A simplified procedure for sizing solar thermal systems based on national assessment methods in the UK and Ireland.

Solar heating systems have the potential to be an efficient renewable energy technology, provided they are sized correctly. Sizing a solar thermal system for domestic applications does not warrant the cost of a simulation. As a result simplified sizing procedures are required. The size of a system depends on a number of variables including the efficiency of the collector itself, the hot water demand and the solar radiation at a given location. Domestic Hot Water (DHW) demand varies with time and is assessed using a multi-parameter detailed model. Secondly, the national energy evaluation methodologies are evaluated from the perspective of solar thermal system sizing. Based on the assessment of the standards, limitations in the evaluation method for solar thermal systems are outlined and an adapted method, specific to the sizing of solar thermal systems, is proposed. The methodology is presented for two common dwelling scenarios. Results from this showed that it is difficult to achieve a high solar fraction given practical sizes of system infrastructure (storage tanks) for standard domestic properties. However, solar thermal systems can significantly offset energy loads due associated DHW consumption, particularly when sized appropriately. The presented methodology is valuable for simple solar system design and also for the quick comparison of salient criteria.

Early warning systems: problems, pragmatics and potential

Symposium Chair: Dr Jennifer McGaughey

Title: Early Warning Systems: problems, pragmatics and potential

Early Warning Systems (EWS) provide a mechanism for staff to recognise, refer and manage deteriorating patients on general hospital wards. Implementation of EWS in practice has required considerable change in the delivery of critical care across hospitals. Drawing their experience of these changes the authors will demonstrate the problems and potential of using EWS to improve patient outcomes.

The first paper (Dr Jennifer McGaughey: Early Warning Systems: what works?) reviews the research evidence regarding the factors that support or constrain the implementation of Early Warning System (EWS) in practice. These findings explain those processes which impact on the successful achievement of patient outcomes. In order to improve detection and standardise practice National EWS have been implemented in the United Kingdom. The second paper (Catherine Plowright: The implementation of the National EWS in a District General Hospital) focuses on the process of implementing and auditing a National EWS. This process improvement is essential to contribute to future collaborative research and collection of robust datasets to improve patient safety as recommended by the Royal College of Physicians (RCP 2012). To successfully implement NEWS in practice requires strategic planning and staff education. The practical issues of training staff is discussed in the third paper. This paper (Collette Laws-Chapman: Simulation as a modality to embed the use of Early Warning Systems) focuses on using simulation and structured debrief to enhance learning in the early recognition and management of deteriorating patients. This session emphasises the importance of cognitive and social skills developed alongside practical skills in the simulated setting.

Performance Limits of MIMO Systems with Nonlinear Power Amplifiers

The development of 5G enabling technologies brings new challenges to the design of power amplifiers (PAs). In particular, there is a strong demand for low-cost, nonlinear PAs which, however, introduce nonlinear distortions. On the other hand, contemporary expensive PAs show great power efficiency in their nonlinear region. Inspired by this trade-off between nonlinearity distortions and efficiency, finding an optimal operating point is highly desirable. Hence, it is first necessary to fully understand how and how much the performance of multiple-input multiple-output (MIMO) systems deteriorates with PA nonlinearities. In this paper, we first reduce the ergodic achievable rate (EAR) optimization from a power allocation to a power control problem with only one optimization variable, i.e. total input power. Then, we develop a closed-form expression for the EAR, where this variable is fixed. Since this expression is intractable for further analysis, two simple lower bounds and one upper bound are proposed. These bounds enable us to find the best input power and approach the channel capacity. Finally, our simulation results evaluate the EAR of MIMO channels in the presence of nonlinearities. An important observation is that the MIMO performance can be significantly degraded if we utilize the whole power budget.

A novel TRNSYS type for short-term borehole heat exchanger simulation: B2G model

Models of ground source heat pump (GSHP) systems are used as an aid for the correct design and optimization of the system. For this purpose, it is necessary to develop models which correctly reproduce the dynamic thermal behavior of each component in a short-term basis. Since the borehole heat exchanger (BHE) is one of the main components, special attention should be paid to ensuring a good accuracy on the prediction of the short-term response of the boreholes. The BHE models found in literature which are suitable for short-term simulations usually present high computational costs. In this work, a novel TRNSYS type implementing a borehole-to-ground (B2G) model, developed for modeling the short-term dynamic performance of a BHE with low computational cost, is presented. The model has been validated against experimental data from a GSHP system located at Universitat Politècnica de València, Spain. Validation results show the ability of the model to reproduce the short-term behavior of the borehole, both for a step-test and under normal operating conditions.

Manufacturing System Simulation & Human Robot Interaction in VR:Manufacturing system simulation: Methodologies, software tools, case study in transportation design

Virtual Reality techniques are relatively new, having experienced significant development only during the last few years, in accordance with the progress achieved by computer science and hardware and software technologies. The study of such advanced design systems has led to the realization of an immersive environment in which new procedures for the evaluation of product prototypes, ergonomics and manufacturing operations have been simulated. The application of the environment realized to robotics, ergonomics, plant simulations and maintainability verifications has allowed us to highlight the advantages offered by a design methodology: the possibility of working on the industrial product in the first phase of conception; of placing the designer in front of the virtual reproduction of the product in a realistic way; and of interacting with the same concept. The aim of this book is to present an updated vision of VM through different aspects. We will describe the trends and results achieved in the automotive, aerospace and railway fields, in terms of the Digital Product Creation Process to design the product and the manufacturing process.

Design of a Virtual Reality Framework for Maintainability and assemblability test of complex systems

This paper presents a unique environment whose features are able to satisfy requirements for both virtual maintenance and virtual manufacturing through the conception of original virtual reality (VR) architecture. Virtual Reality for the Maintainability and Assemblability Tests (VR_MATE) encompasses VR hardware and software and a simulation manager which allows customisation of the architecture itself as well as interfacing with a wide range of devices employed in the simulations. Two case studies are presented to illustrate VR_MATE's unique ability to allow for both maintainability tests and assembly analysis of an aircraft carriage and a railway coach cooling system respectively. The key impact of this research is the demonstration of the potentialities of using VR techniques in industry and its multiple applications despite the subjective character within the simulation. VR_MATE has been presented as a framework to support the strategic and operative objectives of companies to reduce product development time and costs whilst maintaining product quality for applications which would be too expensive to simulate and evaluate in the real world.

Analysis of multirate behavior in electronic systems

Esta tese insere-se na área da simulação de circuitos de RF e microondas, e visa o estudo de ferramentas computacionais inovadoras que consigam simular, de forma eficiente, circuitos não lineares e muito heterogéneos, contendo uma estrutura combinada de blocos analógicos de RF e de banda base e blocos digitais, a operar em múltiplas escalas de tempo. Os métodos numéricos propostos nesta tese baseiam-se em estratégias multi-dimensionais, as quais usam múltiplas variáveis temporais definidas em domínios de tempo deformados e não deformados, para lidar, de forma eficaz, com as disparidades existentes entre as diversas escalas de tempo. De modo a poder tirar proveito dos diferentes ritmos de evolução temporal existentes entre correntes e tensões com variação muito rápida (variáveis de estado activas) e correntes e tensões com variação lenta (variáveis de estado latentes), são utilizadas algumas técnicas numéricas avançadas para operar dentro dos espaços multi-dimensionais, como, por exemplo, os algoritmos multi-ritmo de Runge-Kutta, ou o método das linhas. São também apresentadas algumas estratégias de partição dos circuitos, as quais permitem dividir um circuito em sub-circuitos de uma forma completamente automática, em função dos ritmos de evolução das suas variáveis de estado. Para problemas acentuadamente não lineares, são propostos vários métodos inovadores de simulação a operar estritamente no domínio do tempo. Para problemas com não linearidades moderadas é proposto um novo método híbrido frequência-tempo, baseado numa combinação entre a integração passo a passo unidimensional e o método seguidor de envolvente com balanço harmónico. O desempenho dos métodos é testado na simulação de alguns exemplos ilustrativos, com resultados bastante promissores. Uma análise comparativa entre os métodos agora propostos e os métodos actualmente existentes para simulação RF, revela ganhos consideráveis em termos de rapidez de computação.

Channel and frequency offset estimation schemes for multicarrier systems

O presente trabalho aborda o problema da estimação de canal e da estimação de desvio de frequência em sistemas OFDM com múltiplas configurações de antenas no transmissor e no receptor. Nesta tese é apresentado o estudo teórico sobre o impacto da densidade de pilotos no desempenho da estimação de canal em sistemas OFDM e são propostos diversos algoritmos para estimação de canal e estimação de desvio de frequência em sistemas OFDM com antenas únicas no transmissor e receptor, com diversidade de transmissão e MIMO. O estudo teórico culmina com a formulação analítica do erro quadrático médio de um estimador de canal genérico num sistema OFDM que utilize pilotos dedicados, distribuidos no quadro transmitido em padrões bi-dimensionais. A formulação genérica é concretizada para o estimador bi-dimensional LS-DFT, permitindo aferir da exactidão da formulação analítica quando comparada com os valores obtidos por simulação do sistema abordado. Os algoritmos de estimação investigados tiram partido da presença de pilotos dedicados presentes nos quadros transmitidos para estimar com precisão os parâmetros pretendidos. Pela sua baixa complexidade, estes algoritmos revelam-se especialmente adequados para implementação em terminais móveis com capacidade computacional e consumo limitados. O desempenho dos algoritmos propostos foi avaliado por meio de simulação do sistema utilizado, recorrendo a modelos aceites de caracterização do canal móvel multipercurso. A comparação do seu desempenho com algoritmos de referência permitir aferir da sua validade. ABSTRACT: The present work focus on the problem of channel estimation and frequency offset estimation in OFDM systems, with different antenna configurations at both the transmitter and the receiver. This thesis presents the theoretical study of the impact of the pilot density in the performance of the channel estimation in OFDM systems and proposes several channel and frequency offset algorithms for OFDM systems with single antenna at both transmitter and receiver, with transmitter diversity and MIMO. The theoretical study results in the analytical formulation of the mean square error of a generic channel estimator for an OFDM system using dedicated pilots, distributed in the transmitted frame in two-dimensional patterns. The generic formulation is implemented for the two-dimensional LS-DFT estimator to verify the accuracy of the analytical formulation when compared with the values obtained by simulation of the discussed system. The investigated estimation algorithms take advantage of the presence of dedicated pilots present in the transmitted frames to accurately estimate the required parameters. Due to its low complexity, these algorithms are especially suited for implementation in mobile terminals with limited processing power and consumption. The performance of the proposed algorithms was evaluated by simulation of the used system, using accepted multipath mobile channel models. The comparison of its performance with the one of reference algorithms measures its validity.

Numerical modelling of radionuclide migration in near-surface systems

Em todo o mundo são usados, hoje em dia, modelos numéricos hidrogeoquímicos para simular fenómenos naturais e fenómenos decorrentes de actividades antrópicas. Estes modelos ajudam-nos a compreender o ambiente envolvente, a sua variabilidade espacial e evolução temporal. No presente trabalho apresenta-se o desenvolvimento de modelos numéricos hidrogeoquímicos aplicados no contexto do repositório geológico profundo para resíduos nucleares de elevada actividade. A avaliação da performance de um repositório geológico profundo inclui o estudo da evolução geoquímica do repositório, bem como a análise dos cenários de mau funcionamento do repositório, e respectivas consequências ambientais. Se se escaparem acidentalmente radionuclídeos de um repositório, estes poderão atravessar as barreiras de engenharia e barreiras naturais que constituem o repositório, atingindo eventualmente, os ecosistemas superficiais. Neste caso, os sedimentos subsuperficiais constituem a última barreira natural antes dos ecosistemas superficiais. No presente trabalho foram desenvolvidos modelos numéricos que integram processos biogeoquímicos, geoquímicos, hidrodinâmicos e de transporte de solutos, para entender e quantificar a influência destes processos na mobilidade de radionuclídeos em sistemas subsuperficiais. Os resultados alcançados reflectem a robustez dos instrumentos numéricos utilizados para desenvolver simulações descritivas e predictivas de processos hidrogeoquímicos que influenciam a mobilidade de radionuclídeos. A simulação (descritiva) de uma experiência laboratorial revela que a actividade microbiana induz a diminuição do potencial redox da água subterrânea que, por sua vez, favorece a retenção de radionuclídeos sensíveis ao potencial redox, como o urânio. As simulações predictivas indicam que processos de co-precipitação com minerais de elementos maioritários, precipitação de fases puras, intercâmbio catiónico e adsorção à superfície de minerais favorecem a retenção de U, Cs, Sr e Ra na fase sólida de uma argila glaciar e uma moreia rica em calcite. A etiquetagem dos radionuclídeos nas simulações numéricas permitiu concluir que a diluição isotópica joga um papel importante no potencial impacte dos radionuclídeos nos sistemas subsuperficiais. A partir dos resultados das simulações numéricas é possivel calcular coeficientes de distribuição efectivos. Esta metodologia proporciona a simulação de ensaios de traçadores de longa duração que não seriam exequíveis à escala da vida humana. A partir destas simulações podem ser obtidos coeficientes de retardamento que são úteis no contexto da avaliação da performance de repositórios geológicos profundos.

Visible light communication systems for road safety applications

Esta tese apresenta um estudo exploratório sobre sistemas de comunicação por luz visível e as suas aplicações em sistemas de transporte inteligentes como forma a melhorar a segurança nas estradas. Foram desenvolvidos neste trabalho, modelos conceptuais e analíticos adequados à caracterização deste tipo de sistemas. Foi desenvolvido um protótipo de baixo custo, capaz de suportar a disseminação de informação utilizando semáforos. A sua realização carece de um estudo detalhado, nomeadamente: i) foi necessário obter modelos capazes de descrever os padrões de radiação numa área de serviço pré-definida; ii) foi necessário caracterizar o meio de comunicações; iii) foi necessário estudar o comportamento de vários esquemas de modulação de forma a optar pelo mais robusto; finalmente, iv) obter a implementação do sistema baseado em FPGA e componentes discretos. O protótipo implementado foi testado em condições reais. Os resultados alcançados mostram os méritos desta solução, chegando mesmo a encorajar a utilização desta tecnologia em outros cenários de aplicação.

Interference cancellation for distributed wireless systems

O tema principal desta tese é o problema de cancelamento de interferência para sistemas multi-utilizador, com antenas distribuídas. Como tal, ao iniciar, uma visão geral das principais propriedades de um sistema de antenas distribuídas é apresentada. Esta descrição inclui o estudo analítico do impacto da ligação, dos utilizadores do sistema, a mais antenas distribuídas. Durante essa análise é demonstrado que a propriedade mais importante do sistema para obtenção do ganho máximo, através da ligação de mais antenas de transmissão, é a simetria espacial e que os utilizadores nas fronteiras das células são os mais bene ciados. Tais resultados são comprovados através de simulação. O problema de cancelamento de interferência multi-utilizador é considerado tanto para o caso unidimensional (i.e. sem codi cação) como para o multidimensional (i.e. com codi cação). Para o caso unidimensional um algoritmo de pré-codi cação não-linear é proposto e avaliado, tendo como objectivo a minimização da taxa de erro de bit. Tanto o caso de portadora única como o de multipla-portadora são abordados, bem como o cenário de antenas colocadas e distribuidas. É demonstrado que o esquema proposto pode ser visto como uma extensão do bem conhecido esquema de zeros forçados, cuja desempenho é provado ser um limite inferior para o esquema generalizado. O algoritmo é avaliado, para diferentes cenários, através de simulação, a qual indica desempenho perto do óptimo, com baixa complexidade. Para o caso multi-dimensional um esquema para efectuar "dirty paper coding" binário, tendo como base códigos de dupla camada é proposto. No desenvolvimento deste esquema, a compressão com perdas de informação, é considerada como um subproblema. Resultados de simulação indicam transmissão dedigna proxima do limite de Shannon.

Analysis, modeling, design and optimization of future communications systems: from theory to practice

Esta tese descreve uma framework de trabalho assente no paradigma multi-camada para analisar, modelar, projectar e optimizar sistemas de comunicação. Nela se explora uma nova perspectiva acerca da camada física que nasce das relações entre a teoria de informação, estimação, métodos probabilísticos, teoria da comunicação e codificação. Esta framework conduz a métodos de projecto para a próxima geração de sistemas de comunicação de alto débito. Além disso, a tese explora várias técnicas de camada de acesso com base na relação entre atraso e débito para o projeto de redes sem fio tolerantes a atrasos. Alguns resultados fundamentais sobre a interação entre a teoria da informação e teoria da estimação conduzem a propostas de um paradigma alternativo para a análise, projecto e optimização de sistemas de comunicação. Com base em estudos sobre a relação entre a informação recíproca e MMSE, a abordagem descrita na tese permite ultrapassar, de forma inovadora, as dificuldades inerentes à optimização das taxas de transmissão de informação confiáveis em sistemas de comunicação, e permite a exploração da atribuição óptima de potência e estruturas óptimas de pre-codificação para diferentes modelos de canal: com fios, sem fios e ópticos. A tese aborda também o problema do atraso, numa tentativa de responder a questões levantadas pela enorme procura de débitos elevados em sistemas de comunicação. Isso é feito através da proposta de novos modelos para sistemas com codificação de rede (network coding) em camadas acima da sua camada física. Em particular, aborda-se a utilização de sistemas de codificação em rede para canais que variam no tempo e são sensíveis a atrasos. Isso foi demonstrado através da proposta de um novo modelo e esquema adaptativo, cujos algoritmos foram aplicados a sistemas sem fios com desvanecimento (fading) complexo, de que são exemplos os sistemas de comunicação via satélite. A tese aborda ainda o uso de sistemas de codificação de rede em cenários de transferência (handover) exigentes. Isso é feito através da proposta de novos modelos de transmissão WiFi IEEE 801.11 MAC, que são comparados com codificação de rede, e que se demonstram possibilitar transferência sem descontinuidades. Pode assim dizer-se que esta tese, através de trabalho de análise e de propostas suportadas por simulações, defende que na concepção de sistemas de comunicação se devem considerar estratégias de transmissão e codificação que sejam não só próximas da capacidade dos canais, mas também tolerantes a atrasos, e que tais estratégias têm de ser concebidas tendo em vista características do canal e a camada física.

Management and Control of Water Supply Systems

The fast increase in the energy’s price has brought a growing concern about the highly expensive task of transporting water. By creating an hydraulic model of the Water Supply System’s (WSS) network and predicting its behaviour, it is possible to take advantage of the energy’s tariffs, reducing the total cost on pumping activities. This thesis was developed, in association with a technology transfer project called the E-Pumping. It focuses on finding a flexible supervision and control strategy, adaptable to any existent Water Supply System (WSS), as well as forecasting the water demand on a time period chosen by the end user, so that the pumping actions could be planned to an optimum schedule, that minimizes the total operational cost. The OPC protocol, associated to a MySQL database were used to develop a flexible tool of supervision and control, due to their adaptability to function with equipments from various manufacturers, being another integrated modular part of the E-Pumping project. Furthermore, in this thesis, through the study and performance tests of several statistical models based on time series, specifically applied to this problem, a forecasting tool adaptable to any station, and whose model parameters are automatically refreshed at runtime, was developed and added to the project as another module. Both the aforementioned modules were later integrated with an Graphical User Interface (GUI) and installed in a pilot application at the ADDP’s network. The implementation of this software on WSSs across the country will reduce the water supply companies’ running costs, improving their market competition and, ultimately, lowering the water price to the end costumer.

IB-DFE receiver techniques for CP-assisted block transmission within DS-CDMA and MC-CDMA systems

MC-CDMA (MultiCarrier Code Division Multiple Access), currently regarded as a promissing multiple access scheme for broadband communications, is known to combine the advantages of an OFDM-based (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), CP-assisted (Cyclic Prefix) block transmission with those of CDMA systems. Recently, it was recognised that DS-CDMA (Direct Sequence) implementations can also take advantage of the beneficts of the CP-assisted block transmission approach, therefore enabling an efficient use of FFT-based (Fast Fourier Transform), chip level FDE (Frequency- Domain Equalisation) techniques. In this paper we consider the use of IB-DFE (Iterative Block Decision Feedback Equalisation) FDE techniques within both CP-assisted MC-CDMA systems with frequency-domain spreading and DS-CDMA systems. Our simulation results show that an IB-DFE receiver with moderate complexity is suitable in both cases, with excellent performances that can be close to the single-code matched filter bound (especially for the CP-assisted DSCDMA alternative), even with full code usage.

Modelling and simulation of three-phase power transformers

This paper presents the development and implementation of a digital simulation model of a three-phase, three-leg, power transformer. The proposed model, implemented in MATLAB environment, is based on the physical concept of representing windings as mutually coupled coils, and it is intended to study its adequacy to incorporate, at a later stage, the influences of the occurrence of windings inter- turn short-circuits. Both simulation and laboratory tests results, obtained so far, for a three-phase, 6 kVA transformer, demonstrate the adequacy of the model under normal operating conditions.