables. Since the real world is dynamic, changing and unstructured, flexible and non context-dependent systems are required. The ability to understand situations, acknowledge changes and balance reactions is required by robots to successfully interact with their surroundings in a fully autonomous fashion. In fact, it is those very processes that define human interactions with the environment. Social relationships, driving or risk/incertitude management... in all these activities and systems, context understanding and adaptability are what allow human beings to survive: contrarily to the traditional robotics, people do not evaluate obstacles according to their position but according to the potential risk their presence imply. In this sense, human perception looks for information which goes beyond location, speed and dynamics (the usual data used in traditional obstacle avoidance systems). Specific features in the behaviour of a particular element allows the understanding of that element’s nature and therefore the comprehension of the risk posed by it. This process defines the second main difference between traditional obstacle avoidance systems and human behaviour: the ability to understand a situation/scenario allows to get to know the implications of the elements and their relationship with the observer. Establishing these semantic relationships -named cognition- is the only way to estimate the actual danger level of an element. Furthermore, only the application of this knowledge allows the generation of coherent, suitable and adjusted responses to deal with any risk faced. The research presented in this thesis summarizes the work done towards translating these human cognitive/reasoning procedures to the field of robotics. More specifically, the work done has been focused on employing human-based methodologies to enable aerial robots to navigate safely. To this effect, human perception, cognition and reaction processes concerning risk management have been experimentally studied; as well as the acquisition and processing of stimuli. How psychological, sociological and anthropological factors modify, balance and give shape to those stimuli has been researched. And finally, the way in which these factors motivate the human behaviour according to different mindsets and priorities has been established. This associative workflow has been reproduced by establishing an equivalent structure and defining similar factors and sources. Besides, all the knowledge obtained experimentally has been applied in the form of algorithms, techniques and strategies which emulate the analogous human behaviours. As a result, a framework capable of understanding and reacting in response to stimuli has been implemented and validated.

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.

Sistema multiplataforma de gestión integral de huertos urbanos

En este Proyecto Fin de Grado se construirá una herramienta de gestión integral de centros hortícolas donde una serie de huertos cuidados por personas en situación de discapacidad son alquilados a terceros. Esta iniciativa se lleva a cabo gracias a la iniciativa “La Huerta de Montecarmelo” de la Fundación Carmen Pardo-Valcarce de Madrid. Este proyecto es el resultado de la colaboración entre la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sistemas Informáticos y la Fundación, a través de un programa de Prácticas Externas que duró doce meses. Por una parte, tras años de trabajo en esta Obra Social, se encontró que muchos de los clientes, pasado el verano, se desvinculaban de las tareas y del medio. A fin de solucionar esos problemas, se propuso construir una aplicación web, comunicada con otros dispositivos, como Smartphones, permitiendo un flujo de trabajo más ágil y notificando a los arrendatarios de cada cambio en sus huertos, por ejemplo: fotos recientes, notificaciones de recolecta o futuros cursos. El proyecto se llevó a cabo con éxito a lo largo de 2012 y 2013. Abstract In this Final Degree Project we build a complete horticulture center management tool where a set of gardens, which are kept by people with disabilities, are leased to third parties. This project is carried out within the La Huerta Montecarmelo initiative of the Carmen Pardo-Valcarce Foundation in Madrid. The project was the result of collaboration between the School of Computer Systems Engineering of the Technical University of Madrid and that Foundation through an External Practices program that lasted twelve months. By one hand, over the years of Social Work in this initiative, it was found that some clients after spring were easily disconnected from the tasks involved to the garden. By the other, all the management of more than two hundred of gardens becomes a very complex task due to lots of paperwork. To solve these problems and more, we proposed to build a web application, relying on other devices, such as Smartphones, allowing a more agile workflow and notifying customers of any change related to its garden, for example: recent photographs, notifications of harvest or future courses. The project was successfully carried out throughout 2012 and 2013.