A cyber-physical approach to combined HW-SW monitoring for improving energy efficiency in data centers

High-Performance Computing, Cloud computing and next-generation applications such e-Health or Smart Cities have dramatically increased the computational demand of Data Centers. The huge energy consumption, increasing levels of CO2 and the economic costs of these facilities represent a challenge for industry and researchers alike. Recent research trends propose the usage of holistic optimization techniques to jointly minimize Data Center computational and cooling costs from a multilevel perspective. This paper presents an analysis on the parameters needed to integrate the Data Center in a holistic optimization framework and leverages the usage of Cyber-Physical systems to gather workload, server and environmental data via software techniques and by deploying a non-intrusive Wireless Sensor Net- work (WSN). This solution tackles data sampling, retrieval and storage from a reconfigurable perspective, reducing the amount of data generated for optimization by a 68% without information loss, doubling the lifetime of the WSN nodes and allowing runtime energy minimization techniques in a real scenario.

Usando Kinect como sensor para una pulverización inteligente.

Este trabajo esta orientado a resolver el problema de la caracterización de la copa de arboles frutales para la aplicacion localizada de fitosanitarios. Esta propuesta utiliza un mapa de profundidad (Depth image) y una imagen RGB combinadas (RGB-D), proporcionados por el sensor Kinect de Microsoft, para aplicar pesticidas de forma localizada. A través del mapa de profundidad se puede estimar la densidad de la copa y a partir de esta información determinar qué boquillas se deben abrir en cada momento. Se desarrollaron algoritmos implementados en Matlab que permiten además de la adquisición de las imágenes RGB-D, aplicar plaguicidas sólo a hojas y/o frutos según se desee. Estos algoritmos fueron implementados en un software que se comunica con el entorno de desarrollo "Kinect Windows SDK", encargado de extraer las imágenes desde el sensor Kinect. Por otra parte, para identificar hojas, se implementaron algoritmos de clasificación e identificación. Los algoritmos de clasificación utilizados fueron "Fuzzy C-Means con Gustafson Kessel" (FCM-GK) y "K-Means". Los centroides o prototipos de cada clase generados por FCM-GK fueron usados como semilla para K-Means, para acelerar la convergencia del algoritmo y mantener la coherencia temporal en los grupos generados por K-Means. Los algoritmos de clasificación fueron aplicados sobre las imágenes transformadas al espacio de color L*a*b*; específicamente se emplearon los canales a*, b* (canales cromáticos) con el fin de reducir el efecto de la luz sobre los colores. Los algoritmos de clasificación fueron configurados para buscar cuatro grupos: hojas, porosidad, frutas y tronco. Una vez que el clasificador genera los prototipos de los grupos, un clasificador denominado Máquina de Soporte Vectorial, que utiliza como núcleo una función Gaussiana base radial, identifica la clase de interés (hojas). La combinación de estos algoritmos ha mostrado bajos errores de clasificación, rendimiento del 4% de error en la identificación de hojas. Además, estos algoritmos de procesamiento de hasta 8.4 imágenes por segundo, lo que permite su aplicación en tiempo real. Los resultados demuestran la viabilidad de utilizar el sensor "Kinect" para determinar dónde y cuándo aplicar pesticidas. Por otra parte, también muestran que existen limitaciones en su uso, impuesta por las condiciones de luz. En otras palabras, es posible usar "Kinect" en exteriores, pero durante días nublados, temprano en la mañana o en la noche con iluminación artificial, o añadiendo un parasol en condiciones de luz intensa.

Desarrollo de un compilador para el lenguaje de especificación de eventos en series temporales TESL

Este Trabajo de Fin de Grado recoge el diseño e implementación de un compilador y una librería de entorno de ejecución para el lenguaje específico del dominio TESL, un lenguaje de alto nivel para el análisis de series temporales diseñado por un grupo de investigación de la Universidad Politécnica de Madrid. Este compilador es el primer compilador completo disponible para TESL y sirve como base para la continuación del desarrollo del lenguaje, estando ideado para permitir su adaptación a cambios en el mismo. El compilador ha sido implementado en Java siguiendo la arquitectura clásica para este tipo de aplicaciones, incluyendo un Analizador Léxico, Sintáctico y Semántico, así como un Generador de Código. Se ha documentado su arquitectura y las decisiones de diseño que han conducido a la misma. Además, se ha demostrado su funcionamiento con un caso práctico de análisis de eventos en métricas de servidores. Por último, se ha documentado el lenguaje TESL, en cuyo desarrollo se ha colaborado. ---ABSTRACT---This Bachelor’s Thesis describes the design and implementation of a compiler and a runtime library for the domain-specific language TESL, a high-level language for analyzing time series events developed by a research group from the Technical University of Madrid. This is the first fully implemented TESL compiler, and serves as basis for the continuation of the development of the language. The compiler has been implemented in Java following the classical architecture for this kind of systems, having a four phase compilation with a Lexer, a Parser, a Semantic Analyzer and a Code Generator. Its architecture and the design decisions that lead to it have been documented. Its use has been demonstrated in an use-case in the domain of server metrics. Finally, the TESL language itself has been extended and documented.

Magnificador basado en teléfono móvil: función de magnificación

En este Trabajo fin de Grado se ha creado la parte funcional de una aplicación móvil dejando la parte de la interfaz libre para su futura implementación. La aplicación es un magnificador y está destinada a aquellas personas con baja visión, permitiéndoles hacer aumento de imágenes y textos capturados por la cámara del dispositivo, con la posibilidad de que puedan cambiar algunos parámetros de la magnificación para poderlo ver mejor. La parte funcional de la aplicación fue nombrada como librería magnificador, ya que se compone de métodos implementados en Java que permiten hacer diferentes modificaciones de la imagen o del video visualizado. Se cubrieron todas las fases de desarrollo más significativas de un sistema software: análisis, diseño, implementación y pruebas. La aplicación se desarrolló para Android. Se trabajó en Eclipse con Android SDK. Para el procesamiento de las imágenes se aprovechó una librería externa, OpenCV, para evitar “inventar la rueda”, es decir, no escribir algoritmos de transformación de las imágenes que seguramente no podrían ser tan eficientes como los implementados en dicha librería creada por Intel. ---ABSTRACT---In this Final Project, the functional part of mobile phone application was created, leaving the interface parte for future implementation. The application is a magnifier and is oriented to people with very low vision allowing them to enlarge images of printed documents captured by the camera of the mobile phone device, with the possibility that they can change some parameters of magnification so that it can see better. The functional part of this application was named magnifier library because it composes of methods, implemented in Java, that allows changing between different modes of the preview of the image or video. All of the most significant phases of software development were satisfied: analysis, design, implementation and tests. The application was created for Android. The work was done in Eclipse with Android SDK plugin. For the image processing, an external library, OpenCv, was used, to avoid the unreachable intent of creation of effective algorithms that would never be so potent like the implemented in this library created by Intel.

Análisis de la distribución espacial de los parámetros acústicos en recintos

El principal objetivo de este estudio es la evaluación de la distribución espacial de los parámetros acústicos en un recinto a través de la aplicación de técnicas geoestadísticas como el método Kriging. Mediante el uso de la herramienta de análisis espacial ArcMap, perteneciente a la plataforma ArcGIS, se ha analizado el comportamiento acústico del Salón de Actos común a la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación (ETSIST) y la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sistemas Informáticos (ETSISI), ambas situadas en el Campus Sur de la Universidad Politécnica de Madrid. Se han realizado mediciones in-situ del recinto no ocupado utilizando la herramienta de medición DIRAC Room Acoustics y el método de la respuesta impulsiva integrada, extrayéndose los parámetros acústicos de tiempo de reverberación (RT), tiempo de reverberación inicial (EDT), fuerza sonora relativa (Grel), claridad (C80), tiempo central (Ts), definición (D50) e Índice de Transmisión Rápida de la Palabra (RASTI). Se ha analizado la adecuación de los valores observados de Grel, C80 y Ts al modelo teórico de Barron y estimado, mediante el método Kriging Ordinario, el conjunto de parámetros medidos en el recinto, obteniéndose los semivariograma y mapas de estimación correspondientes. Además, se ha evaluado la calidad de la estimación en base a un número de puntos de medición reducido. A la vista de los resultados obtenidos, en general, el método Kriging puede considerarse un buen interpolador de los parámetros acústicos en un recinto, observándose que los parámetros que evalúan relaciones energéticas, especialmente la fuerza sonora relativa (Grel) proporcionan mejores estimaciones en comparación con aquellos relacionados con la reverberación y la inteligibilidad del habla. El coeficiente de determinación (R2) constituye una medida útil para evaluar la precisión de la estimación. Además, la entropía de los datos observados puede ser un buen indicador a priori de la precisión de la estimación. Asimismo, se ha demostrado que, basándose en un reducido número de puntos de medición, es posible obtener una estimación precisa de los parámetros acústicos de fuerza sonora relativa (Grel) y tiempo central (Ts). ABSTRACT. This project aims to evaluate the feasibility of using geostatistical techniques such as Kriging on the analysis of the spatial distribution of the acoustic parameters in rooms. The acoustic behaviour of the Assembly Hall of the ETSIST and ETSISI (Universidad Politécnica de Madrid) is investigated using ArcMap, which is the main component of ArcGIS suite of geospatial processing programs. For this purpose, in-situ acoustic measurements are carried out in the unoccupied room using DIRAC Room Acoustics software. The following acoustic parameters are measured by means of the integrated impulse response method for further examination: Reverberation Time (RT), Early Decay Time (EDT), Relative Strength (Grel), Clarity (C80), Centre Time (Ts), Definition (D50) and Rapid Speech Transmission Index (RASTI). Goodness-of-fit of measured Grel, C80 and Ts values to Barron’s theory is determined and Ordinary Kriging is applied to all the measured parameters in order to calculate the semivariogram and prediction surfaces. The prediction performance is also analysed when significantly fewer receiver positions are used for the prediction. The experimental results obtained lead to conclude that Kriging can be successfully applied to room acoustics. Energy\based acoustic parameters can be estimated with higher accuracy compared to those related to reverberation and speech intelligibility. Coefficient of determination (R2) is a reliable statistic for assessing the prediction accuracy, for which measured data entropy can also be a good a priori indicator. Furthermore, based on fewer receiver positions, it is demonstrated that accurate predictions of Grel and Ts can be achieved.

Comparativa con técnicas GNNS y Mobile Mapping de un inventario de elementos físicos y geométricos.

El proyecto trata de realizar una comparativa de dos metodologías mediante la realización de un inventario, una metodología clásica como es la metodología GNSS y la metodología Mobile Mapping. El inventario se realiza en tres escenarios distintos, un escenario es una zona verde, una zona urbana y una zona interurbana. La zona verde es el Parque Central de Tres Cantos, la zona urbano es una zona de viviendas unifamiliares deTres Cantos y la zona interurbana es tramo de la carretera M-618 que une los municipios de Colmenar Viejo y Hoyo de manzanares. Para la metodología GNSS se ha utilizado un receptor GRS-1 y para la metodología Mobile Mapping se ha utilizado el sistema IP-S2 Compact+. Con la realización de este inventario se pretende poder comparar los posibles casos que hay en tres escenarios distintos, estudiando los tiempos que se tarda en realizar un inventario con cada metodología, así como los costes que suponen. Los datos obtenidos por cada equipo se exportan en fichero Shapfile para poder abrirlos en ArcGIS y así poder realizar la comparativa. Para finalizar el proyecto y con los conocimientos adquiridos en esta materia se obtienen una conclusiones referidas al trabajo realizado con cada equipo.

Estudio de visibilidad en carreteras usando modelos digitales de elevación de alta resolución

El estudio de la distancia de visibilidad disponible en carreteras es de gran importancia para la seguridad vial. Los Mobile Mapping Systems (MMS) permiten capturar los elementos de las carreteras existentes y su entorno con alta resolución y rendimiento, obteniendo nubes de puntos 3D (LIDAR) con precisión centimétrica y fotografías panorámicas. El tratamiento de la ingente cantidad de datos que estos equipos proporcionan se ha efectuado con herramientas específicas de tratamiento de datos LIDAR y de ESRI. El cálculo de la distancia de visibilidad disponible se ha realizado mediante una aplicación que funciona sobre ArcGIS. Todo ello permite estimar la distancia de visibilidad disponible con gran precisión, utilizando tanto modelos digitales del terreno como de superficie, de manera que es posible analizar la influencia que tienen la vegetación y otros elementos de las márgenes. Se describen las técnicas utilizadas y su aplicación práctica a una carretera de la Comunidad de Madrid.

A Special Perturbation Method in Orbital Dynamics

Bead models are used in dynamical simulation of tethers. These models discretize a cable using beads distributed along its length. The time evolution is obtained nu- merically. Typically the number of particles ranges between 5 and 50, depending on the required accuracy. Sometimes the simulation is extended over long periods (several years). The complex interactions between the cable and its spatial environment require to optimize the propagators —both in runtime and precisión that constitute the central core of the process. The special perturbation method treated on this article conjugates simpleness of computer implementation, speediness and precision, and is capable to propagate the orbit of whichever material particle. The paper describes the evolution of some orbital elements, which are constants in a non-perturbed problem, but which evolve in the time scale imposed by the perturbation. It can be used with any kind of orbit and it is free of sin- gularities related to small inclination and/or small eccentricity. The use of Euler parameters makes it robust.

Towards a unified sentiment lexicon based on graphics processing units

This paper presents an approach to create what we have called a Unified Sentiment Lexicon (USL). This approach aims at aligning, unifying, and expanding the set of sentiment lexicons which are available on the web in order to increase their robustness of coverage. One problem related to the task of the automatic unification of different scores of sentiment lexicons is that there are multiple lexical entries for which the classification of positive, negative, or neutral {P, Z, N} depends on the unit of measurement used in the annotation methodology of the source sentiment lexicon. Our USL approach computes the unified strength of polarity of each lexical entry based on the Pearson correlation coefficient which measures how correlated lexical entries are with a value between 1 and -1, where 1 indicates that the lexical entries are perfectly correlated, 0 indicates no correlation, and -1 means they are perfectly inversely correlated and so is the UnifiedMetrics procedure for CPU and GPU, respectively. Another problem is the high processing time required for computing all the lexical entries in the unification task. Thus, the USL approach computes a subset of lexical entries in each of the 1344 GPU cores and uses parallel processing in order to unify 155802 lexical entries. The results of the analysis conducted using the USL approach show that the USL has 95.430 lexical entries, out of which there are 35.201 considered to be positive, 22.029 negative, and 38.200 neutral. Finally, the runtime was 10 minutes for 95.430 lexical entries; this allows a reduction of the time computing for the UnifiedMetrics by 3 times.

Leakage-aware cooling management for improving server energy efficiency

The computational and cooling power demands of enterprise servers are increasing at an unsustainable rate. Understanding the relationship between computational power, temperature, leakage, and cooling power is crucial to enable energy-efficient operation at the server and data center levels. This paper develops empirical models to estimate the contributions of static and dynamic power consumption in enterprise servers for a wide range of workloads, and analyzes the interactions between temperature, leakage, and cooling power for various workload allocation policies. We propose a cooling management policy that minimizes the server energy consumption by setting the optimum fan speed during runtime. Our experimental results on a presently shipping enterprise server demonstrate that including leakage awareness in workload and cooling management provides additional energy savings without any impact on performance.

Contributions to the Resilience Management in the Internet of Things

El auge del "Internet de las Cosas" (IoT, "Internet of Things") y sus tecnologías asociadas han permitido su aplicación en diversos dominios de la aplicación, entre los que se encuentran la monitorización de ecosistemas forestales, la gestión de catástrofes y emergencias, la domótica, la automatización industrial, los servicios para ciudades inteligentes, la eficiencia energética de edificios, la detección de intrusos, la gestión de desastres y emergencias o la monitorización de señales corporales, entre muchas otras. La desventaja de una red IoT es que una vez desplegada, ésta queda desatendida, es decir queda sujeta, entre otras cosas, a condiciones climáticas cambiantes y expuestas a catástrofes naturales, fallos de software o hardware, o ataques maliciosos de terceros, por lo que se puede considerar que dichas redes son propensas a fallos. El principal requisito de los nodos constituyentes de una red IoT es que estos deben ser capaces de seguir funcionando a pesar de sufrir errores en el propio sistema. La capacidad de la red para recuperarse ante fallos internos y externos inesperados es lo que se conoce actualmente como "Resiliencia" de la red. Por tanto, a la hora de diseñar y desplegar aplicaciones o servicios para IoT, se espera que la red sea tolerante a fallos, que sea auto-configurable, auto-adaptable, auto-optimizable con respecto a nuevas condiciones que puedan aparecer durante su ejecución. Esto lleva al análisis de un problema fundamental en el estudio de las redes IoT, el problema de la "Conectividad". Se dice que una red está conectada si todo par de nodos en la red son capaces de encontrar al menos un camino de comunicación entre ambos. Sin embargo, la red puede desconectarse debido a varias razones, como que se agote la batería, que un nodo sea destruido, etc. Por tanto, se hace necesario gestionar la resiliencia de la red con el objeto de mantener la conectividad entre sus nodos, de tal manera que cada nodo IoT sea capaz de proveer servicios continuos, a otros nodos, a otras redes o, a otros servicios y aplicaciones. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis doctoral se centra en el estudio del problema de conectividad IoT, más concretamente en el desarrollo de modelos para el análisis y gestión de la Resiliencia, llevado a la práctica a través de las redes WSN, con el fin de mejorar la capacidad la tolerancia a fallos de los nodos que componen la red. Este reto se aborda teniendo en cuenta dos enfoques distintos, por una parte, a diferencia de otro tipo de redes de dispositivos convencionales, los nodos en una red IoT son propensos a perder la conexión, debido a que se despliegan en entornos aislados, o en entornos con condiciones extremas; por otra parte, los nodos suelen ser recursos con bajas capacidades en términos de procesamiento, almacenamiento y batería, entre otros, por lo que requiere que el diseño de la gestión de su resiliencia sea ligero, distribuido y energéticamente eficiente. En este sentido, esta tesis desarrolla técnicas auto-adaptativas que permiten a una red IoT, desde la perspectiva del control de su topología, ser resiliente ante fallos en sus nodos. Para ello, se utilizan técnicas basadas en lógica difusa y técnicas de control proporcional, integral y derivativa (PID - "proportional-integral-derivative"), con el objeto de mejorar la conectividad de la red, teniendo en cuenta que el consumo de energía debe preservarse tanto como sea posible. De igual manera, se ha tenido en cuenta que el algoritmo de control debe ser distribuido debido a que, en general, los enfoques centralizados no suelen ser factibles a despliegues a gran escala. El presente trabajo de tesis implica varios retos que conciernen a la conectividad de red, entre los que se incluyen: la creación y el análisis de modelos matemáticos que describan la red, una propuesta de sistema de control auto-adaptativo en respuesta a fallos en los nodos, la optimización de los parámetros del sistema de control, la validación mediante una implementación siguiendo un enfoque de ingeniería del software y finalmente la evaluación en una aplicación real. Atendiendo a los retos anteriormente mencionados, el presente trabajo justifica, mediante una análisis matemático, la relación existente entre el "grado de un nodo" (definido como el número de nodos en la vecindad del nodo en cuestión) y la conectividad de la red, y prueba la eficacia de varios tipos de controladores que permiten ajustar la potencia de trasmisión de los nodos de red en respuesta a eventuales fallos, teniendo en cuenta el consumo de energía como parte de los objetivos de control. Así mismo, este trabajo realiza una evaluación y comparación con otros algoritmos representativos; en donde se demuestra que el enfoque desarrollado es más tolerante a fallos aleatorios en los nodos de la red, así como en su eficiencia energética. Adicionalmente, el uso de algoritmos bioinspirados ha permitido la optimización de los parámetros de control de redes dinámicas de gran tamaño. Con respecto a la implementación en un sistema real, se han integrado las propuestas de esta tesis en un modelo de programación OSGi ("Open Services Gateway Initiative") con el objeto de crear un middleware auto-adaptativo que mejore la gestión de la resiliencia, especialmente la reconfiguración en tiempo de ejecución de componentes software cuando se ha producido un fallo. Como conclusión, los resultados de esta tesis doctoral contribuyen a la investigación teórica y, a la aplicación práctica del control resiliente de la topología en redes distribuidas de gran tamaño. Los diseños y algoritmos presentados pueden ser vistos como una prueba novedosa de algunas técnicas para la próxima era de IoT. A continuación, se enuncian de forma resumida las principales contribuciones de esta tesis: (1) Se han analizado matemáticamente propiedades relacionadas con la conectividad de la red. Se estudia, por ejemplo, cómo varía la probabilidad de conexión de la red al modificar el alcance de comunicación de los nodos, así como cuál es el mínimo número de nodos que hay que añadir al sistema desconectado para su re-conexión. (2) Se han propuesto sistemas de control basados en lógica difusa para alcanzar el grado de los nodos deseado, manteniendo la conectividad completa de la red. Se han evaluado diferentes tipos de controladores basados en lógica difusa mediante simulaciones, y los resultados se han comparado con otros algoritmos representativos. (3) Se ha investigado más a fondo, dando un enfoque más simple y aplicable, el sistema de control de doble bucle, y sus parámetros de control se han optimizado empleando algoritmos heurísticos como el método de la entropía cruzada (CE, "Cross Entropy"), la optimización por enjambre de partículas (PSO, "Particle Swarm Optimization"), y la evolución diferencial (DE, "Differential Evolution"). (4) Se han evaluado mediante simulación, la mayoría de los diseños aquí presentados; además, parte de los trabajos se han implementado y validado en una aplicación real combinando técnicas de software auto-adaptativo, como por ejemplo las de una arquitectura orientada a servicios (SOA, "Service-Oriented Architecture"). ABSTRACT The advent of the Internet of Things (IoT) enables a tremendous number of applications, such as forest monitoring, disaster management, home automation, factory automation, smart city, etc. However, various kinds of unexpected disturbances may cause node failure in the IoT, for example battery depletion, software/hardware malfunction issues and malicious attacks. So, it can be considered that the IoT is prone to failure. The ability of the network to recover from unexpected internal and external failures is known as "resilience" of the network. Resilience usually serves as an important non-functional requirement when designing IoT, which can further be broken down into "self-*" properties, such as self-adaptive, self-healing, self-configuring, self-optimization, etc. One of the consequences that node failure brings to the IoT is that some nodes may be disconnected from others, such that they are not capable of providing continuous services for other nodes, networks, and applications. In this sense, the main objective of this dissertation focuses on the IoT connectivity problem. A network is regarded as connected if any pair of different nodes can communicate with each other either directly or via a limited number of intermediate nodes. More specifically, this thesis focuses on the development of models for analysis and management of resilience, implemented through the Wireless Sensor Networks (WSNs), which is a challenging task. On the one hand, unlike other conventional network devices, nodes in the IoT are more likely to be disconnected from each other due to their deployment in a hostile or isolated environment. On the other hand, nodes are resource-constrained in terms of limited processing capability, storage and battery capacity, which requires that the design of the resilience management for IoT has to be lightweight, distributed and energy-efficient. In this context, the thesis presents self-adaptive techniques for IoT, with the aim of making the IoT resilient against node failures from the network topology control point of view. The fuzzy-logic and proportional-integral-derivative (PID) control techniques are leveraged to improve the network connectivity of the IoT in response to node failures, meanwhile taking into consideration that energy consumption must be preserved as much as possible. The control algorithm itself is designed to be distributed, because the centralized approaches are usually not feasible in large scale IoT deployments. The thesis involves various aspects concerning network connectivity, including: creation and analysis of mathematical models describing the network, proposing self-adaptive control systems in response to node failures, control system parameter optimization, implementation using the software engineering approach, and evaluation in a real application. This thesis also justifies the relations between the "node degree" (the number of neighbor(s) of a node) and network connectivity through mathematic analysis, and proves the effectiveness of various types of controllers that can adjust power transmission of the IoT nodes in response to node failures. The controllers also take into consideration the energy consumption as part of the control goals. The evaluation is performed and comparison is made with other representative algorithms. The simulation results show that the proposals in this thesis can tolerate more random node failures and save more energy when compared with those representative algorithms. Additionally, the simulations demonstrate that the use of the bio-inspired algorithms allows optimizing the parameters of the controller. With respect to the implementation in a real system, the programming model called OSGi (Open Service Gateway Initiative) is integrated with the proposals in order to create a self-adaptive middleware, especially reconfiguring the software components at runtime when failures occur. The outcomes of this thesis contribute to theoretic research and practical applications of resilient topology control for large and distributed networks. The presented controller designs and optimization algorithms can be viewed as novel trials of the control and optimization techniques for the coming era of the IoT. The contributions of this thesis can be summarized as follows: (1) Mathematically, the fault-tolerant probability of a large-scale stochastic network is analyzed. It is studied how the probability of network connectivity depends on the communication range of the nodes, and what is the minimum number of neighbors to be added for network re-connection. (2) A fuzzy-logic control system is proposed, which obtains the desired node degree and in turn maintains the network connectivity when it is subject to node failures. There are different types of fuzzy-logic controllers evaluated by simulations, and the results demonstrate the improvement of fault-tolerant capability as compared to some other representative algorithms. (3) A simpler but more applicable approach, the two-loop control system is further investigated, and its control parameters are optimized by using some heuristic algorithms such as Cross Entropy (CE), Particle Swarm Optimization (PSO), and Differential Evolution (DE). (4) Most of the designs are evaluated by means of simulations, but part of the proposals are implemented and tested in a real-world application by combining the self-adaptive software technique and the control algorithms which are presented in this thesis.

Nueva propuesta de zonificación sísmica en América Central y análisis de sensibilidad en los resultados de amenaza.

En el presente proyecto se propone una nueva zonificación sísmica para América Central, a partir de la cual se ha realizado el cálculo de peligrosidad sísmica a nivel regional. Dicha zonificación y el posterior cálculo de peligrosidad desarrollado se presentan como actualización de los resultados del estudio previo desarrollado para la región (Benito et al., 2012), realizando asimismo la comparación entre los resultados de ambos estudios. En primer lugar se ha realizado la revisión de la zonificación existente, modificando la geometría de algunas zonas en base al conocimiento generado en los últimos años sobre todo en lo que se refiere a la geometría de la subducción,que varía de ángulo a lo largo de la trinchera Mesoamericana. Ello conlleva, a su vez, cambios en la sismicidad asignada a las zonas corticales y de subducción interfase. Los cambios y ajustes entre zonas se realizaron contando con el consenso de diferentes expertos en la materia y en colaboración con el Dr. Guillermo Alvarado, vulcanólogo del Instituto Costarricense de Electricidad (ICE), que desarrolló una estancia en Madrid, para trabajar con el Grupo de Investigación de Ingeniería Sísmica de la UPM (GIIS) en noviembre de 2014. Para la propuesta de nueva zonificación, se ha partido del catálogo sísmico depurado hasta 2011, completo y homogeneizado a magnitud momento, Mw. Dicho catálogo recoge una gran actividad sísmica y fue confeccionado dentro del proyecto RESIS II, en el cual participó el Grupo de Ingeniería Sísmica. Se ha seleccionado de dicho catálogo la sismicidad registrada en las nuevas zonas sismogenéticas propuestas y se han calculado los parámetros sísmicos de cada zona: la tasa acumulada de ocurrencia de terremotos, la magnitud máxima y el parámetro beta. Se ha considerado que la sismicidad se ajusta al modelo de recurrencia de Gutenberg-Richter, el cual establece una proporción constante entre el número de sismos grandes y pequeños para una determinada zona. Para la estimación de los parámetros sísmicos se ha utilizado el software Expel, desarrollado por el Grupo de Investigación de Ingeniería Sísmica de la UPM. Utilizando las zonas sismogenéticas propuestas y sus parámetros sísmicos,se ha calculado la amenaza sísmica en toda la región de Centroamérica, evaluada en cada punto como la probabilidad de que el movimiento del suelo exceda valores de aceleración prefijados, y obteniendo así la curva de peligrosidad en puntos de una malla cubriendo la región de estudio. Los cálculos han sido realizados empleando el software específico de peligrosidad sísmica CRISIS 2014. Los resultados se presentan en mapas de peligrosidad obtenidos para diferentes periodos de retorno en términos de aceleración pico (PGA), así como de otras aceleraciones espectrales SA (T) para diversos periodos estructurales T en el rango de 0,1 a 2 s. Para el diseño de los mapas se ha utilizado el software ArcGIS 10.1. Adicionalmente, se ha realizado un análisis de sensibilidad en los resultados ante diferentes propuestas de profundidad de la zonificación interfase,estudiando así el impacto de dichos cambios en los parámetros sísmicos de las zonas y en los resultados del cálculo de la peligrosidad. Finalmente, se han comparado los resultados obtenidos en este trabajo (tanto los parámetros sísmicos de la nueva zonificación como las aceleraciones resultantes del estudio de peligrosidad) con los resultados pertenecientes al estudio recogido en el libro Amenaza Sísmica en América Central de Benito et al.(2010), y en la posterior publicación de Benito et al. (2012), analizando así las principales diferencias entre ambos.

Spatial analysis of geometric design consistency and road sight distance

Because of the high number of crashes occurring on highways, it is necessary to intensify the search for new tools that help in understanding their causes. This research explores the use of a geographic information system (GIS) for an integrated analysis, taking into account two accident-related factors: design consistency (DC) (based on vehicle speed) and available sight distance (ASD) (based on visibility). Both factors require specific GIS software add-ins, which are explained. Digital terrain models (DTMs), vehicle paths, road centerlines, a speed prediction model, and crash data are integrated in the GIS. The usefulness of this approach has been assessed through a study of more than 500 crashes. From a regularly spaced grid, the terrain (bare ground) has been modeled through a triangulated irregular network (TIN). The length of the roads analyzed is greater than 100 km. Results have shown that DC and ASD could be related to crashes in approximately 4% of cases. In order to illustrate the potential of GIS, two crashes are fully analyzed: a car rollover after running off road on the right side and a rear-end collision of two moving vehicles. Although this procedure uses two software add-ins that are available only for ArcGIS, the study gives a practical demonstration of the suitability of GIS for conducting integrated studies of road safety.

Development and implementation of an air quality integrated assessment modelling system for the Iberian Peninsula

La mejora de la calidad del aire es una tarea eminentemente interdisciplinaria. Dada la gran variedad de ciencias y partes involucradas, dicha mejora requiere de herramientas de evaluación simples y completamente integradas. La modelización para la evaluación integrada (integrated assessment modeling) ha demostrado ser una solución adecuada para la descripción de los sistemas de contaminación atmosférica puesto que considera cada una de las etapas involucradas: emisiones, química y dispersión atmosférica, impactos ambientales asociados y potencial de disminución. Varios modelos de evaluación integrada ya están disponibles a escala continental, cubriendo cada una de las etapas antesmencionadas, siendo el modelo GAINS (Greenhouse Gas and Air Pollution Interactions and Synergies) el más reconocido y usado en el contexto europeo de toma de decisiones medioambientales. Sin embargo, el manejo de la calidad del aire a escala nacional/regional dentro del marco de la evaluación integrada es deseable. Esto sin embargo, no se lleva a cabo de manera satisfactoria con modelos a escala europea debido a la falta de resolución espacial o de detalle en los datos auxiliares, principalmente los inventarios de emisión y los patrones meteorológicos, entre otros. El objetivo de esta tesis es presentar los desarrollos en el diseño y aplicación de un modelo de evaluación integrada especialmente concebido para España y Portugal. El modelo AERIS (Atmospheric Evaluation and Research Integrated system for Spain) es capaz de cuantificar perfiles de concentración para varios contaminantes (NO2, SO2, PM10, PM2,5, NH3 y O3), el depósito atmosférico de especies de azufre y nitrógeno así como sus impactos en cultivos, vegetación, ecosistemas y salud como respuesta a cambios porcentuales en las emisiones de sectores relevantes. La versión actual de AERIS considera 20 sectores de emisión, ya sea equivalentes a sectores individuales SNAP o macrosectores, cuya contribución a los niveles de calidad del aire, depósito e impactos han sido modelados a través de matrices fuentereceptor (SRMs). Estas matrices son constantes de proporcionalidad que relacionan cambios en emisiones con diferentes indicadores de calidad del aire y han sido obtenidas a través de parametrizaciones estadísticas de un modelo de calidad del aire (AQM). Para el caso concreto de AERIS, su modelo de calidad del aire “de origen” consistió en el modelo WRF para la meteorología y en el modelo CMAQ para los procesos químico-atmosféricos. La cuantificación del depósito atmosférico, de los impactos en ecosistemas, cultivos, vegetación y salud humana se ha realizado siguiendo las metodologías estándar establecidas bajo los marcos internacionales de negociación, tales como CLRTAP. La estructura de programación está basada en MATLAB®, permitiendo gran compatibilidad con software típico de escritorio comoMicrosoft Excel® o ArcGIS®. En relación con los niveles de calidad del aire, AERIS es capaz de proveer datos de media anual y media mensual, así como el 19o valor horario más alto paraNO2, el 25o valor horario y el 4o valor diario más altos para SO2, el 36o valor diario más alto para PM10, el 26o valor octohorario más alto, SOMO35 y AOT40 para O3. En relación al depósito atmosférico, el depósito acumulado anual por unidad de area de especies de nitrógeno oxidado y reducido al igual que de azufre pueden ser determinados. Cuando los valores anteriormente mencionados se relacionan con características del dominio modelado tales como uso de suelo, cubiertas vegetales y forestales, censos poblacionales o estudios epidemiológicos, un gran número de impactos puede ser calculado. Centrándose en los impactos a ecosistemas y suelos, AERIS es capaz de estimar las superaciones de cargas críticas y las superaciones medias acumuladas para especies de nitrógeno y azufre. Los daños a bosques se calculan como una superación de los niveles críticos de NO2 y SO2 establecidos. Además, AERIS es capaz de cuantificar daños causados por O3 y SO2 en vid, maíz, patata, arroz, girasol, tabaco, tomate, sandía y trigo. Los impactos en salud humana han sido modelados como consecuencia de la exposición a PM2,5 y O3 y cuantificados como pérdidas en la esperanza de vida estadística e indicadores de mortalidad prematura. La exactitud del modelo de evaluación integrada ha sido contrastada estadísticamente con los resultados obtenidos por el modelo de calidad del aire convencional, exhibiendo en la mayoría de los casos un buen nivel de correspondencia. Debido a que la cuantificación de los impactos no es llevada a cabo directamente por el modelo de calidad del aire, un análisis de credibilidad ha sido realizado mediante la comparación de los resultados de AERIS con los de GAINS para un escenario de emisiones determinado. El análisis reveló un buen nivel de correspondencia en las medias y en las distribuciones probabilísticas de los conjuntos de datos. Las pruebas de verificación que fueron aplicadas a AERIS sugieren que los resultados son suficientemente consistentes para ser considerados como razonables y realistas. En conclusión, la principal motivación para la creación del modelo fue el producir una herramienta confiable y a la vez simple para el soporte de las partes involucradas en la toma de decisiones, de cara a analizar diferentes escenarios “y si” con un bajo coste computacional. La interacción con políticos y otros actores dictó encontrar un compromiso entre la complejidad del modeladomedioambiental con el carácter conciso de las políticas, siendo esto algo que AERIS refleja en sus estructuras conceptual y computacional. Finalmente, cabe decir que AERIS ha sido creado para su uso exclusivo dentro de un marco de evaluación y de ninguna manera debe ser considerado como un sustituto de los modelos de calidad del aire ordinarios. ABSTRACT Improving air quality is an eminently inter-disciplinary task. The wide variety of sciences and stakeholders that are involved call for having simple yet fully-integrated and reliable evaluation tools available. Integrated AssessmentModeling has proved to be a suitable solution for the description of air pollution systems due to the fact that it considers each of the involved stages: emissions, atmospheric chemistry, dispersion, environmental impacts and abatement potentials. Some integrated assessment models are available at European scale that cover each of the before mentioned stages, being the Greenhouse Gas and Air Pollution Interactions and Synergies (GAINS) model the most recognized and widely-used within a European policy-making context. However, addressing air quality at the national/regional scale under an integrated assessment framework is desirable. To do so, European-scale models do not provide enough spatial resolution or detail in their ancillary data sources, mainly emission inventories and local meteorology patterns as well as associated results. The objective of this dissertation is to present the developments in the design and application of an Integrated Assessment Model especially conceived for Spain and Portugal. The Atmospheric Evaluation and Research Integrated system for Spain (AERIS) is able to quantify concentration profiles for several pollutants (NO2, SO2, PM10, PM2.5, NH3 and O3), the atmospheric deposition of sulfur and nitrogen species and their related impacts on crops, vegetation, ecosystems and health as a response to percentual changes in the emissions of relevant sectors. The current version of AERIS considers 20 emission sectors, either corresponding to individual SNAP sectors or macrosectors, whose contribution to air quality levels, deposition and impacts have been modeled through the use of source-receptor matrices (SRMs). Thesematrices are proportionality constants that relate emission changes with different air quality indicators and have been derived through statistical parameterizations of an air qualitymodeling system (AQM). For the concrete case of AERIS, its parent AQM relied on the WRF model for meteorology and on the CMAQ model for atmospheric chemical processes. The quantification of atmospheric deposition, impacts on ecosystems, crops, vegetation and human health has been carried out following the standard methodologies established under international negotiation frameworks such as CLRTAP. The programming structure isMATLAB ® -based, allowing great compatibility with typical software such as Microsoft Excel ® or ArcGIS ® Regarding air quality levels, AERIS is able to provide mean annual andmean monthly concentration values, as well as the indicators established in Directive 2008/50/EC, namely the 19th highest hourly value for NO2, the 25th highest daily value and the 4th highest hourly value for SO2, the 36th highest daily value of PM10, the 26th highest maximum 8-hour daily value, SOMO35 and AOT40 for O3. Regarding atmospheric deposition, the annual accumulated deposition per unit of area of species of oxidized and reduced nitrogen as well as sulfur can be estimated. When relating the before mentioned values with specific characteristics of the modeling domain such as land use, forest and crops covers, population counts and epidemiological studies, a wide array of impacts can be calculated. When focusing on impacts on ecosystems and soils, AERIS is able to estimate critical load exceedances and accumulated average exceedances for nitrogen and sulfur species. Damage on forests is estimated as an exceedance of established critical levels of NO2 and SO2. Additionally, AERIS is able to quantify damage caused by O3 and SO2 on grapes, maize, potato, rice, sunflower, tobacco, tomato, watermelon and wheat. Impacts on human health aremodeled as a consequence of exposure to PM2.5 and O3 and quantified as losses in statistical life expectancy and premature mortality indicators. The accuracy of the IAM has been tested by statistically contrasting the obtained results with those yielded by the conventional AQM, exhibiting in most cases a good agreement level. Due to the fact that impacts cannot be directly produced by the AQM, a credibility analysis was carried out for the outputs of AERIS for a given emission scenario by comparing them through probability tests against the performance of GAINS for the same scenario. This analysis revealed a good correspondence in the mean behavior and the probabilistic distributions of the datasets. The verification tests that were applied to AERIS suggest that results are consistent enough to be credited as reasonable and realistic. In conclusion, the main reason thatmotivated the creation of this model was to produce a reliable yet simple screening tool that would provide decision and policy making support for different “what-if” scenarios at a low computing cost. The interaction with politicians and other stakeholders dictated that reconciling the complexity of modeling with the conciseness of policies should be reflected by AERIS in both, its conceptual and computational structures. It should be noted however, that AERIS has been created under a policy-driven framework and by no means should be considered as a substitute of the ordinary AQM.

How should the sustainability of the location of dry ports be measured? A proposed methodology using Bayesian networks and multi-criteria decision analysis

The global economic structure, with its decentralized production and the consequent increase in freight traffic all over the world, creates considerable problems and challenges for the freight transport sector. This situation has led shipping to become the most suitable and cheapest way to transport goods. Thus, ports are configured as nodes with critical importance in the logistics supply chain as a link between two transport systems, sea and land. Increase in activity at seaports is producing three undesirable effects: increasing road congestion, lack of open space in port installations and a significant environmental impact on seaports. These adverse effects can be mitigated by moving part of the activity inland. Implementation of dry ports is a possible solution and would also provide an opportunity to strengthen intermodal solutions as part of an integrated and more sustainable transport chain, acting as a link between road and railway networks. In this sense, implementation of dry ports allows the separation of the links of the transport chain, thus facilitating the shortest possible routes for the lowest capacity and most polluting means of transport. Thus, the decision of where to locate a dry port demands a thorough analysis of the whole logistics supply chain, with the objective of transferring the largest volume of goods possible from road to more energy efficient means of transport, like rail or short-sea shipping, that are less harmful to the environment. However, the decision of where to locate a dry port must also ensure the sustainability of the site. Thus, the main goal of this article is to research the variables influencing the sustainability of dry port location and how this sustainability can be evaluated. With this objective, in this paper we present a methodology for assessing the sustainability of locations by the use of Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA) and Bayesian Networks (BNs). MCDA is used as a way to establish a scoring, whilst BNs were chosen to eliminate arbitrariness in setting the weightings using a technique that allows us to prioritize each variable according to the relationships established in the set of variables. In order to determine the relationships between all the variables involved in the decision, giving us the importance of each factor and variable, we built a K2 BN algorithm. To obtain the scores of each variable, we used a complete cartography analysed by ArcGIS. Recognising that setting the most appropriate location to place a dry port is a geographical multidisciplinary problem, with significant economic, social and environmental implications, we consider 41 variables (grouped into 17 factors) which respond to this need. As a case of study, the sustainability of all of the 10 existing dry ports in Spain has been evaluated. In this set of logistics platforms, we found that the most important variables for achieving sustainability are those related to environmental protection, so the sustainability of the locations requires a great respect for the natural environment and the urban environment in which they are framed.