Relationship between solar radiation on watercore on apple fruit assessed with MRI

This work is a preliminary studio of the possibility of assess a relationship between solar radiation and watercore development on apple fruit, during maturation, using a non destructive method such as Magnetic Resonance Imaging (MRI). For such purpose, several low cost solar radiation sensors were designed for the trial and placed at 2 different heights (1.5 and 2.5 m) on 6 adult ?Esperiega? apple trees, in a commercial orchard in Ademuz (Valencia). Sensors were connected along 27 days, during the end of the growth period and start of the fruit maturation process, and radiation measurements of the a-Si sensors were recorded every 1 minute. At the end of this period, fruits from the upper and the lower part of the canopy of each tree were harvested. In all, 152 apples were collected and images with MRI. A Principal Component Analysis, perfomed over the histograms of the images, as well as segmentation methods were performed on the MR images in order to find a pattern involving solar radiation and watercore incidence.

Assessment of watercore development in apples with MRI: Effect offruit location in the canopy

tWatercore distribution inside apple fruit (block or radial), and its incidence (% of tissue) were relatedto the effect of solar radiation inside the canopy as measured by a set of low-cost irradiation sensors.221 samples were harvested in two seasons from the top and the bottom of the canopy and submittedto the non-invasive and non-destructive technique of magnetic resonance imaging (MRI) in order toobtain 20 inner tomography slices from each fruit and analyze the damaged areas using an interactive3D segmentation method. The number of fruit corresponding to each type of damage and the relevantpercentage were calculated and it was found that apples from the top of the tree were mainly of the radialtype (84%) and had more watercore (approx. 5% more) than apples from the bottom (65% radial). From theimage segmentation, the Euler number, a morphometric parameter, was extracted from the segmentedimages and related to the type of watercore symptoms. Apples with block watercore were grouped inEuler numbers between −400 and 400 with a small evolution. For apples with radial development, theEuler number was highly negative: up to −1439. Significant differences were also found regarding sugarcomposition, with higher fructose and total sugar contents in apples from the upper canopy, compared tothose in the lower canopy location. In the seasons studied (2011 and 2012), significantly higher sorbitoland lower sucrose and fructose contents were found in watercore-affected tissue compared to the healthytissue of affected apples and also compared to healthy apples.

Experimental and numerical investigation of effect of sawn timber dimensions in ultrasonic velocity measurements of Spanish softwoods

Ultrasonic sound velocity measurements with hand-held equipment remain due to their simplicity among the most used methods for non-destructive grading of sawn woods, yet a dedicated normalization effort with respect to strength classes for Spanish species is still required. As part of an ongoing project with the aim of definition of standard testing methods, the effect of the dimensions of commonly tested Scots pine (Pinus sylvestris L.) timbers and equipment testing frequency on ultrasonic velocity were investigated. A dedicated full-wave finite-difference time-domain software allowed simulation of pulse propagation through timbers of representative length and section combinations. Sound velocity measurements vL were performed along the grain with the indirect method at 22 kHz and 45 kHz for grids of measurement points at specific distances. For sample sections larger than the cross-sectional wavelength ?RT, the simulated sound velocity vL converges to vL = (CL/?)0.5. For smaller square sections the sound velocity drops down to vL = (EL/?)0.5, where CL, EL and ? are the stiffness, E-modul and density, respectively. The experiments confirm a linear regression between time of flight and measurement distance even at less than two wavelength menor que2?L distance, the fitted sound speed values increased by 15% between the two tested frequencies.

Análisis de micromovilidad en vástagos femorales mediante ensayo dinámico de oscilaciones libres

La artroplastia de cadera se considera uno de los mayores avances quirúrgicos de la Medicina. La aplicación de esta técnica de Traumatología se ha incrementado notablemente en los últimos anos, a causa principalmente del progresivo incremento de la esperanza de vida. En efecto, con la edad aumentan los problemas de artrosis y osteoporosis, enfermedades típicas de las articulaciones y de los huesos que requieren en muchos casos la sustitución protésica total o parcial de la articulación. El buen comportamiento funcional de una prótesis depende en gran medida de la estabilidad primaria, es decir, el correcto anclaje de la prótesis en el momento de su implantación. Las prótesis no cementadas basan su éxito a largo plazo en la osteointegración que tiene lugar entre el material protésico y el tejido óseo, y para lograrla es imprescindible conseguir unas buenas condiciones de estabilidad primaria. El aflojamiento aséptico es la principal causa de fallo de artroplastia total de cadera. Este es un fenómeno en el que, debido a complejas interacciones de factores mecánicos y biológicos, se producen movimientos relativos que comprometen la funcionalidad del implante. La minimización de los correspondientes danos depende en gran medida de la detección precoz del aflojamiento. Para lograr la detección temprana del aflojamiento aséptico del vástago femoral se han ensayado diferentes técnicas, tanto in vivo como in vitro: análisis numéricos y técnicas experimentales basadas en sensores de movimientos provocados por cargas transmitidas natural o artificialmente, tales como impactos o vibraciones de distintas frecuencias. Los montajes y procedimientos aplicados son heterogéneos y, en muchas ocasiones, complejos y costosos, no existiendo acuerdo sobre una técnica simple y eficaz de aplicación general. Asimismo, en la normativa vigente que regula las condiciones que debe cumplir una prótesis previamente a su comercialización, no hay ningún apartado referido específicamente a la evaluación de la bondad del diseño del vástago femoral con respecto a la estabilidad primaria. El objetivo de esta tesis es desarrollar una metodología para el análisis, in vitro, de la estabilidad de un vástago femoral implantado, a fin de poder evaluar las técnicas de implantación y los diferentes diseños de prótesis previamente a su oferta en el mercado. Además se plantea como requisito fundamental que el método desarrollado sea sencillo, reversible, repetible, no destructivo, con control riguroso de parámetros (condiciones de contorno de cargas y desplazamientos) y con un sistema de registro e interpretación de resultados rápido, fiable y asequible. Como paso previo, se ha realizado un análisis cualitativo del problema de contacto en la interfaz hueso-vástago aplicando una técnica optomecánica del campo continuo (fotoelasticidad). Para ello se han fabricado tres modelos en 2D del conjunto hueso-vástago, simulando tres tipos de contactos en la interfaz: contacto sin adherencia y con holgura, contacto sin adherencia y sin holgura, y contacto con adherencia y homogéneo. Aplicando la misma carga a cada modelo, y empleando la técnica de congelación de tensiones, se han visualizado los correspondientes estados tensionales, siendo estos más severos en el modelo de unión sin adherencia, como cabía esperar. En todo caso, los resultados son ilustrativos de la complejidad del problema de contacto y confirman la conveniencia y necesidad de la vía experimental para el estudio del problema. Seguidamente se ha planteado un ensayo dinámico de oscilaciones libres con instrumentación de sensores resistivos tipo galga extensométrica. Las muestras de ensayo han sido huesos fémur en todas sus posibles variantes: modelos simplificados, hueso sintético normalizado y hueso de cadáver, seco y fresco. Se ha diseñado un sistema de empotramiento del extremo distal de la muestra (fémur) con control riguroso de las condiciones de anclaje. La oscilación libre de la muestra se ha obtenido mediante la liberación instantánea de una carga estética determinada y aplicada previamente, bien con una maquina de ensayo o bien por gravedad. Cada muestra se ha instrumentado con galgas extensométricas convencionales cuya señal se ha registrado con un equipo dinámico comercial. Se ha aplicado un procedimiento de tratamiento de señal para acotar, filtrar y presentar las respuestas de los sensores en el dominio del tiempo y de la frecuencia. La interpretación de resultados es de tipo comparativo: se aplica el ensayo a una muestra de fémur Intacto que se toma de referencia, y a continuación se repite el ensayo sobre la misma muestra con una prótesis implantada; la comparación de resultados permite establecer conclusiones inmediatas sobre los efectos de la implantación de la prótesis. La implantación ha sido realizada por un cirujano traumatólogo utilizando las mismas técnicas e instrumental empleadas en el quirófano durante la práctica clínica real, y se ha trabajado con tres vástagos femorales comerciales. Con los resultados en el dominio del tiempo y de la frecuencia de las distintas aplicaciones se han establecido conclusiones sobre los siguientes aspectos: Viabilidad de los distintos tipos de muestras sintéticas: modelos simplificados y fémur sintético normalizado. Repetibilidad, linealidad y reversibilidad del ensayo. Congruencia de resultados con los valores teóricos deducidos de la teoría de oscilaciones libres de barras. Efectos de la implantación de tallos femorales en la amplitud de las oscilaciones, amortiguamiento y frecuencias de oscilación. Detección de armónicos asociados a la micromovilidad. La metodología se ha demostrado apta para ser incorporada a la normativa de prótesis, es de aplicación universal y abre vías para el análisis de la detección y caracterización de la micromovilidad de una prótesis frente a las cargas de servicio. ABSTRACT Total hip arthroplasty is considered as one of the greatest surgical advances in medicine. The application of this technique on Traumatology has increased significantly in recent years, mainly due to the progressive increase in life expectancy. In fact, advanced age increases osteoarthritis and osteoporosis problems, which are typical diseases of joints and bones, and in many cases require full or partial prosthetic replacement on the joint. Right functional behavior of prosthesis is highly dependent on the primary stability; this means it depends on the correct anchoring of the prosthesis at the time of implantation. Uncemented prosthesis base their long-term success on the quality of osseointegration that takes place between the prosthetic material and bone tissue, and to achieve this good primary stability conditions is mandatory. Aseptic loosening is the main cause of failure in total hip arthroplasty. This is a phenomenon in which relative movements occur, due to complex interactions of mechanical and biological factors, and these micromovements put the implant functionality at risk. To minimize possible damage, it greatly depends on the early detection of loosening. For this purpose, various techniques have been tested both in vivo and in vitro: numerical analysis and experimental techniques based on sensors for movements caused by naturally or artificially transmitted loads, such as impacts or vibrations at different frequencies. The assemblies and methods applied are heterogeneous and, in many cases, they are complex and expensive, with no agreement on the use of a simple and effective technique for general purposes. Likewise, in current regulations for governing the conditions to be fulfilled by the prosthesis before going to market, there is no specific section related to the evaluation of the femoral stem design in relation to primary stability. The aim of this thesis is to develop a in vitro methodology for analyzing the stability of an implanted femoral stem, in order to assess the implantation techniques and the different prosthesis designs prior to its offer in the market. We also propose as a fundamental requirement that the developed testing method should be simple, reversible, repeatable, non-destructive, with close monitoring of parameters (boundary conditions of loads and displacements) and with the availability of a register system to record and interpret results in a fast, reliable and affordable manner. As a preliminary step, we have performed a qualitative analysis of the contact problems in the bone-stem interface, through the application of a continuous field optomechanical technique (photoelasticity). For this proposal three 2D models of bone–stem set, has been built simulating three interface contact types: loosened an unbounded contact, unbounded and fixed contact, and bounded homogeneous contact. By means of applying the same load to each model, and using the stress freezing technique, it has displayed the corresponding stress states, being more severe as expected, in the unbounded union model. In any case, the results clearly show the complexity of the interface contact problem, and they confirm the need for experimental studies about this problem. Afterward a free oscillation dynamic test has been done using resistive strain gauge sensors. Test samples have been femur bones in all possible variants: simplified models, standardized synthetic bone, and dry and cool cadaveric bones. An embedding system at the distal end of the sample with strong control of the anchoring conditions has been designed. The free oscillation of the sample has been obtained by the instantaneous release of a static load, which was previously determined and applied to the sample through a testing machine or using the gravity force. Each sample was equipped with conventional strain gauges whose signal is registered with a marketed dynamic equipment. Then, it has applied a signal processing procedure to delimit, filter and present the time and frequency response signals from the sensors. Results are interpreted by comparing different trials: the test is applied to an intact femur sample which is taken as a reference, and then this test is repeated over the same sample with an implanted prosthesis. From comparison between results, immediate conclusions about the effects of the implantation of the prosthesis can be obtained. It must be said that the implementation has been made by an expert orthopedic surgeon using the same techniques and instruments as those used in clinical surgery. He has worked with three commercial femoral stems. From the results obtained in the time and frequency domains for the different applications the following conclusions have been established: Feasibility of the different types of synthetic samples: simplified models and standardized synthetic femur. Repeatability, linearity and reversibility of the testing method. Consistency of results with theoretical values deduced from the bars free oscillations theory. Effects of introduction of femoral stems in the amplitude, damping and frequencies of oscillations Detection of micromobility associated harmonics. This methodology has been proved suitable to be included in the standardization process of arthroplasty prosthesis, it is universally applicable and it allows establishing new methods for the analysis, detection and characterization of prosthesis micromobility due to functional loads.

Mealiness assessment in fruits using MRI techniques.

Mealiness is a sensory attribute that cannot be defined by a single parameter but through a combination of variables (multidimensional structure). Previous studies propose the definition of mealiness as the lack of crispiness, of hardness and of juiciness. Current aims are focused on establishing non destructive tests for mealiness assessment. MultiSliceMultiEcho Magnetic resonance images (MRI, 64*64pixels) have been taken corresponding to a 3ms of Echo time. Small samples of Top Red apples stored 6 months at controlled atmosphere (expected to be non mealy) and 2°C (expected to be mealy) have been used for MRI imaging. Three out of four apples corresponding to the sample maintained at controlled atmosphere did not develop mealiness while three out of four fruits corresponding to the sample stored at 2°C became mealy after 6 month of storage. The minimum T2 values/image obtained for the mealy apples shows to be significantly lower when compared with non mealy apples pointing that a more dis-aggregated structure leads to a quicker loss of signal Also, there is a significant linear correlation (r=-0.76) between the number of pixels with a T2 value below 35ms within a fruit image and the deformation parameter registered during the Magness-Taylor firmness test. Finally, all the T2 images of the mealy apples show a regional variation of contrast which is not shown for non mealy apples. This variation of contrast is similar to the MRI images of water-cored apples indicating that in these cases there is a differential water movement that may precede the internal browning.

Storabelity of melon for different ripeness stages at harvest. Selection of instrumental procedures for quality assessment.

The consumption of melon (Cucumis melo L.) has been, until several years ago, regional, seasonal and without commercial interest. Recent commercial changes and world wide transportation have changed this situation. Melons from 3 different ripeness stages at harvest and 7 cold storage periods have been analysed by destructive and non destructive tests. Chemical, physical, mechanical (non destructive impact, compression, skin puncture and Magness- Taylor) and sensory tests were carried out in order to select the best test to assess quality and to determine the optimal ripeness stage at harvest. Analysis of variance and Principal Component Analysis were performed to study the data. The mechanical properties based on non-destructive Impact and Compression can be used to monitor cold storage evolution. They can also be used at harvest to segregate the highest ripeness stage (41 days after anthesis DAA) in relation to less ripe stages (34 and 28 DAA).Only 34 and 41 DAA reach a sensory evaluation above 50 in a scale from 0-100.

Remote sensing of LAI, chlorophyll and leaf nitrogen pools of crop- and grasslands in five European landscapes.

Leaf nitrogen and leaf surface area influence the exchange of gases between terrestrial ecosystems and the atmosphere, and play a significant role in the global cycles of carbon, nitrogen and water. The purpose of this study is to use field-based and satellite remote-sensing-based methods to assess leaf nitrogen pools in five diverse European agricultural landscapes located in Denmark, Scotland (United Kingdom), Poland, the Netherlands and Italy. REGFLEC (REGularized canopy reFLECtance) is an advanced image-based inverse canopy radiative transfer modelling system which has shown proficiency for regional mapping of leaf area index (LAI) and leaf chlorophyll (CHLl) using remote sensing data. In this study, high spatial resolution (10–20 m) remote sensing images acquired from the multispectral sensors aboard the SPOT (Satellite For Observation of Earth) satellites were used to assess the capability of REGFLEC for mapping spatial variations in LAI, CHLland the relation to leaf nitrogen (Nl) data in five diverse European agricultural landscapes. REGFLEC is based on physical laws and includes an automatic model parameterization scheme which makes the tool independent of field data for model calibration. In this study, REGFLEC performance was evaluated using LAI measurements and non-destructive measurements (using a SPAD meter) of leaf-scale CHLl and Nl concentrations in 93 fields representing crop- and grasslands of the five landscapes. Furthermore, empirical relationships between field measurements (LAI, CHLl and Nl and five spectral vegetation indices (the Normalized Difference Vegetation Index, the Simple Ratio, the Enhanced Vegetation Index-2, the Green Normalized Difference Vegetation Index, and the green chlorophyll index) were used to assess field data coherence and to serve as a comparison basis for assessing REGFLEC model performance. The field measurements showed strong vertical CHLl gradient profiles in 26% of fields which affected REGFLEC performance as well as the relationships between spectral vegetation indices (SVIs) and field measurements. When the range of surface types increased, the REGFLEC results were in better agreement with field data than the empirical SVI regression models. Selecting only homogeneous canopies with uniform CHLl distributions as reference data for evaluation, REGFLEC was able to explain 69% of LAI observations (rmse = 0.76), 46% of measured canopy chlorophyll contents (rmse = 719 mg m−2) and 51% of measured canopy nitrogen contents (rmse = 2.7 g m−2). Better results were obtained for individual landscapes, except for Italy, where REGFLEC performed poorly due to a lack of dense vegetation canopies at the time of satellite recording. Presence of vegetation is needed to parameterize the REGFLEC model. Combining REGFLEC- and SVI-based model results to minimize errors for a "snap-shot" assessment of total leaf nitrogen pools in the five landscapes, results varied from 0.6 to 4.0 t km−2. Differences in leaf nitrogen pools between landscapes are attributed to seasonal variations, extents of agricultural area, species variations, and spatial variations in nutrient availability. In order to facilitate a substantial assessment of variations in Nl pools and their relation to landscape based nitrogen and carbon cycling processes, time series of satellite data are needed. The upcoming Sentinel-2 satellite mission will provide new multiple narrowband data opportunities at high spatio-temporal resolution which are expected to further improve remote sensing capabilities for mapping LAI, CHLl and Nl.

Microstructure and mechanical properties at high temperature of SiC-matrix by electrophoretic deposition and polymer infiltration and pyrolysis process

The EFDA-ITER programme for materials wants to develop new structural materials for future nuclear magnetic fusion reactors. In this context, special attention must be paid in the development of new composite materials that could support the hard working conditions of the nuclear fusion reactors: high temperature, high stresses, and high radiation.

Caracterización no destructiva del proceso de curado en materiales cementicios

La calidad del hormigón prefabricado se determina mediante ensayos de rotura a compresión en probetas transcurridos los 28 días de curado, según establece la EHE-08. Sin embargo, en la plantas de prefabricados es necesario además saber cuándo el hormigón está listo para ser procesado (destensado, cortado, trasladado), por lo que es necesario hacer ensayos de resistencia a la compresión entre las 48 y 72 horas, este tiempo se determina a partir de la experiencia previa adquirida y depende de las condiciones de cada planta. Si las probetas no han alcanzado el valor establecido, normalmente debido a un cambio en las condiciones climatológicas o en los materiales utilizados como el tipo de cemento o agregados, la solución adoptada suele ser dejar curar el material más horas en la pista para que alcance la resistencia necesaria para ser procesado. Si sigue sin alcanzarla, lo cual sucede muy ocasionalmente, se intenta analizar cuál ha sido el motivo, pudiéndose tirar toda la producción de ese día si se comprueba que ha sido un fallo en la fabricación de la línea, y no un fallo de la probeta. Por tanto, esta metodología de control de calidad, basada en técnicas destructivas, supone dos tipos de problemas, costes y representatividad. Los métodos no destructivos que más se han aplicado para caracterizar el proceso de curado del hormigón son los ultrasónicos y la medida de la temperatura como se recoge en la bibliografía consultada. Hay diferentes modelos que permiten establecer una relación entre la temperatura y el tiempo de curado para estimar la resistencia a compresión del material, y entre la velocidad de propagación ultrasónica y la resistencia. Aunque estas relaciones no son generales, se han obtenido muy buenos resultados, ejemplo de ello es el modelo basado en la temperatura, Maturity Method, que forma parte de la norma de la ASTM C 1074 y en el mercado hay disponibles equipos comerciales (maturity meters) para medir el curado del hormigón. Además, es posible diseñar sistemas de medida de estos dos parámetros económicos y robustos; por lo cual es viable la realización de una metodología para el control de calidad del curado que pueda ser implantado en las plantas de producción de prefabricado. En este trabajo se ha desarrollado una metodología que permite estimar la resistencia a la compresión del hormigón durante el curado, la cual consta de un procedimiento para el control de calidad del prefabricado y un sistema inalámbrico de sensores para la medida de la temperatura y la velocidad ultrasónica. El procedimiento para el control de calidad permite realizar una predicción de la resistencia a compresión a partir de un modelo basado en la temperatura de curado y otros dos basados en la velocidad, método de tiempo equivalente y método lineal. El sistema inalámbrico de sensores desarrollado, WilTempUS, integra en el mismo dispositivo sensores de temperatura, humedad relativa y ultrasonidos. La validación experimental se ha realizado mediante monitorizaciones en probetas y en las líneas de prefabricados. Los resultados obtenidos con los modelos de estimación y el sistema de medida desarrollado muestran que es posible predecir la resistencia en prefabricados de hormigón en planta con errores comparables a los aceptables por norma en los ensayos de resistencia a compresión en probetas. ABSTRACT Precast concrete quality is determined by compression tests breakage on specimens after 28 days of curing, as established EHE-08. However, in the precast plants is also necessary to know when the concrete is ready to be processed (slack, cut, moved), so it is necessary to test the compressive strength between 48 and 72 hours. This time is determined from prior experience and depends on the conditions of each plant. If the samples have not reached the set value, usually due to changes in the weather conditions or in the materials used as for example the type of cement or aggregates, the solution usually adopted is to cure the material on track during more time to reach the required strength for processing. If the material still does not reach this strength, which happens very occasionally, the reason of this behavior is analyzed , being able to throw the entire production of that day if there was a failure in the manufacturing line, not a failure of the specimen. Therefore, this method of quality control, using destructive techniques, involves two kinds of problems, costs and representativeness. The most used non-destructive methods to characterize the curing process of concrete are those based on ultrasonic and temperature measurement as stated in the literature. There are different models to establish a relationship between temperature and the curing time to estimate the compressive strength of the material, and between the ultrasonic propagation velocity and the compressive strength. Although these relationships are not general, they have been very successful, for example the Maturity Method is based on the temperature measurements. This method is part of the standards established in ASTM C 1074 and there are commercial equipments available (maturity meters) in the market to measure the concrete curing. Furthermore, it is possible to design inexpensive and robust systems to measure ultrasounds and temperature. Therefore is feasible to determine a method for quality control of curing to be implanted in the precast production plants. In this work, it has been developed a methodology which allows to estimate the compressive strength of concrete during its curing process. This methodology consists of a procedure for quality control of the precast concrete and a wireless sensor network to measure the temperature and ultrasonic velocity. The procedure for quality control allows to predict the compressive strength using a model based on the curing temperature and two other models based on ultrasonic velocity, the equivalent time method and the lineal one. The wireless sensor network, WilTempUS, integrates is the same device temperature, relative humidity and ultrasonic sensors. The experimental validation has been carried out in cubic specimens and in the production plants. The results obtained with the estimation models and the measurement system developed in this thesis show that it is possible to predict the strength in precast concrete plants with errors within the limits of the standards for testing compressive strength specimens.

NDT for the detection and characterization of superficial treatments on stone material from archaeological sites of Merida (Spain)

Different treatments (consolidation and water-repellent) were applied on samples of marble and granite from the Front stage of the Roman Theatre of Merida (Spain). The main goal is to study the effects of these treatments on archaeological stone material, by analyzing the surface changes. X-Ray Fluorescence and Laser-Induced Breakdown Spectroscopy techniques, as well as Nuclear Magnetic Resonance have been used in order to study changes in the surface properties of the material, comparing treated and untreated specimens. The results confirm that silicon (Si) marker tracking allows the detection of applied treatments, increasing the peak signal in treated specimens. Furthermore, it is also possible to prove changes both within the pore system of the materialand in the distribution of surface water, resulting from the application of these products

NDT to identify biological damage in wood

Nondestructive techniques are widely used to assess existing timber structures. The models proposed for these methods are usually performed in the laboratory using small clear wood specimens. But in real situations many anomalies, defects and biological damage are found in wood. In these cases the existing models only indicate that the values are outside normality without providing any other information. To solve this problem, a study of non-destructive probing methods for wood was performed, testing the behaviour of four different techniques (penetration resistance, pullout resistance, drill resistance and chip drill extraction) on wood samples with different biological damage, simulating an in-situ test. The wood samples were obtained from existing Spanish timber structures with biotic damage caused by borer insects, termites, brown rot and white rot. The study concludes that all of the methods offer more or less detailed information about the degree of deterioration of wood, but that the first two methods (penetration and pullout resistance) cannot distinguish between pathologies. On the other hand, drill resistance and chip drill extraction make it possible to differentiate pathologies and even to identify species or damage location. Finally, the techniques used were compared to characterize their advantages and disadvantages.

Parametric and structural self-adaptation of embedded systems using evolvable hardware

Los sistemas empotrados han sido concebidos tradicionalmente como sistemas de procesamiento específicos que realizan una tarea fija durante toda su vida útil. Para cumplir con requisitos estrictos de coste, tamaño y peso, el equipo de diseño debe optimizar su funcionamiento para condiciones muy específicas. Sin embargo, la demanda de mayor versatilidad, un funcionamiento más inteligente y, en definitiva, una mayor capacidad de procesamiento comenzaron a chocar con estas limitaciones, agravado por la incertidumbre asociada a entornos de operación cada vez más dinámicos donde comenzaban a ser desplegados progresivamente. Esto trajo como resultado una necesidad creciente de que los sistemas pudieran responder por si solos a eventos inesperados en tiempo diseño tales como: cambios en las características de los datos de entrada y el entorno del sistema en general; cambios en la propia plataforma de cómputo, por ejemplo debido a fallos o defectos de fabricación; y cambios en las propias especificaciones funcionales causados por unos objetivos del sistema dinámicos y cambiantes. Como consecuencia, la complejidad del sistema aumenta, pero a cambio se habilita progresivamente una capacidad de adaptación autónoma sin intervención humana a lo largo de la vida útil, permitiendo que tomen sus propias decisiones en tiempo de ejecución. Éstos sistemas se conocen, en general, como sistemas auto-adaptativos y tienen, entre otras características, las de auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación. Típicamente, la parte soft de un sistema es mayoritariamente la única utilizada para proporcionar algunas capacidades de adaptación a un sistema. Sin embargo, la proporción rendimiento/potencia en dispositivos software como microprocesadores en muchas ocasiones no es adecuada para sistemas empotrados. En este escenario, el aumento resultante en la complejidad de las aplicaciones está siendo abordado parcialmente mediante un aumento en la complejidad de los dispositivos en forma de multi/many-cores; pero desafortunadamente, esto hace que el consumo de potencia también aumente. Además, la mejora en metodologías de diseño no ha sido acorde como para poder utilizar toda la capacidad de cómputo disponible proporcionada por los núcleos. Por todo ello, no se están satisfaciendo adecuadamente las demandas de cómputo que imponen las nuevas aplicaciones. La solución tradicional para mejorar la proporción rendimiento/potencia ha sido el cambio a unas especificaciones hardware, principalmente usando ASICs. Sin embargo, los costes de un ASIC son altamente prohibitivos excepto en algunos casos de producción en masa y además la naturaleza estática de su estructura complica la solución a las necesidades de adaptación. Los avances en tecnologías de fabricación han hecho que la FPGA, una vez lenta y pequeña, usada como glue logic en sistemas mayores, haya crecido hasta convertirse en un dispositivo de cómputo reconfigurable de gran potencia, con una cantidad enorme de recursos lógicos computacionales y cores hardware empotrados de procesamiento de señal y de propósito general. Sus capacidades de reconfiguración han permitido combinar la flexibilidad propia del software con el rendimiento del procesamiento en hardware, lo que tiene la potencialidad de provocar un cambio de paradigma en arquitectura de computadores, pues el hardware no puede ya ser considerado más como estático. El motivo es que como en el caso de las FPGAs basadas en tecnología SRAM, la reconfiguración parcial dinámica (DPR, Dynamic Partial Reconfiguration) es posible. Esto significa que se puede modificar (reconfigurar) un subconjunto de los recursos computacionales en tiempo de ejecución mientras el resto permanecen activos. Además, este proceso de reconfiguración puede ser ejecutado internamente por el propio dispositivo. El avance tecnológico en dispositivos hardware reconfigurables se encuentra recogido bajo el campo conocido como Computación Reconfigurable (RC, Reconfigurable Computing). Uno de los campos de aplicación más exóticos y menos convencionales que ha posibilitado la computación reconfigurable es el conocido como Hardware Evolutivo (EHW, Evolvable Hardware), en el cual se encuentra enmarcada esta tesis. La idea principal del concepto consiste en convertir hardware que es adaptable a través de reconfiguración en una entidad evolutiva sujeta a las fuerzas de un proceso evolutivo inspirado en el de las especies biológicas naturales, que guía la dirección del cambio. Es una aplicación más del campo de la Computación Evolutiva (EC, Evolutionary Computation), que comprende una serie de algoritmos de optimización global conocidos como Algoritmos Evolutivos (EA, Evolutionary Algorithms), y que son considerados como algoritmos universales de resolución de problemas. En analogía al proceso biológico de la evolución, en el hardware evolutivo el sujeto de la evolución es una población de circuitos que intenta adaptarse a su entorno mediante una adecuación progresiva generación tras generación. Los individuos pasan a ser configuraciones de circuitos en forma de bitstreams caracterizados por descripciones de circuitos reconfigurables. Seleccionando aquellos que se comportan mejor, es decir, que tienen una mejor adecuación (o fitness) después de ser evaluados, y usándolos como padres de la siguiente generación, el algoritmo evolutivo crea una nueva población hija usando operadores genéticos como la mutación y la recombinación. Según se van sucediendo generaciones, se espera que la población en conjunto se aproxime a la solución óptima al problema de encontrar una configuración del circuito adecuada que satisfaga las especificaciones. El estado de la tecnología de reconfiguración después de que la familia de FPGAs XC6200 de Xilinx fuera retirada y reemplazada por las familias Virtex a finales de los 90, supuso un gran obstáculo para el avance en hardware evolutivo; formatos de bitstream cerrados (no conocidos públicamente); dependencia de herramientas del fabricante con soporte limitado de DPR; una velocidad de reconfiguración lenta; y el hecho de que modificaciones aleatorias del bitstream pudieran resultar peligrosas para la integridad del dispositivo, son algunas de estas razones. Sin embargo, una propuesta a principios de los años 2000 permitió mantener la investigación en el campo mientras la tecnología de DPR continuaba madurando, el Circuito Virtual Reconfigurable (VRC, Virtual Reconfigurable Circuit). En esencia, un VRC en una FPGA es una capa virtual que actúa como un circuito reconfigurable de aplicación específica sobre la estructura nativa de la FPGA que reduce la complejidad del proceso reconfiguración y aumenta su velocidad (comparada con la reconfiguración nativa). Es un array de nodos computacionales especificados usando descripciones HDL estándar que define recursos reconfigurables ad-hoc: multiplexores de rutado y un conjunto de elementos de procesamiento configurables, cada uno de los cuales tiene implementadas todas las funciones requeridas, que pueden seleccionarse a través de multiplexores tal y como ocurre en una ALU de un microprocesador. Un registro grande actúa como memoria de configuración, por lo que la reconfiguración del VRC es muy rápida ya que tan sólo implica la escritura de este registro, el cual controla las señales de selección del conjunto de multiplexores. Sin embargo, esta capa virtual provoca: un incremento de área debido a la implementación simultánea de cada función en cada nodo del array más los multiplexores y un aumento del retardo debido a los multiplexores, reduciendo la frecuencia de funcionamiento máxima. La naturaleza del hardware evolutivo, capaz de optimizar su propio comportamiento computacional, le convierten en un buen candidato para avanzar en la investigación sobre sistemas auto-adaptativos. Combinar un sustrato de cómputo auto-reconfigurable capaz de ser modificado dinámicamente en tiempo de ejecución con un algoritmo empotrado que proporcione una dirección de cambio, puede ayudar a satisfacer los requisitos de adaptación autónoma de sistemas empotrados basados en FPGA. La propuesta principal de esta tesis está por tanto dirigida a contribuir a la auto-adaptación del hardware de procesamiento de sistemas empotrados basados en FPGA mediante hardware evolutivo. Esto se ha abordado considerando que el comportamiento computacional de un sistema puede ser modificado cambiando cualquiera de sus dos partes constitutivas: una estructura hard subyacente y un conjunto de parámetros soft. De esta distinción, se derivan dos lineas de trabajo. Por un lado, auto-adaptación paramétrica, y por otro auto-adaptación estructural. El objetivo perseguido en el caso de la auto-adaptación paramétrica es la implementación de técnicas de optimización evolutiva complejas en sistemas empotrados con recursos limitados para la adaptación paramétrica online de circuitos de procesamiento de señal. La aplicación seleccionada como prueba de concepto es la optimización para tipos muy específicos de imágenes de los coeficientes de los filtros de transformadas wavelet discretas (DWT, DiscreteWavelet Transform), orientada a la compresión de imágenes. Por tanto, el objetivo requerido de la evolución es una compresión adaptativa y más eficiente comparada con los procedimientos estándar. El principal reto radica en reducir la necesidad de recursos de supercomputación para el proceso de optimización propuesto en trabajos previos, de modo que se adecúe para la ejecución en sistemas empotrados. En cuanto a la auto-adaptación estructural, el objetivo de la tesis es la implementación de circuitos auto-adaptativos en sistemas evolutivos basados en FPGA mediante un uso eficiente de sus capacidades de reconfiguración nativas. En este caso, la prueba de concepto es la evolución de tareas de procesamiento de imagen tales como el filtrado de tipos desconocidos y cambiantes de ruido y la detección de bordes en la imagen. En general, el objetivo es la evolución en tiempo de ejecución de tareas de procesamiento de imagen desconocidas en tiempo de diseño (dentro de un cierto grado de complejidad). En este caso, el objetivo de la propuesta es la incorporación de DPR en EHW para evolucionar la arquitectura de un array sistólico adaptable mediante reconfiguración cuya capacidad de evolución no había sido estudiada previamente. Para conseguir los dos objetivos mencionados, esta tesis propone originalmente una plataforma evolutiva que integra un motor de adaptación (AE, Adaptation Engine), un motor de reconfiguración (RE, Reconfiguration Engine) y un motor computacional (CE, Computing Engine) adaptable. El el caso de adaptación paramétrica, la plataforma propuesta está caracterizada por: • un CE caracterizado por un núcleo de procesamiento hardware de DWT adaptable mediante registros reconfigurables que contienen los coeficientes de los filtros wavelet • un algoritmo evolutivo como AE que busca filtros wavelet candidatos a través de un proceso de optimización paramétrica desarrollado específicamente para sistemas caracterizados por recursos de procesamiento limitados • un nuevo operador de mutación simplificado para el algoritmo evolutivo utilizado, que junto con un mecanismo de evaluación rápida de filtros wavelet candidatos derivado de la literatura actual, asegura la viabilidad de la búsqueda evolutiva asociada a la adaptación de wavelets. En el caso de adaptación estructural, la plataforma propuesta toma la forma de: • un CE basado en una plantilla de array sistólico reconfigurable de 2 dimensiones compuesto de nodos de procesamiento reconfigurables • un algoritmo evolutivo como AE que busca configuraciones candidatas del array usando un conjunto de funcionalidades de procesamiento para los nodos disponible en una biblioteca accesible en tiempo de ejecución • un RE hardware que explota la capacidad de reconfiguración nativa de las FPGAs haciendo un uso eficiente de los recursos reconfigurables del dispositivo para cambiar el comportamiento del CE en tiempo de ejecución • una biblioteca de elementos de procesamiento reconfigurables caracterizada por bitstreams parciales independientes de la posición, usados como el conjunto de configuraciones disponibles para los nodos de procesamiento del array Las contribuciones principales de esta tesis se pueden resumir en la siguiente lista: • Una plataforma evolutiva basada en FPGA para la auto-adaptación paramétrica y estructural de sistemas empotrados compuesta por un motor computacional (CE), un motor de adaptación (AE) evolutivo y un motor de reconfiguración (RE). Esta plataforma se ha desarrollado y particularizado para los casos de auto-adaptación paramétrica y estructural. • En cuanto a la auto-adaptación paramétrica, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante registros que permite la adaptación paramétrica de los coeficientes de una implementación hardware adaptativa de un núcleo de DWT. – Un motor de adaptación basado en un algoritmo evolutivo desarrollado específicamente para optimización numérica, aplicada a los coeficientes de filtros wavelet en sistemas empotrados con recursos limitados. – Un núcleo IP de DWT auto-adaptativo en tiempo de ejecución para sistemas empotrados que permite la optimización online del rendimiento de la transformada para compresión de imágenes en entornos específicos de despliegue, caracterizados por tipos diferentes de señal de entrada. – Un modelo software y una implementación hardware de una herramienta para la construcción evolutiva automática de transformadas wavelet específicas. • Por último, en cuanto a la auto-adaptación estructural, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante reconfiguración nativa de FPGAs caracterizado por una plantilla de array sistólico en dos dimensiones de nodos de procesamiento reconfigurables. Es posible mapear diferentes tareas de cómputo en el array usando una biblioteca de elementos sencillos de procesamiento reconfigurables. – Definición de una biblioteca de elementos de procesamiento apropiada para la síntesis autónoma en tiempo de ejecución de diferentes tareas de procesamiento de imagen. – Incorporación eficiente de la reconfiguración parcial dinámica (DPR) en sistemas de hardware evolutivo, superando los principales inconvenientes de propuestas previas como los circuitos reconfigurables virtuales (VRCs). En este trabajo también se comparan originalmente los detalles de implementación de ambas propuestas. – Una plataforma tolerante a fallos, auto-curativa, que permite la recuperación funcional online en entornos peligrosos. La plataforma ha sido caracterizada desde una perspectiva de tolerancia a fallos: se proponen modelos de fallo a nivel de CLB y de elemento de procesamiento, y usando el motor de reconfiguración, se hace un análisis sistemático de fallos para un fallo en cada elemento de procesamiento y para dos fallos acumulados. – Una plataforma con calidad de filtrado dinámica que permite la adaptación online a tipos de ruido diferentes y diferentes comportamientos computacionales teniendo en cuenta los recursos de procesamiento disponibles. Por un lado, se evolucionan filtros con comportamientos no destructivos, que permiten esquemas de filtrado en cascada escalables; y por otro, también se evolucionan filtros escalables teniendo en cuenta requisitos computacionales de filtrado cambiantes dinámicamente. Este documento está organizado en cuatro partes y nueve capítulos. La primera parte contiene el capítulo 1, una introducción y motivación sobre este trabajo de tesis. A continuación, el marco de referencia en el que se enmarca esta tesis se analiza en la segunda parte: el capítulo 2 contiene una introducción a los conceptos de auto-adaptación y computación autonómica (autonomic computing) como un campo de investigación más general que el muy específico de este trabajo; el capítulo 3 introduce la computación evolutiva como la técnica para dirigir la adaptación; el capítulo 4 analiza las plataformas de computación reconfigurables como la tecnología para albergar hardware auto-adaptativo; y finalmente, el capítulo 5 define, clasifica y hace un sondeo del campo del hardware evolutivo. Seguidamente, la tercera parte de este trabajo contiene la propuesta, desarrollo y resultados obtenidos: mientras que el capítulo 6 contiene una declaración de los objetivos de la tesis y la descripción de la propuesta en su conjunto, los capítulos 7 y 8 abordan la auto-adaptación paramétrica y estructural, respectivamente. Finalmente, el capítulo 9 de la parte 4 concluye el trabajo y describe caminos de investigación futuros. ABSTRACT Embedded systems have traditionally been conceived to be specific-purpose computers with one, fixed computational task for their whole lifetime. Stringent requirements in terms of cost, size and weight forced designers to highly optimise their operation for very specific conditions. However, demands for versatility, more intelligent behaviour and, in summary, an increased computing capability began to clash with these limitations, intensified by the uncertainty associated to the more dynamic operating environments where they were progressively being deployed. This brought as a result an increasing need for systems to respond by themselves to unexpected events at design time, such as: changes in input data characteristics and system environment in general; changes in the computing platform itself, e.g., due to faults and fabrication defects; and changes in functional specifications caused by dynamically changing system objectives. As a consequence, systems complexity is increasing, but in turn, autonomous lifetime adaptation without human intervention is being progressively enabled, allowing them to take their own decisions at run-time. This type of systems is known, in general, as selfadaptive, and are able, among others, of self-configuration, self-optimisation and self-repair. Traditionally, the soft part of a system has mostly been so far the only place to provide systems with some degree of adaptation capabilities. However, the performance to power ratios of software driven devices like microprocessors are not adequate for embedded systems in many situations. In this scenario, the resulting rise in applications complexity is being partly addressed by rising devices complexity in the form of multi and many core devices; but sadly, this keeps on increasing power consumption. Besides, design methodologies have not been improved accordingly to completely leverage the available computational power from all these cores. Altogether, these factors make that the computing demands new applications pose are not being wholly satisfied. The traditional solution to improve performance to power ratios has been the switch to hardware driven specifications, mainly using ASICs. However, their costs are highly prohibitive except for some mass production cases and besidesthe static nature of its structure complicates the solution to the adaptation needs. The advancements in fabrication technologies have made that the once slow, small FPGA used as glue logic in bigger systems, had grown to be a very powerful, reconfigurable computing device with a vast amount of computational logic resources and embedded, hardened signal and general purpose processing cores. Its reconfiguration capabilities have enabled software-like flexibility to be combined with hardware-like computing performance, which has the potential to cause a paradigm shift in computer architecture since hardware cannot be considered as static anymore. This is so, since, as is the case with SRAMbased FPGAs, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is possible. This means that subsets of the FPGA computational resources can now be changed (reconfigured) at run-time while the rest remains active. Besides, this reconfiguration process can be triggered internally by the device itself. This technological boost in reconfigurable hardware devices is actually covered under the field known as Reconfigurable Computing. One of the most exotic fields of application that Reconfigurable Computing has enabled is the known as Evolvable Hardware (EHW), in which this dissertation is framed. The main idea behind the concept is turning hardware that is adaptable through reconfiguration into an evolvable entity subject to the forces of an evolutionary process, inspired by that of natural, biological species, that guides the direction of change. It is yet another application of the field of Evolutionary Computation (EC), which comprises a set of global optimisation algorithms known as Evolutionary Algorithms (EAs), considered as universal problem solvers. In analogy to the biological process of evolution, in EHW the subject of evolution is a population of circuits that tries to get adapted to its surrounding environment by progressively getting better fitted to it generation after generation. Individuals become circuit configurations representing bitstreams that feature reconfigurable circuit descriptions. By selecting those that behave better, i.e., with a higher fitness value after being evaluated, and using them as parents of the following generation, the EA creates a new offspring population by using so called genetic operators like mutation and recombination. As generations succeed one another, the whole population is expected to approach to the optimum solution to the problem of finding an adequate circuit configuration that fulfils system objectives. The state of reconfiguration technology after Xilinx XC6200 FPGA family was discontinued and replaced by Virtex families in the late 90s, was a major obstacle for advancements in EHW; closed (non publicly known) bitstream formats; dependence on manufacturer tools with highly limiting support of DPR; slow speed of reconfiguration; and random bitstream modifications being potentially hazardous for device integrity, are some of these reasons. However, a proposal in the first 2000s allowed to keep investigating in this field while DPR technology kept maturing, the Virtual Reconfigurable Circuit (VRC). In essence, a VRC in an FPGA is a virtual layer acting as an application specific reconfigurable circuit on top of an FPGA fabric that reduces the complexity of the reconfiguration process and increases its speed (compared to native reconfiguration). It is an array of computational nodes specified using standard HDL descriptions that define ad-hoc reconfigurable resources; routing multiplexers and a set of configurable processing elements, each one containing all the required functions, which are selectable through functionality multiplexers as in microprocessor ALUs. A large register acts as configuration memory, so VRC reconfiguration is very fast given it only involves writing this register, which drives the selection signals of the set of multiplexers. However, large overheads are introduced by this virtual layer; an area overhead due to the simultaneous implementation of every function in every node of the array plus the multiplexers, and a delay overhead due to the multiplexers, which also reduces maximum frequency of operation. The very nature of Evolvable Hardware, able to optimise its own computational behaviour, makes it a good candidate to advance research in self-adaptive systems. Combining a selfreconfigurable computing substrate able to be dynamically changed at run-time with an embedded algorithm that provides a direction for change, can help fulfilling requirements for autonomous lifetime adaptation of FPGA-based embedded systems. The main proposal of this thesis is hence directed to contribute to autonomous self-adaptation of the underlying computational hardware of FPGA-based embedded systems by means of Evolvable Hardware. This is tackled by considering that the computational behaviour of a system can be modified by changing any of its two constituent parts: an underlying hard structure and a set of soft parameters. Two main lines of work derive from this distinction. On one side, parametric self-adaptation and, on the other side, structural self-adaptation. The goal pursued in the case of parametric self-adaptation is the implementation of complex evolutionary optimisation techniques in resource constrained embedded systems for online parameter adaptation of signal processing circuits. The application selected as proof of concept is the optimisation of Discrete Wavelet Transforms (DWT) filters coefficients for very specific types of images, oriented to image compression. Hence, adaptive and improved compression efficiency, as compared to standard techniques, is the required goal of evolution. The main quest lies in reducing the supercomputing resources reported in previous works for the optimisation process in order to make it suitable for embedded systems. Regarding structural self-adaptation, the thesis goal is the implementation of self-adaptive circuits in FPGA-based evolvable systems through an efficient use of native reconfiguration capabilities. In this case, evolution of image processing tasks such as filtering of unknown and changing types of noise and edge detection are the selected proofs of concept. In general, evolving unknown image processing behaviours (within a certain complexity range) at design time is the required goal. In this case, the mission of the proposal is the incorporation of DPR in EHW to evolve a systolic array architecture adaptable through reconfiguration whose evolvability had not been previously checked. In order to achieve the two stated goals, this thesis originally proposes an evolvable platform that integrates an Adaptation Engine (AE), a Reconfiguration Engine (RE) and an adaptable Computing Engine (CE). In the case of parametric adaptation, the proposed platform is characterised by: • a CE featuring a DWT hardware processing core adaptable through reconfigurable registers that holds wavelet filters coefficients • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate wavelet filters through a parametric optimisation process specifically developed for systems featured by scarce computing resources • a new, simplified mutation operator for the selected EA, that together with a fast evaluation mechanism of candidate wavelet filters derived from existing literature, assures the feasibility of the evolutionary search involved in wavelets adaptation In the case of structural adaptation, the platform proposal takes the form of: • a CE based on a reconfigurable 2D systolic array template composed of reconfigurable processing nodes • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate configurations of the array using a set of computational functionalities for the nodes available in a run time accessible library • a hardware RE that exploits native DPR capabilities of FPGAs and makes an efficient use of the available reconfigurable resources of the device to change the behaviour of the CE at run time • a library of reconfigurable processing elements featured by position-independent partial bitstreams used as the set of available configurations for the processing nodes of the array Main contributions of this thesis can be summarised in the following list. • An FPGA-based evolvable platform for parametric and structural self-adaptation of embedded systems composed of a Computing Engine, an evolutionary Adaptation Engine and a Reconfiguration Engine. This platform is further developed and tailored for both parametric and structural self-adaptation. • Regarding parametric self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through reconfigurable registers that enables parametric adaptation of the coefficients of an adaptive hardware implementation of a DWT core. – An AE based on an Evolutionary Algorithm specifically developed for numerical optimisation applied to wavelet filter coefficients in resource constrained embedded systems. – A run-time self-adaptive DWT IP core for embedded systems that allows for online optimisation of transform performance for image compression for specific deployment environments characterised by different types of input signals. – A software model and hardware implementation of a tool for the automatic, evolutionary construction of custom wavelet transforms. • Lastly, regarding structural self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through native FPGA fabric reconfiguration featured by a two dimensional systolic array template of reconfigurable processing nodes. Different processing behaviours can be automatically mapped in the array by using a library of simple reconfigurable processing elements. – Definition of a library of such processing elements suited for autonomous runtime synthesis of different image processing tasks. – Efficient incorporation of DPR in EHW systems, overcoming main drawbacks from the previous approach of virtual reconfigurable circuits. Implementation details for both approaches are also originally compared in this work. – A fault tolerant, self-healing platform that enables online functional recovery in hazardous environments. The platform has been characterised from a fault tolerance perspective: fault models at FPGA CLB level and processing elements level are proposed, and using the RE, a systematic fault analysis for one fault in every processing element and for two accumulated faults is done. – A dynamic filtering quality platform that permits on-line adaptation to different types of noise and different computing behaviours considering the available computing resources. On one side, non-destructive filters are evolved, enabling scalable cascaded filtering schemes; and on the other, size-scalable filters are also evolved considering dynamically changing computational filtering requirements. This dissertation is organized in four parts and nine chapters. First part contains chapter 1, the introduction to and motivation of this PhD work. Following, the reference framework in which this dissertation is framed is analysed in the second part: chapter 2 features an introduction to the notions of self-adaptation and autonomic computing as a more general research field to the very specific one of this work; chapter 3 introduces evolutionary computation as the technique to drive adaptation; chapter 4 analyses platforms for reconfigurable computing as the technology to hold self-adaptive hardware; and finally chapter 5 defines, classifies and surveys the field of Evolvable Hardware. Third part of the work follows, which contains the proposal, development and results obtained: while chapter 6 contains an statement of the thesis goals and the description of the proposal as a whole, chapters 7 and 8 address parametric and structural self-adaptation, respectively. Finally, chapter 9 in part 4 concludes the work and describes future research paths.

Modelización del proceso de eliminación de la contaminación de suelos con hidrocarburos mediante desorción térmica “in situ” Comprobación de Modelo

El objetivo definitivo de esta investigación es contribuir con la profundización del conocimiento en las tecnologías de remediación, específicamente las térmicas, debido a que la contaminación de suelos es motivo de preocupación por ser uno de los graves impactos ambientales que origina el hombre con sus actividades, especialmente las industriales, afectando a la salud de los seres humanos, y el medio ambiente, representando elevados costes de saneamiento y en ocasiones problemas graves de salud de las comunidades aledañas. Se establecen tres fases de investigación. En la primera se diseña el sistema de termodesorción a escala piloto, se desarrolla las corridas experimentales, la segunda con corridas en laboratorio para investigar sobre los parámetros que intervienen en el proyecto. Se hacen las corridas respectivas para determinar la eficacia del sistema, y la tercera fase que consiste en comparar los modelos teóricos de Hartley, con los de Hartley Graham –Bryce y el de Hamaker para determinar su aproximación con los resultados reales. Apoyado en investigaciones anteriores, se diseñó y construyó un sistema de desorción térmica, el cual consiste en un horno tipo caja con 4 calentadores (resistencias), y una campana con un filtro para evitar la contaminación atmosférica, así mismo, se diseñó un sistema de control que permitió hacer las corridas con 1/3 de la potencia, con una relación de encendido apagado 3:1 respectivamente. Para validar los resultados obtenidos en el estudio matemático, se compararon dos modelos con la finalidad cuál de ellos se aproxima más a la realidad, se tomaron los ensayos con sus tiempos de operación a las temperaturas y se trabajó a distintas bandas de temperaturas para verificar la fiabilidad del proceso matemático. La temperatura es un variable importante en los procesos de desorción, como los son también la humedad del suelo, pues esta va influir directamente en el tiempo de remediación, por lo que es importante tomarla en cuenta. De igual forma el tipo de suelo va influir en los resultados, siendo las arenas más aptas para este tipo de remediación. Los resultados de la modelización son presentados para temperaturas constantes, el cual difiere de la realidad, pues el proceso de calentamiento es lento y va en accenso dependiendo del contenido de humedad y de las propiedades del suelo. La experimentación realizada concluye con buenos resultados de la aplicación de sistemas de desorción de acuerdo a las variables de Panamá. Con relación al grado de cumplimiento respecto a las normativas actuales relacionadas a los límites máximos permitidos. Los resultados garantizan las posibilidades del proceso de remediación térmica de suelos contaminados con combustibles en rango de diésel, garantizando niveles aceptables de limpieza en un tiempo menor a otras metodologías no destructivas pudieran tomar. ABSTRACT The ultimate goal of this investigation is to enhance the pool of knowledge related to remediation technologies, specifically thermal desorption. The motivation for this study is based on concerns due to pollution of land as one of the most serious environmental impacts caused by anthropogenic effects, specially industrial activities, affecting human health and the environment in general, which represents high reclamation costs, and in some cases, serious health issues in nearby communities. Three phases have been established for this study. The first phase involves the design of a thermal desorption system as a pilot experiment, and associated tests. The second phase consists of laboratory testing to investigate the parameters that affect the investigation, as well as to determine the efficacy of the system. The third phase covers the comparison of theorical models as proposed by Hartley, Hartley Graham – Bryce, and Hamaker, as well as the evaluation of these models versus the laboratory results. Supported by previous researches, the thermal desorption system was designed and installed as a “box” type oven with four heaters (resistances) and one absorption hood with a filter to avoid atmospheric contamination. In the same way, a control system was designed allowing testing with 1/3 of the power, with an on/off rate of 3:1 respectively. In order to validate the results, two mathematical models were compared to identify which model is closer to the experimental results; test results were documented with respective durations and temperatures; and experiments were executed using different ranges of temperature to validate the consistency of the mathematical process. Temperature is an important variable that should be considered for the desorption processes, as well as the humidity content within the soil, that has direct influence over the required duration to achieve remediation. In the same manner, the type of soil also influences the results, where sands are more efficient for this type of remediation process. The results from this experiment are according to constant temperatures, which is not a complete representation of the reality, as the heating process is slow and the temperature gradually increases according to the humidity content and other properties of the soil. The experiment shows good results for the application of thermal desorption systems according to the variables in Panama, as well as the level of compliance required to fulfill current regulations and mandatory maximum limits. The results guarantee the possibility of soil thermo-remediation as a resource to clean sites that have been polluted with diesel-like combustibles, allowing acceptable levels in a period of time that is lower than with other non-destructive remediation technics.

Incorporación de escorias de aluminio en la fabricación de productos de Arcilla cocida

Las sociedades desarrolladas generan una gran cantidad de residuos, que necesitan una adecuada gestión. Esta problemática requiere, de este modo, una atención creciente por parte de la sociedad, debido a la necesidad de proteger el medio ambiente. En este sentido, los esfuerzos se centran en reducir al máximo la generación de residuos y buscar vías de aprovechamiento de aquellos que son inevitables, soluciones mucho más aconsejables desde el punto de vista técnico, ecológico y económico que su vertido o destrucción. Las industrias deben adoptar las medidas precisas para fomentar la reducción de estos residuos, desarrollar tecnologías limpias que permitan el ahorro de los recursos naturales que poseemos, y sobre todo buscar métodos de reutilización, reciclado, inertización y valorización de los residuos generados en su producción. La industria de la construcción es un campo muy receptivo para el desarrollo de nuevos materiales en los que incorporar estos residuos. La incorporación de diferentes residuos industriales en matrices cerámicas se plantea como una vía barata de fijar las diferentes especies metálicas presentes en transformación de rocas ornamentales, lodos de galvanización o metalúrgicos, etc. En todos los casos, la adición de estos residuos requiere su caracterización previa y la optimización de las condiciones de conformado y cocción en el caso de su incorporación a la arcilla cocida. Entre los residuos incorporados en materiales de construcción se encuentran las escorias de aluminio. La industria metalúrgica produce durante sus procesos de fusión diferentes tipos de escorias. Su reciclado es una de las líneas de interés para estas industrias. En el caso de las escorias de aluminio, su tratamiento inicial consiste en una recuperación del aluminio mediante métodos mecánicos seguido de un tratamiento químico, o plasma. Este método conduce a que la escoria final apenas contenga aluminio y sea rica en sales solubles lo que limita su almacenamiento en escombreras. La escoria es una mezcla de aluminio metal y productos no metálicos como óxidos, nitruros y carburos de aluminio, sales y otros óxidos metálicos. En este estudio se ha analizado la posibilidad de la adición de escorias de aluminio procedentes de la metalurgia secundaria en materiales de construcción, de forma que tras un procesado de las mismas permita la obtención de materiales compuestos de matriz cerámica. En la presente Tesis Doctoral se ha analizado la viabilidad técnica de la incorporación de las escorias de aluminio procedentes de la metalurgia secundaria en una matriz de arcilla cocida. Para ello se han aplicado diferentes tratamientos a la escoria y se han aplicado diferentes variables en su procesado como la energía de molienda o la temperatura de sinterizacion, además del contenido de escoria. Su compactación con agua entre el 5-10 %, secado y sinterización permite obtener piezas rectangulares de diverso tamaño. Desde el punto de vista del contenido de la escoria, se incorporó entre un 10 y 40% de escoria TT, es decir sometida una calcinación previa a 750ºC en aire. Los mejores resultados alcanzados corresponden a un contenido del 20% ESC TT, sinterizada a 980ºC, por cuanto altos contenidos en escoria condicen a piezas con corazón negro. Los productos obtenidos con la adición de 20% de escoria de aluminio a la arcilla, presentan una baja expansión tras sinterización, mejores propiedades físicas y mecánicas, y mayor conductividad térmica que los productos obtenidos con arcilla sin adiciones. Aumenta su densidad, disminuye su absorción y aumenta sus resistencias de flexión y compresión, al presentar una porosidad cerrada y una interacción escoria-matriz. En todos los casos se produce una exudación superficial de aluminio metálico, cuyo volumen está relacionado con la cantidad de escoria adicionada. Mediante la incorporación de este contenido de escoria, tras un tratamiento de disolución de sales y posterior calcinación (ESC TTQ), se mejoran las propiedades del material compuesto, no sólo sobre la de la escoria calcinada (ESC TT), sino también, sobre la escoria sin tratamiento (ESC). Si además, la adición del 20% de escoria añadida, está tratada, no sólo térmicamente sino también químicamente (ESC TTQ), éstas mejoran aún más las propiedades del material compuesto, siendo el producto más compacto, con menos poros, por lo que los valores de densidad son más elevados, menores son las absorciones y mayores resistencias de flexión y compresión, que los productos obtenidos con la adición de escoria sólo tratada térmicamente. Alcanzando valores de resistencias características a compresión del orden de 109 MPa. Los valores de conductividad térmica obtenidos también son mayores. Los ensayos tecnológicos con piezas de 160 x 30 x 5 mm y el material compuesto optimizado de arcilla+ 20%ESCTTQ, consistieron en la determinación de su expansión por humedad, eflorescencia y heladicidad, mostrando en general un mejor comportamiento que la arcilla sin adiciones. Así, se han obtenido nuevos materiales compuestos de matriz cerámica para la construcción, mejorando sus propiedades físicas, mecánicas y térmicas, utilizando escorias de aluminio procedentes de la metalurgia secundaria, como opción de valorización de estos residuos, evitando así, que se viertan a vertederos y contaminen el medio ambiente. ABSTRACT Developed societies generate a lot of waste, which need proper management. Thus, this problem requires increased attention from the society, due to the need to protect the environment. In this regard, efforts are focused on to minimize the generation of waste and find ways of taking advantage of those who are inevitable, much more advisable solutions from the technical, ecological and economic viewpoint to disposal or destruction. Industries should adopt precise measures to promote waste reduction, develop clean technologies that allow the saving of natural resources that we possess, and above all seek methods of reuse, recycling, recovery and valorisation of the waste generated in their production. The industry of the construction is a very receptive field for the development of new materials in which to incorporate these residues. The incorporation of different industrial residues in ceramic counterfoils appears as a cheap route to fix the different metallic present species in transformation of ornamental rocks, muds of galvanization or metallurgical, etc. In all the cases, the addition of these residues needs his previous characterization and the optimization of the conditions of conformed and of baking in case of his incorporation to the baked clay. Residues incorporated into construction materials include aluminium slag. The metallurgical industry produces during their fusion processes different types of slags. Recycling is one of the lines of interest to these industries. In the case of aluminium slag, their initial treatment consists of a recovery of the aluminium using mechanical methods followed by chemical treatment, or plasma. This method leads to that final slag just contains aluminium and is rich in soluble salts which limits storage in dumps. The slag is a mixture of aluminium metal and non-metallic such as oxides, nitrides and carbides of aluminium salts products and other metal oxides. The present Doctoral thesis has analysed the technical viability of the incorporation of aluminium slag from secondary Metallurgy in an array of baked clay. So they have been applied different treatments to the slag and have been applied different variables in its processing as the temperature of sintering, in addition to the content of slag or energy grinding. Its compaction with water between 5-10%, drying and sintering allows rectangular pieces of different size. From the point of view of the content of the slag, it is incorporated between 10 and 40% slag TT, that is to say, submitted a calcination prior to 750 ° C in air. The best results achieved correspond to 20% ESC TT, sintered at 980 ° C, as high levels of slag in accordance to pieces with black heart. The products obtained with the addition of 20% of slag from aluminium to clay, present a low expansion after sintering, better physical properties and mechanical, and higher thermal conductivity than the products obtained with clay, without addictions. Its density increases, decreases its absorption and increases its resistance to bending and compression, introducing a closed porosity and slag-matrix interaction. In all cases there is a superficial exudation of metallic aluminium, whose volume is related to the amount of slag added. By incorporating this content of slag, following a treatment of salt solution and subsequent calcination (ESC TTQ), are improved the properties of composite material not only on the calcined slag (ESC TT), but also in the slag without treatment (ESC). If the addition of 20% of slag added, is also treated, not only thermally but also chemically (ESC TTQ), they further improve the properties of the composite material, the product is more compact, less porous, so the values are higher density, minors are absorptions and greater resistance in bending and compression, to the products obtained with the addition of slag only treated thermally. Reaching values of compressive resistance characteristic of the order of 109 MPa. The thermal conductivity values obtained are also higher. Testing technology with pieces of 160 x 30 x 5 mm and optimized composite material of clay 20% ESCTTQ, consisted in the determination of its expansion by moisture, efflorescence and frost resistance, in general, showing a better performance than the clay without additions. Thus, we have obtained new ceramic matrix composite materials for construction, improving its physical, mechanical and thermal properties, using aluminium slag secondary metallurgy, as an option Valuation of these wastes, thus preventing them from being poured to landfills and pollute environment.

Comportamiento de pilares de hormigón armado confinados con materiales compuestos sometidos a compresión centrada

En la actualidad muchas estructuras de hormigón armado necesitan ser reforzadas debido a diversas razones: errores en el proyecto o construcción, deterioro debido a efectos ambientales, cambios de uso o mayores requerimientos en los códigos. Los materiales compuestos, también conocidos como polímeros reforzados con fibras (FRP), están constituidos por fibras continuas de gran resistencia y rigidez embebidas en un material polimérico. Los FRP se utilizan cada vez más en aplicaciones estructurales debido a sus excelentes propiedades (elevadas resistencia y rigidez específicas y resistencia a la corrosión). Una de las aplicaciones más atractivas es el refuerzo de pilares mediante confinamiento para incrementar su resistencia y ductilidad. El confinamiento puede conseguirse pegando capas de FRP envolviendo el pilar en la dirección de los cercos (con las fibras orientadas en dirección perpendicular al eje del elemento). Se han realizado numerosos estudios experimentales en probetas cilíndricas pequeñas confinadas con encamisados de FRP y sometidas a compresión axial, y se han propuesto varios modelos sobre el hormigón confinado con FRP. Es sabido que el confinamiento de pilares de sección no circular es menos eficiente. En una sección circular, el FRP ejerce una presión de confinamiento uniforme sobre todo el perímetro, mientras que en una sección rectangular la acción de confinamiento se concentra en las esquinas. Esta tesis presenta los resultados de una investigación experimental sobre el comportamiento de probetas de hormigón de sección cuadrada confinadas con FRP y sometidas a compresión centrada. Se realizaron un total de 42 ensayos investigándose el comportamiento en las direcciones axial y transversal. Las variables del estudio incluyen: la resistencia del hormigón, el tipo de fibras (vidrio o carbono), la cuantía de refuerzo y el radio de curvatura de las esquinas. Los resultados de los ensayos realizados muestran que el confinamiento con FRP puede mejorar considerablemente la resistencia y ductilidad de pilares de hormigón armado de sección cuadrada con las esquinas redondeadas. La mejora conseguida es mayor en los hormigones de baja resistencia que en los de resistencia media. La deformación de rotura de la camisa de FRP es menor que la que se obtiene en ensayos de tracción normalizados del laminado, y la eficiencia del confinamiento depende en gran medida del radio de redondeo de las esquinas. Los resultados se han comparado con los obtenidos según los modelos teóricos más aceptados. Hay dos parámetros críticos en el ajuste de los modelos: el factor de eficiencia de la deformación y el efecto de confinamiento en secciones no circulares. Nowadays, many existing RC structures are in need of repair and strengthening for several reasons: design or construction errors, deterioration caused by environmental effects, change in use of the structures or revisions of code requirements. Composite materials, also known as fibre reinforced polymers (FRP), are composed of high strength and stiffness continuous fibres embedded in a polymer material. FRP materials are being increasingly used in many structural applications due to their excellent properties (high strength- and stiffness-toweight ratio, good corrosion behaviour). One of the most attractive applications of FRP is the confinement of concrete columns to enhance both strength and ductility. Concrete confinement can be achieved by bonding layers of hoop FRP around the column (fibres oriented perpendicular to the longitudinal axis). Many experimental studies have been conducted on small-scale plain concrete specimens of circular cross-sections confined with FRP and subjected to pure axial compressive loading, and several design models have been proposed to describe the behaviour of FRP-confined concrete. It is widely accepted that the confinement of non-circular columns is less efficient than the confinement of circular columns. In a circular cross section, the jacket exerts a uniform confining pressure over the entire perimeter. In the case of a rectangular cross section, the confining action is mostly concentrated at the corners. This thesis presents the results of a comprehensive experimental investigation on the behaviour of axially loaded square concrete specimens confined with FRP. A total of 42 compression tests were conducted, and the behaviour of the specimens in the axial and transverse directions were investigated. The parameters considered in this study are: concrete strength, type of fibres (glass or carbon), amount of FRP reinforcement and corner radius of the cross section. The tests results indicate that FRP confinement can enhance considerably the compressive strength and ductility of RC square columns with rounded corners. The enhancement is more pronounced for low- than for normal-strength concrete. The rupture strain of the FRP jacket is lower than the ultimate strain obtained by standard tensile testing of the FRP material, and the confinement efficiency significantly depends on the corner radius. The confined concrete behaviour was predicted according to the more accepted theoretical models and compared with experimental results. There are two key parameters which critically influence the fitting of the models: the strain efficiency factor and the effect of confinement in non-circular sections.