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

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

Especificación de arquitecturas ITS: la experiencia del proyecto FOTsis

El constante desarrollo reciente de los ITS Cooperativos ha resultado en diferentes iniciativas que se centran en distintos aspectos del entorno Cooperativo. El proyecto Europeo FOTsis perteneciente al FP7 gira alrededor de la infraestructura de este entorno. El proyecto tiene como objetivos básicos desplegar y validar 7 servicios que han sido diseñados para maximizar los beneficios de la integración de diferentes entidades basadas en la infraestructura en el paisaje ITS: el operador de infraestructura, proveedores de datos externos, entre otros. Este artículo describe el estado actual del proyecto, destacando la especificación de la arquitectura ITS que lo sustenta: referencias, una breve reseña a la definición de los requisitos de los servicios, y finalmente la propuesta de arquitectura FOTsis, junto con algunas conclusiones sobre las pruebas realizadas sobre la arquitectura propuesta. Al final del artículo se da una visión general de los próximos pasos en el proyecto.

Smart aeronautical structures: development and experimental validation of a structural health monitoring system for damage detection

En muchas áreas de la ingeniería, la integridad y confiabilidad de las estructuras son aspectos de extrema importancia. Estos son controlados mediante el adecuado conocimiento de danos existentes. Típicamente, alcanzar el nivel de conocimiento necesario que permita caracterizar la integridad estructural implica el uso de técnicas de ensayos no destructivos. Estas técnicas son a menudo costosas y consumen mucho tiempo. En la actualidad, muchas industrias buscan incrementar la confiabilidad de las estructuras que emplean. Mediante el uso de técnicas de última tecnología es posible monitorizar las estructuras y en algunos casos, es factible detectar daños incipientes que pueden desencadenar en fallos catastróficos. Desafortunadamente, a medida que la complejidad de las estructuras, los componentes y sistemas incrementa, el riesgo de la aparición de daños y fallas también incrementa. Al mismo tiempo, la detección de dichas fallas y defectos se torna más compleja. En años recientes, la industria aeroespacial ha realizado grandes esfuerzos para integrar los sensores dentro de las estructuras, además de desarrollar algoritmos que permitan determinar la integridad estructural en tiempo real. Esta filosofía ha sido llamada “Structural Health Monitoring” (o “Monitorización de Salud Estructural” en español) y este tipo de estructuras han recibido el nombre de “Smart Structures” (o “Estructuras Inteligentes” en español). Este nuevo tipo de estructuras integran materiales, sensores, actuadores y algoritmos para detectar, cuantificar y localizar daños dentro de ellas mismas. Una novedosa metodología para detección de daños en estructuras se propone en este trabajo. La metodología está basada en mediciones de deformación y consiste en desarrollar técnicas de reconocimiento de patrones en el campo de deformaciones. Estas últimas, basadas en PCA (Análisis de Componentes Principales) y otras técnicas de reducción dimensional. Se propone el uso de Redes de difracción de Bragg y medidas distribuidas como sensores de deformación. La metodología se validó mediante pruebas a escala de laboratorio y pruebas a escala real con estructuras complejas. Los efectos de las condiciones de carga variables fueron estudiados y diversos experimentos fueron realizados para condiciones de carga estáticas y dinámicas, demostrando que la metodología es robusta ante condiciones de carga desconocidas. ABSTRACT In many engineering fields, the integrity and reliability of the structures are extremely important aspects. They are controlled by the adequate knowledge of existing damages. Typically, achieving the level of knowledge necessary to characterize the structural integrity involves the usage of nondestructive testing techniques. These are often expensive and time consuming. Nowadays, many industries look to increase the reliability of the structures used. By using leading edge techniques it is possible to monitoring these structures and in some cases, detect incipient damage that could trigger catastrophic failures. Unfortunately, as the complexity of the structures, components and systems increases, the risk of damages and failures also increases. At the same time, the detection of such failures and defects becomes more difficult. In recent years, the aerospace industry has done great efforts to integrate the sensors within the structures and, to develop algorithms for determining the structural integrity in real time. The ‘philosophy’ has being called “Structural Health Monitoring” and these structures have been called “smart structures”. These new types of structures integrate materials, sensors, actuators and algorithms to detect, quantify and locate damage within itself. A novel methodology for damage detection in structures is proposed. The methodology is based on strain measurements and consists in the development of strain field pattern recognition techniques. The aforementioned are based on PCA (Principal Component Analysis) and other dimensional reduction techniques. The use of fiber Bragg gratings and distributed sensing as strain sensors is proposed. The methodology have been validated by using laboratory scale tests and real scale tests with complex structures. The effects of the variable load conditions were studied and several experiments were performed for static and dynamic load conditions, demonstrating that the methodology is robust under unknown load conditions.

Sensing Aeropolis. Urban air monitoring devices in Madrid, 2006-2010

Esta tesis examina las implicaciones técnicas, políticas y espaciales del aire urbano, y en concreto, de la calidad del aire, para tenerlo en cuenta desde una perspectiva arquitectónica. En oposición a formas de entender el aire como un vacío o como una metáfora, este proyecto propone abordarlo desde un acercamiento material y tecnológico, trayendo el entorno al primer plano y reconociendo sus múltiples agencias. Debido a la escasa bibliografía detectada en el campo de la arquitectura, el objetivo es construir un marco teórico-analítico para considerar el aire urbano. Para ello el trabajo construye Aeropolis, una metáfora heurística que describe el ensamblaje sociotecnico de la ciudad. Situada en la intersección de determinadas ramas de la filosofía de la cultura, los estudios sobre ciencia y tecnología y estudios feministas de la ciencia este nuevo paisaje conceptual ofrece una metodología y herramientas para abordar el objeto de estudio desde distintos ángulos. Estas herramientas metodológicas han sido desarrolladas en el contexto específico de Madrid, ciudad muy contaminada cuyo aire ha sido objeto de controversias políticas y sociales, y donde las políticas y tecnologías para reducir sus niveles no han sido exitosas. Para encontrar una implicación alternativa con el aire esta tesis propone un método de investigación de agentes invisibles a partir del análisis de sus dispositivos epistémicos. Se centra, en concreto, en los instrumentos que miden, visualizan y comunican la calidad del aire, proponiendo que no sólo lo representan, sino que son también instrumentos que diseñan el aire y la ciudad. La noción de “sensing” (en castellano medir y sentir) es expandida, reconociendo distintas prácticas que reconstruyen el aire de Madrid. El resultado de esta estrategia no es sólo la ampliación de los espacios desde los que relacionarnos con el aire, sino también la legitimación de prácticas existentes fuera de contextos científicos y administrativos, como por ejemplo prácticas relacionadas con el cuerpo, así como la redistribución de agencias entre más actores. Así, esta tesis trata sobre toxicidad, la Unión Europea, producción colaborativa, modelos de computación, dolores de cabeza, kits DIY, gases, cuerpos humanos, salas de control, sangre o políticos, entre otros. Los dispositivos que sirven de datos empíricos sirven como un ejemplo excepcional para investigar infraestructuras digitales, permitiendo desafiar nociones sobre Ciudades Inteligentes. La tesis pone especial atención en los efectos del aire en el espacio público, reconociendo los procesos de invisibilización que han sufrido sus infraestructuras de monitorización. Para terminar se exponen líneas de trabajo y oportunidades para la arquitectura y el diseño urbano a través de nuevas relaciones entre infraestructuras urbanas, el medio construido, espacios domésticos y públicos y humanos y no humanos, para crear nuevas ecologías políticas urbanas (queer). ABSTRACT This thesis examines the technical, political and spatial implications of urban air, and more specifically "air quality", in order to consider it from an architectural perspective. In opposition to understandings of the air either as a void or as a metaphor, this project proposes to inspect it from a material and technical approach, bringing the background to the fore and acknowledging its multiple agencies. Due to the scarce bibliography within the architectural field, its first aim is to construct a theoretical and analytical framework from which to consider urban air. For this purpose, the work attempts the construction of Aeropolis, a heuristic metaphor that describes the city's aero socio-material assemblage. Located at the intersection of certain currents in cultural philosophy, science and technology studies as well as feminist studies in technoscience, this framework enables a methodology and toolset to be extracted in order to approach the subject matter from different angles. The methodological tools stemming from this purpose-built framework were put to the test in a specific case study: Madrid, a highly polluted city whose air has been subject to political and social controversies, and where no effective policies or technologies have been successful in reducing its levels of pollution. In order to engage with the air, the thesis suggests a method for researching invisible agents by examining the epistemic devices involved. It locates and focuses on the instruments that sense, visualise and communicate urban air, claiming that they do not only represent it, but are also instruments that design the air and the city. The notion of "sensing" is then expanded by recognising different practices which enact the air in Madrid. The work claims that the result of this is not only the opening up of spaces for engagement but also the legitimisation of existing practices outside science and policymaking environments, such as embodied practices, as well as the redistribution of agency among more actors. So this is a thesis about toxicity, the European Union, collaborative production, scientific computational models, headaches, DIY kits, gases, human bodies, control rooms, blood, or politicians, among many others. The devices found throughout the work serve as an exceptional substrate for an investigation of digital infrastructures, enabling to challenge Smart City tropes. There is special attention paid to the effects of the air on the public space, acknowledging the silencing processes these infrastructures have been subjected to. Finally there is an outline of the opportunities arising for architecture and urban design when taking the air into account, to create new (queer) urban political ecologies between the air, urban infrastructures, the built environment, public and domestic spaces, and humans and more than humans.

Metodología y criterios para evaluar la influencia de la domótica y su preinstalación en los edificios en función de los condicionantes constructivos y de la envolvente interior

La introducción de la automatización de servicios en los edificios de vivienda comenzó a implementarse a finales del siglo XX. Desde entonces, los edificios que incluyen instalaciones completas de automatización suelen conocerse como edificios domotizados o edificios inteligentes e implican la introducción en la arquitectura de tecnologías que hasta la fecha eran ajenas a ésta. El diseño de estos nuevos edificios de viviendas implica cada vez más el trabajo de equipos multidisciplinares y exige por parte del arquitecto la adquisición de nuevos conocimientos y herramientas proyectuales que aseguren la viabilidad constructiva de dichos servicios de automatización doméstica. La presente tesis tiene como objetivo determinar la influencia de la automatización de servicios domésticos en la fase de proyecto constructivo de los edificios para finalmente ofrecer al arquitecto herramientas, criterios y una metodología que le ayude a proyectar estos edificios satisfactoriamente. Esta influencia se evalúa y determina en función de los condicionantes constructivos, que se definen como aquellas consideraciones que el proyectista puede tener en cuenta en la fase de diseño o de concepción de un edificio. La metodología utilizada en esta investigación incluye el análisis conceptual y de contenidos de documentos normativos, técnicos, y de investigación así como un estudio de mercado de las aplicaciones más habituales en domótica. Finalmente la investigación se centra en la envolvente interior del edificio para determinar la influencia de los servicios de domotización no convencionales en el proyecto arquitectónico. Al margen de las aportaciones teóricas de esta investigación, las cuales se han propuesto para afianzar el marco teórico de la disciplina, los resultados obtenidos constatan que dicha influencia en la fase de proyecto existe y que es posible detectar qué condicionantes constructivos se derivan de la normativa de aplicación en este tipo de proyectos, de las nuevas tecnologías implicadas en las instalaciones de automatización y de los esfuerzos de estandarización de las asociaciones de empresas en el campo de la domótica. ABSTRACT The automation of services in residential buildings (also called home automation) began to be implemented in the late twentieth century. Since then, those buildings with full automation services are often known as intelligent buildings or smart buildings, and they imply the introduction into the architecture of technologies that where foreign to the field until then. The design of these new residential buildings increasingly involves the need of multidisciplinary teams and requires the architect to acquire new knowledge and project tools in order to ensure the constructability of such home automation services. This thesis pretends to determine the impact and influence of the introduction of home automation services in the design stage of residential buildings in order to, finally, provide the architect with the tools, criteria and methodology to help him design such projects successfully. This impact is evaluated and determined by the constructive constraints or factors implied, which are defined as those considerations that the designer may take into account in the conception and design stage of the project. The methodology used in this research includes conceptual and content analysis applied to normative and technical documents, regulatory standards and research papers, as well as a market survey of the most common applications and services in home automation. Finally, the investigation focuses on the inner partitions of the building to determine the influence of unconventional domotics services in the architectural design. Besides the theoretical contributions of this research, which have been proposed to strengthen the theoretical framework of the discipline, the achieved results find that such influence in the design stage exists and that it is possible to detect which constructive constraints are derived from the application of building regulations, from the new technologies involved in home automation facilities or from the standardization efforts of the joint ventures in the field of home automation.

Diseño de una metodología para la normalización del paisaje en España a partir del análisis de normas y de estudios cienciométricos: Aplicación al impacto paisajístico de las infraestructuras de transporte

La presente tesis se enmarca dentro de los trabajos realizados en el Proyecto CENIT OASIS (Operación de Autopistas Seguras Inteligentes y Sostenibles) sobre el impacto y la integración paisajística de las autopistas, y en los trabajos realizados por el grupo de trabajo GT 13 (paisaje) dentro del comité técnico nacional CTN 157 (proyectos) para normalización del Paisaje en España, del que la doctoranda es secretaria técnica. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar una Metodología que permita la normalización del paisaje en España. Por ello, establece las bases para el desarrollo científico y profesional en el ámbito del paisaje, a través de la caracterización de la actividad científica y de la actividad normalizadora internacional. Para después elaborar una propuesta de documentos normativos para su regulación en España. Por último, se pone en práctica la única de las normas aplicables a un caso real, concretamente en la AP-7 a su paso por la provincia de Gerona. La caracterización de la actividad científica en el ámbito del paisaje proporciona una visión global que sirve de referencia a las futuras investigaciones en la materia, no existente hasta la fecha. Entre los múltiples resultados, se identifican las áreas de conocimiento y disciplinas afines desde las que se aborda el paisaje, se analiza la evolución de las temáticas y líneas de investigación en el campo, se determina la distribución e impacto de la producción científica, destacando los países y centros de investigación punteros y sus colaboraciones, y se determinan las publicaciones más destacadas en la materia. La caracterización de la actividad normativa internacional hasta la fecha supone un referente en este campo, habiendo traducido, analizado y clasificado decenas de documentos sobre temas como la terminología, la profesión de paisajista, las reglas generales para las intervenciones en el paisaje, las normas para la protección del paisaje y normas para la evaluación del impacto paisajístico. La tesis desarrolla tres documentos normativos, que se espera sean el germen de los futuros documentos legales para normalización del Paisaje en España. El principal objetivo de la normalización es dotar a los profesionales de las herramientas necesarias para desarrollar sus intervenciones en el paisaje. Para ello, se ha elaborado un documento normativo sobre terminología del concepto clave y los términos asociados en castellano, que sirva de referencia para un futuro documento normativo; un documento normativo que regule los estudios de integración e impacto paisajístico en España, definiendo una serie de pautas que ayuden a los profesionales a desarrollar los proyectos de intervención en el paisaje; un documento que regule y defina la profesión de arquitecto paisajista, identificando sus capacidades, formaciones y competencias. Por último, el documento de impacto e integración paisajística se aplica a un caso concreto de infraestructuras del transporte, dentro del proyecto OASIS, sirviendo como ejemplo a los profesionales de la materia para desarrollar futuras intervenciones. El enfoque de este documento coincide con el de paisaje ecológico, el análisis del paisaje se aborda desde lo visible (fenosistema) y desde los procesos que lo conforman (criptosistema). Y las medidas de integración pretenden conseguir que la infraestructura forme parte del paisaje y de los procesos que ocurren en él, lo que en la tesis se define como Infraestructuras Verdes. ABSTRACT The thesis is within the framework of the CENIT OASIS Project (Operation of Safe, Intelligent and Sustainable Highways) about the landscape impact and integration of highways, and the work done by the working group GT 13 (landscape) in the national technical committee CTN 157 (projects) for landscape standardization in Spain, of which the PhD is technical secretary. The main objective of this thesis is to develop a Methodology that allows the landscape standardization in Spain. Therefore, it establishes the basis for the scientific and professional development in the landscape field, through the characterization of scientific and international normalizing activity. It concludes with the proposal of regulatory documents for its use in Spain. Finally, it implements the only of the rules applicable to a real case, specifically in the AP- 7 passing through the Gerona province. The characterization of scientific activity in the landscape field provides an overview that is a reference in the researches in this field, non-existent to date. Among the many results, the areas of knowledge and related disciplines, from which the landscape is addressed, are identified; the evolution of topics and lines of research in the field are analyzed; the distribution and impact of scientific production is determined, highlighting the countries and leading research centers and collaborations; and the leading publications in the field are determined. The characterization of the international regulatory activity to date is a model in this field, having translated, analyzed and classified dozens of papers about terminology, the landscapist profession, general rules for intervention in the landscape, standards for the landscape protection and rules for the assessment of landscape impact. The thesis develops three normative documents, which are expected to be the germ of future legal documents for standardization landscape in Spain. The main objective of standardization is to provide the necessary tools for professionals who work developing interventions in the landscape. To do this, it has been developed a normative document about terminology on the key concept and the associated terms in Castilian, as a reference for a future normative document; a normative document that regulates studies of landscape integration and impact in Spain, defining a set of guidelines to help professionals to develop intervention projects in the landscape; a document to regulate and define the activities developed by the professionals, defining the profession of landscape architect, their capabilities and competencies. Finally, the document of landscape impact and integration is applied to a particular case of transport infrastructures within the OASIS project, serving as an example to professionals in the field to develop future interventions. The focus of this document coincides with the ecological landscape; the landscape analysis is approached from the visible (fenosystem) and from the processes that shape it (cryptosystem); and integration measures aim to achieve that the infrastructure take part of the landscape and its existing processes, which in this thesis is defined as Green Infrastructures.

Allegro ma non troppo: las dimensiones ocultas en la coordinación de estudiantes

El presente trabajo se centra en el seguimiento de los estudiantes durante el desarrollo de actividades colaborativas propuestas en varias asignaturas de la titulación de Ingeniería Agrónomica. Estas experiencias pretenden fomentar la capacidad de colaboración y coordinación por parte de los alumnos para alcanzar un objetivo. Las actividades aquí descritas pretenden, mediante un proceso de reflexión, fomentar en los alumnos la capacidad de analizar críticamente una serie de comportamientos, así como su propia actitud y la del grupo. Se parte de la clasificación acuñada por Carlo Maria Cipolla, según la cual las actitudes o personas inteligentes son las que consiguen el bien para sí mismas y para los demás; las incautas aquellas que obtienen beneficio para los demás mientras acumulan pérdidas para sí mismas; las malvadas, que obtienen beneficios para sí mismas y pérdidas para los demás; y las estúpidas, que causan pérdidas a todos. El objetivo de este análisis es propiciar la adquisición de una mayor conciencia de la actitudes desarrolladas, y sus efectos sobre el propio individuo y sobre el grupo. La asunción de roles con mayor responsabilidad en los trabajos colaborativos mejora la percepción de las aportaciones propias y especialmente las del grupo. La toma de conciencia propiciada por el proceso de reflexión puede suponer una ayuda en la resolución de conflictos y un apoyo para el establecimiento de un proceso de crítica constructiva dentro del grupo.

Crowdsourcing de información geográfica: proyectos Open Source y desarrollo de una plataforma móvil para mantenimiento de infraestructura urbana.

El presente trabajo se centra en la investigación del modelo de crowdsourcing y su relación con la Información Geográfica Voluntaria y otras actividades participativas para la creación de conocimiento geográfico de forma colaborativa. Primero se expone una introducción al concepto y distintos ámbitos de aplicación y uso en la adquisición,visualización y análisis de datos geográficos, presentándose las herramientas, tecnologías web y móviles que han hecho posible su implementación. Después se hace una breve revisión de algunas plataformas de código abierto que faciliten la creación de contenido geolocalizado por el usuario y proporcionen funcionalidades para el análisis básico y manipulación de información mediante la implementación de estrategias de crowdsourcing. En los apartados siguientes, se hace un breve análisis de requisitos para el caso de uso específico de una aplicación móvil de crowdsourcing para el mantenimiento urbano, sirviendo este, como base en el desarrollo de una plataforma Web-móvil que facilite la gestión de este tipo de infraestructura. El diseño de la plataforma propuesta permite consultar y actualizar información por medio de etiquetas NFC (Near Field Communications o comunicación de campo cercano) utilizadas en el mobiliario urbano inventariado y empleando dispositivos inteligentes habilitados con la misma tecnología y conexión a Internet, para dar seguimiento y reportar el estado de la infraestructura. También, es posible generar reportes geolocalizados sobre problemas en instalaciones urbanas no inventariadas, así como crear eventos geolocalizados que convoquen a tareas participativas para la mejora de la ciudad. Además, integra entradas de conversación de redes sociales para contribuir a la participación activa de los ciudadanos en la vigilancia y mantenimiento urbano. Por último, el trabajo presenta algunas conclusiones y líneas futuras.

Smart Products: Una Revisión Sistemática de la Literatura

Existe una proliferación de los llamados Smart Products. Ello es debido a que cada vez se apueste más por este tipo de productos tanto en la vida cotidiana como en el sector industrial. Sin embargo el término Smart Product se utiliza con diferentes acepciones en diferentes contextos o dominios de aplicación. La utilización del término con una semántica diferente de la habitual en un contexto puede llevar a problemas serios de compresión. El objetivo de este trabajo es analizar las diferentes definiciones de Smart Products—Productos Inteligentes, Smart Products en terminología inglesa, ampliamente utilizada—que aparecen en la literatura con el objeto de estudiar los diferentes matices y alcances que ofrecen para valorar si es posible obtener una definición de consenso que satisfaga a todas las partes, y especificarla. Con el fin de poder abarcar definiciones conexas introducimos el concepto Smart Thing—este concepto incluirá aquellas definiciones que puedan estar relacionadas con los Smart Products, como es el caso de los Intelligent Products, Smart Objects, Intelligent Systems, Intelligent Object. Para poder analizar las diferentes definiciones existentes en la literatura existente realizamos una Revisión Sistemática de la Literatura. El enfoque de Computación Autonómica—Autonomic Computing—tiene varios aspectos en común con Smart Products. Por ello una vez analizadas las diferentes definiciones existentes en la literatura hemos procedido a estudiar los puntos en común que tienen con Autonomic Computing, con el fin de valorar si Autonomic Computing es un enfoque adecuado en el que nos podamos apoyar para especificar, y diseñar Smart Products.

Predicción espacio-temporal de la irradiancia solar global a corto plazo en España mediante geoestadística y redes neuronales artificiales

El enriquecimiento del conocimiento sobre la Irradiancia Solar (IS) a nivel de superficie terrestre, así como su predicción, cobran gran interés para las Energías Renovables (ER) - Energía Solar (ES)-, y para distintas aplicaciones industriales o ecológicas. En el ámbito de las ER, el uso óptimo de la ES implica contar con datos de la IS en superficie que ayuden tanto, en la selección de emplazamientos para instalaciones de ES, como en su etapa de diseño (dimensionar la producción) y, finalmente, en su explotación. En este último caso, la observación y la predicción es útil para el mercado energético, la planificación y gestión de la energía (generadoras y operadoras del sistema eléctrico), especialmente en los nuevos contextos de las redes inteligentes de transporte. A pesar de la importancia estratégica de contar con datos de la IS, especialmente los observados por sensores de IS en superficie (los que mejor captan esta variable), estos no siempre están disponibles para los lugares de interés ni con la resolución espacial y temporal deseada. Esta limitación se une a la necesidad de disponer de predicciones a corto plazo de la IS que ayuden a la planificación y gestión de la energía. Se ha indagado y caracterizado las Redes de Estaciones Meteorológicas (REM) existentes en España que publican en internet sus observaciones, focalizando en la IS. Se han identificado 24 REM (16 gubernamentales y 8 redes voluntarios) que aglutinan 3492 estaciones, convirtiéndose éstas en las fuentes de datos meteorológicos utilizados en la tesis. Se han investigado cinco técnicas de estimación espacial de la IS en intervalos de 15 minutos para el territorio peninsular (3 técnicas geoestadísticas, una determinística y el método HelioSat2 basado en imágenes satelitales) con distintas configuraciones espaciales. Cuando el área de estudio tiene una adecuada densidad de observaciones, el mejor método identificado para estimar la IS es el Kriging con Regresión usando variables auxiliares -una de ellas la IS estimada a partir de imágenes satelitales-. De este modo es posible estimar espacialmente la IS más allá de los 25 km identificados en la bibliografía. En caso contrario, se corrobora la idoneidad de utilizar estimaciones a partir de sensores remotos cuando la densidad de observaciones no es adecuada. Se ha experimentado con el modelado de Redes Neuronales Artificiales (RNA) para la predicción a corto plazo de la IS utilizando observaciones próximas (componentes espaciales) en sus entradas y, los resultados son prometedores. Así los niveles de errores disminuyen bajo las siguientes condiciones: (1) cuando el horizonte temporal de predicción es inferior o igual a 3 horas, las estaciones vecinas que se incluyen en el modelo deben encentrarse a una distancia máxima aproximada de 55 km. Esto permite concluir que las RNA son capaces de aprender cómo afectan las condiciones meteorológicas vecinas a la predicción de la IS. ABSTRACT ABSTRACT The enrichment of knowledge about the Solar Irradiance (SI) at Earth's surface and its prediction, have a high interest for Renewable Energy (RE) - Solar Energy (SE) - and for various industrial and environmental applications. In the field of the RE, the optimal use of the SE involves having SI surface to help in the selection of sites for facilities ES, in the design stage (sizing energy production), and finally on their production. In the latter case, the observation and prediction is useful for the market, planning and management of the energy (generators and electrical system operators), especially in new contexts of smart transport networks (smartgrid). Despite the strategic importance of SI data, especially those observed by sensors of SI at surface (the ones that best measure this environmental variable), these are not always available to the sights and the spatial and temporal resolution desired. This limitation is bound to the need for short-term predictions of the SI to help planning and energy management. It has been investigated and characterized existing Networks of Weather Stations (NWS) in Spain that share its observations online, focusing on SI. 24 NWS have been identified (16 government and 8 volunteer networks) that implies 3492 stations, turning it into the sources of meteorological data used in the thesis. We have investigated five technical of spatial estimation of SI in 15 minutes to the mainland (3 geostatistical techniques and HelioSat2 a deterministic method based on satellite images) with different spatial configurations. When the study area has an adequate density of observations we identified the best method to estimate the SI is the regression kriging with auxiliary variables (one of them is the SI estimated from satellite images. Thus it is possible to spatially estimate the SI beyond the 25 km identified in the literature. Otherwise, when the density of observations is inadequate the appropriateness is using the estimates values from remote sensing. It has been experimented with Artificial Neural Networks (ANN) modeling for predicting the short-term future of the SI using observations from neighbor’s weather stations (spatial components) in their inputs, and the results are promising. The error levels decrease under the following conditions: (1) when the prediction horizon is less or equal than 3 hours the best models are the ones that include data from the neighboring stations (at a maximum distance of 55 km). It is concluded that the ANN is able to learn how weather conditions affect neighboring prediction of IS at such Spatio-temporal horizons.

Plataforma de evaluación de algoritmos para la identificación de usuarios

La minería de datos es un campo de las ciencias de la computación referido al proceso que intenta descubrir patrones en grandes volúmenes de datos. La minería de datos busca generar información similar a la que podría producir un experto humano. Además es el proceso de descubrir conocimientos interesantes, como patrones, asociaciones, cambios, anomalías y estructuras significativas a partir de grandes cantidades de datos almacenadas en bases de datos, data warehouses o cualquier otro medio de almacenamiento de información. El aprendizaje automático o aprendizaje de máquinas es una rama de la Inteligencia artificial cuyo objetivo es desarrollar técnicas que permitan a las computadoras aprender. De forma más concreta, se trata de crear programas capaces de generalizar comportamientos a partir de una información no estructurada suministrada en forma de ejemplos. La minería de datos utiliza métodos de aprendizaje automático para descubrir y enumerar patrones presentes en los datos. En los últimos años se han aplicado las técnicas de clasificación y aprendizaje automático en un número elevado de ámbitos como el sanitario, comercial o de seguridad. Un ejemplo muy actual es la detección de comportamientos y transacciones fraudulentas en bancos. Una aplicación de interés es el uso de las técnicas desarrolladas para la detección de comportamientos fraudulentos en la identificación de usuarios existentes en el interior de entornos inteligentes sin necesidad de realizar un proceso de autenticación. Para comprobar que estas técnicas son efectivas durante la fase de análisis de una determinada solución, es necesario crear una plataforma que de soporte al desarrollo, validación y evaluación de algoritmos de aprendizaje y clasificación en los entornos de aplicación bajo estudio. El proyecto planteado está definido para la creación de una plataforma que permita evaluar algoritmos de aprendizaje automático como mecanismos de identificación en espacios inteligentes. Se estudiarán tanto los algoritmos propios de este tipo de técnicas como las plataformas actuales existentes para definir un conjunto de requisitos específicos de la plataforma a desarrollar. Tras el análisis se desarrollará parcialmente la plataforma. Tras el desarrollo se validará con pruebas de concepto y finalmente se verificará en un entorno de investigación a definir. ABSTRACT. The data mining is a field of the sciences of the computation referred to the process that it tries to discover patterns in big volumes of information. The data mining seeks to generate information similar to the one that a human expert might produce. In addition it is the process of discovering interesting knowledge, as patterns, associations, changes, abnormalities and significant structures from big quantities of information stored in databases, data warehouses or any other way of storage of information. The machine learning is a branch of the artificial Intelligence which aim is to develop technologies that they allow the computers to learn. More specifically, it is a question of creating programs capable of generalizing behaviors from not structured information supplied in the form of examples. The data mining uses methods of machine learning to discover and to enumerate present patterns in the information. In the last years there have been applied classification and machine learning techniques in a high number of areas such as healthcare, commercial or security. A very current example is the detection of behaviors and fraudulent transactions in banks. An application of interest is the use of the techniques developed for the detection of fraudulent behaviors in the identification of existing Users inside intelligent environments without need to realize a process of authentication. To verify these techniques are effective during the phase of analysis of a certain solution, it is necessary to create a platform that support the development, validation and evaluation of algorithms of learning and classification in the environments of application under study. The project proposed is defined for the creation of a platform that allows evaluating algorithms of machine learning as mechanisms of identification in intelligent spaces. There will be studied both the own algorithms of this type of technologies and the current existing platforms to define a set of specific requirements of the platform to develop. After the analysis the platform will develop partially. After the development it will be validated by prove of concept and finally verified in an environment of investigation that would be define.

ITS para la mejora de la seguridad vial: aplicaciones más viables y eficientes en gestión de carreteras

Los Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS) presentan un enorme potencial como medidas eficientes para la mejora de la seguridad vial. En este artículo se recoge cómo los ITS pueden contribuir a reducir la siniestralidad o a paliar sus consecuencias y se destacan las alternativas concretas que los expertos en gestión de carreteras consideran más viables y efectivas, dando un enfoque práctico para su implantación en carreteras. En este artículo se destaca además la necesidad de reforzar la presencia de las evaluaciones económicas de las actuaciones de mejora de la seguridad vial. En ese sentido, se dan referencias sobre cómo llevarlas a cabo y se recopilan los resultados más relevantes en relación con la eficacia de varios de los ITS más habituales. De esta forma se difunde cómo defender técnicamente la elección de ITS frente a otras opciones. Por último se dedica un apartado a abordar lo que, según los especialistas en la materia, están siendo las tendencias y retos que se observan en cuanto a implantación de ITS de carreteras para los próximos años.

Especificación de arquitecturas ITS. La experiencia del proyecto FOTsis

El constante desarrollo reciente de los Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS) Cooperativos ha resultado en diferentes iniciativas que se centran en distintos aspectos del entorno. El proyecto Europeo FOTsis perteneciente al Séptimo Programa Marco de la Comisión Europea (FP7) gira alrededor de la infraestructura del entorno del transporte por carretera. El proyecto tiene como objetivos básicos desplegar y validar 7 servicios que han sido diseñados para maximizar los beneficios de la integración de diferentes entidades basadas en la infraestructura en el paisaje ITS: el operador de infraestructura y proveedores de datos externos, entre otros. Este artículo describe el estado actual del proyecto, destacando la especificación de la arquitectura ITS que lo sustenta: referencias, una breve reseña a la definición de los requisitos de los servicios, y finalmente la propuesta de arquitectura FOTsis, junto con algunas conclusiones sobre las pruebas realizadas sobre la arquitectura propuesta. Al final del artículo se da una visión general de los próximos pasos en el proyecto.

Evaluación subjetiva de la diferenciación entre las respuestas impulsivas medidas y simuladas en diferentes recintos

Este trabajo tiene como objeto la evaluación subjetiva de la diferenciación entre señales auralizadas con respuestas impulsivas simuladas y con respuestas impulsivas medidas en diferentes recintos. Para ello, se ha desarrollado una herramienta software que genera las auralizaciones correspondientes, proporciona una interfaz de usuario para la realización de un test subjetivo de escucha y almacena los resultados de dicho test. Se presentan los resultados de un test de escucha realizado a 58 oyentes, utilizando diferentes señales de prueba, a partir de las respuestas impulsivas simuladas y medidas en seis recintos con características acústicas distintas. ABSTRACT. This work aims the subjective assessment of the differentiation between auralization signals with impulse responses simulated and impulse responses measured at different rooms. To this end, we have developed a software tool that generates the corresponding auralizations, provides a user interface to perform a subjective listening test and stores the results of the test. In this project we present the results of a listening test performed for 58 listeners, using different test signals from the impulse responses measured and simulated in six rooms with different acoustic characteristics.

Influencia de la sensibilización sobre la percepción de la molestia

Actualmente el ruido en entornos aeroportuarios presenta unos niveles de aceptación muy bajos. Los niveles de emisión acústica de las aeronaves han decrecido notablemente en las últimas décadas y dicha mejora no ha redundado en una disminución de la molestia. En algunos aeropuertos donde se aplica el concepto de enfoque equilibrado no existe demasiado margen para la reducción en las emisiones acústicas. Una alternativa es investigar el papel que pueden desempeñar las estrategias de sensibilización y de comunicación de las emisiones acústicas por parte de los gestores del ruido, intentando responder a las siguientes cuestiones: ¿Cómo afecta la comunicación en materia de ruido sobre la percepción de molestia?, ¿Puede contribuir activamente a mejorar la aceptación de los aeropuertos?, ¿Cómo podemos hacer estas estrategias más eficaces?