FPGA-Based Wireless Sensor Node Architecture for High Performance Applications

While for years traditional wireless sensor nodes have been based on ultra-low power microcontrollers with sufficient but limited computing power, the complexity and number of tasks of today’s applications are constantly increasing. Increasing the node duty cycle is not feasible in all cases, so in many cases more computing power is required. This extra computing power may be achieved by either more powerful microcontrollers, though more power consumption or, in general, any solution capable of accelerating task execution. At this point, the use of hardware based, and in particular FPGA solutions, might appear as a candidate technology, since though power use is higher compared with lower power devices, execution time is reduced, so energy could be reduced overall. In order to demonstrate this, an innovative WSN node architecture is proposed. This architecture is based on a high performance high capacity state-of-the-art FPGA, which combines the advantages of the intrinsic acceleration provided by the parallelism of hardware devices, the use of partial reconfiguration capabilities, as well as a careful power-aware management system, to show that energy savings for certain higher-end applications can be achieved. Finally, comprehensive tests have been done to validate the platform in terms of performance and power consumption, to proof that better energy efficiency compared to processor based solutions can be achieved, for instance, when encryption is imposed by the application requirements.

Máquinas o atmósferas: La estética de la energía en la arquitectura, 1750-2000 = From Machines to Atmospheres: The Aesthetics of Energy in Architecture, 1750-2000

La energía es ya un tema arquitectónico, pero su incorporación al proyecto ha sido hasta ahora fundamentalmente técnica, dando pie a una especie de funcionalismo ecológico cuyo destino es acaso repetir los errores de los viejos funcionalismos en su confianza de encontrar modos ‘objetivos’ de transmutar la energía en forma construida, pero sin que en tal proceso parezca haber hueco para mediaciones de tipo estético. Sin embargo, son precisamente tales mediaciones las que necesitan analizarse para que la adopción de los temas energéticos resulte fructífera en la arquitectura, y asimismo para dar cuenta de otras perspectivas complementarias —filosóficas, científicas, artísticas— que hoy forman el complejo campo semántico de la energía. Partiendo de la fecha de 1750 —que da comienzo simbólicamente al proceso de contaminaciones ‘modernas’ entre la arquitectura y otras disciplinas—, esta tesis analiza los diferentes modos con los que proyectos y edificios han expresado literal y analógicamente ciertos temas o ideales energéticos, demostrando la existencia de una ‘estética de la energía’ en la arquitectura y también de una tradición proyectual e intelectual sostenida en ella. Con este fin, se han seleccionados siete metáforas que vinculan tanto técnica como ideológicamente a la arquitectura con la energía: la metáfora de la máquina, asociada al ideal de movimiento y la autorregulación; las metáforas del arabesco, del cristal y del organismo, afines entre sí en su modo de dar cuenta del principio de la morfogénesis o energía creadora de la naturaleza; la metáfora de la actividad interna de los materiales; la metáfora del gradiente, que expresa la condición térmica y climática de la arquitectura, y, finalmente, la de la atmósfera que, recogiendo los sentidos anteriores, los actualiza en el contexto de la estética contemporánea. La selección de estas siete metáforas se ha llevado a cabo después de un barrido exhaustivo de la bibliografía precedente, y ha estructurado un relato cuyo método combina la perspectiva general —que permite cartografiar las continuidades históricas— con la cercana —que atiende a las problemas específicos de cada tema o metáfora—, complementándolas con una aproximación de sesgo iconográfico cuyo propósito es incidir en los vínculos que se dan entre lo ideológico y lo morfológico. El análisis ha puesto de manifiesto cómo detrás de cada una de estas metáforas se oculta un principio ideológico común —la justificación de la arquitectura desde planteamientos externos procedentes de la ciencia, la filosofía y el arte—, y cómo en cada uno de los casos estudiados las asimilaciones más fructíferas de la energía se han producido según mecanismos de mímesis analógica que inciden más en los procesos que en las formas que estos generan, y que en último término son de índole estética, lo cual constituye un indicio de los métodos de la arquitectura por venir. ABSTRACT Although it is already an architectural theme, the matter of incorporating energy into projects has up to now been mainly technical, giving rise to a kind of ecological functionalism which may be bound to old funcionalist mistakes in hopes of finding “objective” ways of transmuting energy into built forms without aesthetic considerations. However, it is precisely such considerations that need to be analyzed if the adoption of energy issues in architecture is to bear fruit and also to account for other complementary perspectives – philosophical, scientific, artistic – which today form the complex fabric of the energy semantic field. Beginning in 1750 – symbolic start of ‘modern’ contaminations between architecture and other disciplines –, this thesis analyzes the different ways in which projects and buildings have literally and analogically expressed certain subjects or ideals on energy, and demonstrates the existence of an “aesthetics of energy” in architecture, as well as of an intellectual and design tradition based on such aesthetics. For this purpose, seven metaphors are selected to link energy to architecture both technically and ideologically: the machine’s metaphor, associated with the ideal of mouvement and self-regulation; the arabesque, glass and the organism’s metaphors, which account for the morphogenesis principle, i.e. creative energy of nature; the metaphor linked to matter and the ideal of internal activity; the gradient’s metaphor, which expressed the thermal and climatic condition of architecture, and, finally, that of the atmosphere which, collecting the above meanings, updates them in the context of contemporary aesthetics. The selection of these seven metaphors was carried out after a thorough scan of the preceding literature, and has structured a reasoning that combines the overview method – which accounts for historical continuities – with the nearby one – which meets the specifics problems of each theme or metaphor –, both supplemented with an iconographic bias, the purpose of which is to visually express the links existing between the ideological and the morphological. So presented, the analysis shows how, behind each of these metaphors, lies a common ideological principle – the justification of architecture from scientific, philosophical and artistic “external” angles –, and how in each of the studied cases the most successful assimilation of energy were those produced by aesthetic mechanisms of analogical mimesis not focused in forms but in processes that generate them: an indication of the methods of architecture to come.

Sobre la Arquitectura en la definición del Paisaje

Comúnmente la Arquitectura se manifiesta en los edificios como un hecho de la realidad que tiene siempre carácter contemporáneo y ése debe ser el valor supremo de un arte que no distingue entre antiguo y moderno, por afectar al presente y ser contemporáneo como experiencia. Los objetos se insertan irremediablemente en su medio e incluso llegan a definirlo en ocasiones: así, arquitectura y paisaje, aparecerán a veces confundidos con diferencias difíciles de determinar. El término “paisaje” es relativamente moderno y se deriva de ciertas representaciones gráficas o pictóricas producidas en Occidente en época algo posterior al Renacimiento. No obstante, el hecho de que una palabra se pueda escribir o se cite no quiere decir que la realidad a la que responde no pueda existir, pues lo escrito es solamente un medio de expresión, y es obvio que existen otros quizá más antiguos y de idéntica importancia, pues la propia escritura no es más que el reflejo de un fenómeno que ya se ha producido con anterioridad. Parece así que el testimonio de la realidad viene dado por distintos contextos en lo que suele llamarse “cultura” de modo que las culturas pueden tener aspectos de gran interés mediante diferentes sistemas de expresión variados sin que eso tenga que pasar forzosamente por el filtro de un alfabeto y una escritura. A tenor de los primeros descubrimientos, parece que la cuestión de escribir tuvo originalmente un carácter de constatación de apunte contable y tampoco se puede establecer con certeza si algunos utilizaron la escritura como el so-porte adecuado para referir mitos o historias, pues la Arqueología no ha proporcionado sino testimonios fragmentarios; de lo que si está repleta sin duda la historia es de apuntes contables. Otra cuestión que suscita dudas es la propia definición de escritura, pues parece que los más antiguos modos de expresión escrita se reducen a pictogramas que resultan aún indescifrables. Lenguas y toponimia son también herramientas muy útiles para bucear en el pasado, pero aún así persisten dudas en las escrituras que pro-vienen de las representaciones primordiales: la propia escritura en sus orígenes parece alimentarse de las propias intuiciones inmediatas de la representación, algo que evolucionaría representando esa realidad urgente e inmediata del control o el abastecimiento que luego se convertirían en los fragmentos de texto que han podido conservarse. Es notorio, sin embargo, que ese conjunto enorme de convenios gráficos estaba sujeto a la palabra y la desaparición de las culturas determinó también la desaparición consecuente de sus lenguas, y esos signos - fueran o no escritura - han pasado definitivamente a las zonas oscuras del conocimiento. Escribir supone también disponer de capacidad de abstracción gráfica que diferencie la palabra y la cosa, y es posible que la razón que llevara a ese descubrimiento fuera simplemente el de una economía de signos, pues escritura y lenguaje son limitados por definición, mientras que las cosas del mundo son innumerables: ningún idioma contiene todas las palabras para describir todo lo que puede aparecer. Aparentemente, ese el motivo por el cual existe un localismo – un término específico que refiere algo que existe en un lugar y no en otros - en lo que se refiere a dar el nombre a la cosa y también fuente de paradigma entre los pueblos que se consideran primitivos y los que se consideran civilizados. Debe tenerse en cuenta también que esa transposición se da en ambos sentidos, de modo que las culturas más aisladas también incorporan conceptos que carecen de una explicación racional consistente. Las mitologías son así eternas, pues sirven para explicar realidades que carecen de un entendimiento alcanzable y está también bastante claro que los lenguajes resultan ser un enigma, como realidad autónoma que queda en-cerrada y se explica en sí misma. Parece también que los primeros en escribir las consonantes aisladas fueron los pueblos semíticos occidentales de las orillas del Mediterráneo, pueblos que crearon un alfabeto silábico que llegó a ser utilizado incluso por los tartesios en el sur de la península ibérica como el primer alfabeto de toda Europa occidental. Resulta patente que el término “paisaje” se ha nutrido siempre de representaciones, bien escritas o artísticas, pero queda también claro que esas representaciones se suponen derivadas de la creencia en una idea de paisaje como algo que se ve representado en sí mismo, es decir, como la imagen de una realidad externa situada fuera del individuo. Eso es un hecho trascendente, pues el paisaje requiere lejanía de la cosa, de modo que el actor – aún sabiéndose inserto en su paisaje – es incapaz de percibirlo desde dentro. En el paisaje ocurre igual que en un teatro o en una representación: los actores son conscientes de su papel y su posible cometido, pero no son los que realmente pueden disfrutar de la eficacia o de la propia presencia de la obra, pues forman parte de ella. La idea de paisaje proviene de una lectura externa a la de los propios protagonistas del drama, de modo que si quieren ser un crítico del paisaje se debe abandonar la representación para mirar el espectáculo desde una distancia adecuada, al fin y a cabo externa. De ese modo, aparece la primera constatación del hecho del paisaje como una realidad construida por objetos y personajes, pero, sobre todo, es una realidad construida por miradas. Llama también la atención otorgada en las lecturas de los especialistas hacia esa referencia externa - artística si se quiere - sobre el término “paisaje”, de modo que la bibliografía no especializada sobre el particular siempre acaba en tratados de pintura o poesía. Parece sin embargo que el hombre y sus paisajes son realidades indisolubles desde la propia aparición de la especie, de modo que llevar la cuestión hacia términos exclusivamente esteticistas parece una posición parcial. Hombre y medio han formado siempre una sola unidad, aunque esa unidad se haya convertido en determinados casos en sinónimo de depredación y destrozo. Sin embargo, esa destrucción crea igualmente un paisaje como desolación que es resultado del propio quehacer del hombre: elementos que también poseen un contenido sustancial de memoria en los paisajes industriales como un momento de la Historia previo a la automatización y a la globalización de la vida actuales. Quizá el concepto más interesante desde el punto de vista teórico sea precisamente el de esa cualidad del paisaje como mirada, algo externo producido por el contemplador en un momento ajeno a la pertenencia, una mirada que no es tan sólo estética sino comprensiva, gozosa, activa o analítica - pues existen tantas maneras de mirar como sujetos - sin que pueda definirse con precisión esa contemplación más que en términos que alcanzan la propia individualidad. En términos poéticos, también podría establecerse como ese conjunto de miradas individuales crean también una estructura que hace que ese paisaje se valore y se comprenda, de modo que desde ese punto de vista ese paisaje supone una creación colectiva. Con respeto o como depredador, el hombre se ha instalado en su medio, y al hacerlo, ha dejado huellas dentro del propio paisaje que hacen que tome una determinada significación. Naturalmente, existe una teoría que distingue entre “país” y “paisaje”, asumiendo para el primero la noción exclusiva de territorio en la cual el hombre no tiene papel estético alguno. He intentado muchas veces comprender esa posición, sin acabar de entender el planteamiento que la sustenta: parece que la visión de la cosa estará siempre humanizada, aún en las zonas “vírgenes” o intactas, pues la propia visión hace que el objeto se modifique en su propia unidad perceptiva, creando una curiosa indeterminación que lleva a los conocidos equívocos entre imagen real y representación. Efectivamente, la visión de la cosa requiere de una cultura y unos medios que la informan, de modo que un texto, una pintura, una descripción o una fotografía quedarán ya humanizadas por el propio hecho de ser informadas, pues ello otorga una forma a priori. De ese modo, el paisaje figura inscrito en una función que establece tanto aspectos de un paisaje posible como aspectos del paisaje descrito y solamente podrá hablarse sobre la potencialidad del estado final de ese paisaje y nada del propio paisaje en sí, mientras ese paisaje no quede humanizado por el propio observador. Esta cuestión obliga a elegir una definición de paisaje alejada de presupuestos esteticistas para acercarla a los puramente culturales, de modo que no existe otra vía para la investigación que contemplar esa realidad física en función de las coordenadas del hombre que la habita, dotada del contenido correspondiente a esa revelación. Lejos de las posiciones de la geomorfología, el término “paisaje” implicará así unas condiciones determinadas de contemplación por parte de un sujeto por el cual el espectáculo queda humanizado en dicho acto.Cabe pensar también si no es cierto que todos los paisajes requieren de esa condición humanizada, pues aunque no estén habitados están siempre ocupados por esa mirada que los habita, al igual que un escenario sin público que carece de vigencia. A partir de ahí se sitúan las coordenadas en donde este trabajo configura la presencia de la arquitectura en la definición del paisaje, una premisa que parece ya venir otorgada desde el principio, pues esa misma mirada del espectador ya está dotando de un sentido de orden y jerarquía a la contemplación, unas cualidades que están en la base de toda actividad arquitectónica, De hecho la propia definición de “monumento natural” - en si misma una contradicción – expresa ese conflicto, dotado de un fenómeno de admiración y solape entre cultura y naturaleza, como conceptos enfrentados desde su origen. La conclusión sobre el dilema propuesta en la tesis no ha sido otra que suponer que esas dos realidades que son la cultura y el paisaje se han solapado desde el principio de los tiempos del hombre formando un binomio indeslindable. Se ha dicho antes que el proceso de invasión del territorio por el hombre es significativo, y esa significación es la que origina una creación autónoma que se aísla como un concepto abstracto de los entes naturales, tomándolos como material de trabajo, y estableciendo una oposición conceptual en la realidad perforada e interpretada por el hombre que viene a oponerse a lo que supone la caja cerrada e ignota del enigma del mundo. La cuestión de la significación del hombre sobre el territorio se subsume en la creación de unos productos que permanecen y que son testimonio de la propia cultura, de forma que la cantidad de rastro que el hombre deja sobre el territorio contribuye en mayor medida a la cualificación del paisaje como concepto. Eso lleva a establecer que cualquier paisaje - por el mero hecho de serlo y ser definido así – es ya cultural, puesto que está configurado por los productos de la cultura. Las palabras que puedan quedar encerradas en las piedras de los monumentos o de las ciudades son las de los hombres que trabajaron allí, y también las de los que las habitaron: más aún, el propio sentido del paisaje y su conservación vienen determinados por la presencia del hombre como único interprete de conceptos como ecología o conservación, algo que se pone de manifiesto también en la espantosa devastación que producen los fenómenos propios de la naturaleza. La historia natural, al igual que la vida, están conformadas por éxito y devastación, sin que uno y otra tengan especial preferencia, pues la preferencia se alimenta de otra clase de conceptos. La cuestión de atribuir valores morales al mundo natural es algo muy antiguo, y quizá sea la fuente o el manantial de las primeras religiones, una cuestión que se une a la indefectible noción de mortalidad que define la existencia del hombre frente a la inmanencia de la naturaleza. Esa propia naturaleza está dotada intuitivamente de un carácter “inocente” suponiendo que la inocencia es lo opuesto a la sabiduría. La cuestión es bien otra, ya que la naturaleza no posee ni siquiera algo que pueda definirse como “carácter”, en el sentido personal del término. La cuestión no cae, evidentemente, del lado de las definiciones o de las cualidades, sino del propio análisis de la realidad que el hombre va construyendo, destruyendo, embelleciendo o perjudicando para definir el territorio que habita, interponiendo a su manera recursos, instalaciones y en definitiva todos los testimonios posibles como principal manifestación de su esencia. Entre los artefactos que el hombre produce, uno de los más persistentes y más conspicuamente descritos es el de la arquitectura - entendida aquí en un sentido amplio - es decir, como el conjunto de modificaciones del espacio y del territorio. El espacio se puede modificar de muchos modos, pero en cualquiera de los casos constituye una de las huellas más características que el hombre establece como manifestación física de su propio ser discursivo. También la arquitectura ha demostrado ser una de los fenómenos más persistentes, incluso más que la propia lengua que la origina en su discurso primero antes que pueda ac-cederse a una idea sobre la conformación del material. Es paradigmático que el episodio descrito sobre la Torre de Babel en la Biblia la cuestión de la ambición de los hombres frente a Dios, representada precisamente en una arquitectura, se asimile a la discusión sobre el lenguaje primordial. La cuestión no es baladí, pues el fenómeno de la creación es algo que se concede exclusivamente a los dioses, que por esa razón habitan los territorios a los que los hombres no pueden llegar; territorios de albergue en los que las mitologías sitúan a dioses y demonios, con amplios espacios intermedios donde situar a las divinidades menores, héroes o seres híbridos en los que la coyunda de los dioses con los humanos produce sujetos que alivian el sentido de la mortalidad. El comentario del Génesis también concede un valor a la técnica, al mito de Prometeo y al fuego como creador de excelencia. Frente al progreso prometeico, se postula el valor divino, y la única forma posible de paliar ese progreso es la confusión del lenguaje, pues eso será lo que produzca la dispersión y la falta de acuerdo. La cuestión también puede explicar esa afición tan común por lo canónico en arquitectura que se mantiene a lo largo de grandes períodos, al igual que una gran máquina de inercia. Parece que los conceptos primordiales de la arquitectura basados en elementos simples como el hito, el dintel, lo recto y lo curvo, la rampa o la escalera, y el uso distinto o cualificado que se otorga a la piedra, el ladrillo, la madera o el metal como componentes primordiales del material arquitectónico se haya mantenido a lo largo de muchos milenios sin apenas cambios, al igual que ocurre con las costumbres alimenticias que siguen una progresión ascendente a través de lo crudo, lo asado y lo cocido, hasta obtener distintos grados de refina-miento, pero que siempre se sustentan en la sensación primigenia. El descubrimiento de la arquitectura proviene de un cierto manejo de las dimensiones, y consiguientemente de la geometría. Pero la geometría es cosa abstracta al igual que el lenguaje, de modo que para poder realizar arquitectura se hace necesaria esa capacidad de abstracción primera que luego permite la realización de un dispositivo. La realidad y su número exhiben un divorcio, al igual que las cosas y sus nombres exhiben el suyo, y el análisis numérico es solamente una forma de ver la realidad, una forma rigurosa y exacta – aunque parcial - que solamente representa el modelo ideal al cual la realidad se aproxima en mayor o menor medida: esa aproximación matemática hace que el universo pueda condensarse parcialmente en números, al igual que la realidad puede condensarse en nombres, pero ni el nombre ni el número reflejarán el mundo en toda su complejidad. El número es quizá solamente un medio de describir las cosas, como lo serían las formas puras que responden a una configuración matemática que pueda producirse en teoría en cualquier parte del Universo. Sin embargo, para el ejercicio de la arquitectura es preciso acudir a esa simplificación que exige la visión abstracta del plano como una sección cierta realidad como un corte abstracto del elemento considerado. Con su traza o sin ella, con la propia expresión matemática que lo describa o sin precisarla, esa intuición del plano como elemento generador del espacio es anterior a aquella expresión, al igual que el habla fue anterior a la escritura, pues solamente se produjo a través de ella y como refuerzo y sustituto de la memoria. Existen así abstracciones de la memoria que aparecen derivadas de los signos de la naturaleza aparecidos solamente de forma eventual y fragmentaría: así ocurre con la línea, el cuadrado y el círculo, formas iniciales y abstractas sonsacadas en cierta medida de la observación que dan origen a los primeros signos de la arquitectura primordial, de modo que cuadrados y círculos, elevados a prismas y superficies esféricas o esferoides aparecen en tumbas y edificios elementales de los primeros tiempos mediante una geometría primordial que se superpone al paisaje en el que se inserta. Es cierto también que esas formas se encuentran ya aproximadas en objetos que se encuentran en el medio físico, líneas en extremidades, ramas y miembros; ángulos rectos en algunos cristales que se observan mediante corte o formas circulares en astros y cráteres, pero esa realidad solamente presenta su forma aproximada y no su abstracción pura, de igual modo que el jeroglífico propondrá al ave rapaz para representar la idea de vigilancia y la buena vista, o incluso que la imagen del propio ojo sustituya la idea del Dios que todo lo ve en las culturas anti-guas. La elección fue resuelta, después de muchos intentos y aproximaciones, con la adopción del ángulo recto como un artificio fácil para el replanteo a través del triángulo sagrado 3:4:5 que ya se utilizó para construir las pirámides de Egipto, y que dio origen también a la mayor parte del urbanismo antiguo, coexistiendo con la forma circular primordial en el tipo denominado “tholo”. Aquella trama cuadrangular era uno de los patrones de relleno del espacio más comunes y compactos, y esa fue probablemente la razón por la que en tiempos muy posteriores fuera adoptada como una forma eficaz permanente de organización frente al desorden topológico que procura el conjunto de asociación de plantas circulares. Otra cuestión paradigmática es que esos conceptos primordiales e ignotos - que convergen en el mismo origen de las civilizaciones - se conviertan luego en algo canónico, a través del uso. El canon en sí mismo es algo ideal, como una norma aplicable a objetos de una realidad que ha sido creada solamente como indicio del ca-non, algo abstracto que tiene proporciones estrictas que son siempre las mismas y no obedece a criterios racionales: será absurdo sin embargo buscar el canon griego entre los templos de época como algunos lo hicieron, pues los edificios solamente se aproximan a los ejemplos canónicos y por esa razón se habla del “dórico del Partenón” que es diferente del de Egina o del de Paestum, siendo todos ellos evidentemente dóricos. Sin embargo, esa idea resulta útil al tratadista, al teórico de la arquitectura y al historiador, aun-que solamente refleje una vaga idea de lo que sucede más allá del tratado. Otra cuestión es la sutileza de los ejemplos de arquitectura, y del mismo modo que los cuerpos de los seres vivos jamás son simétricos, aunque respondan a un diseño simétrico general derivado de las condiciones de la división celular, los edificios supuestamente canónicos en los que los especialistas se inspiraron para definir los órdenes clásicos no disponen de esa simetría modular exacta, sino que adaptan un modelo general al lugar siempre cambiante del emplazamiento, es decir, se adaptan con habilidad a la vez que configuran el paisaje en el que se insertan. La luz de los distintos intercolumnios del Partenón es ligeramente distinta, aunque guarde un evidente sentido de simetría axial, de manera que aquellos “órdenes” que formaron la Teoría de la Arquitectura no son más que una bella interpretación sectorial de la arquitectura antigua elaborada por los tratadistas del Renacimiento y, posteriormente, por los neoclásicos. Parece, sin embargo, que ese ansia por el canon como claridad de lenguaje es algo consustancial al desarrollo de la arquitectura, una lingua franca que tiende a evitar la dispersión producida entre los mortales por los dioses antiguos, de modo que si no era posible llegar al cielo de los dioses se procuró que el lenguaje de la Tierra fuera al menos inteligible para poder entenderse entre los hombres. Parece que la estructura del poder siempre requirió de un determinado nivel de organización, y también que las instrucciones se entendieran con claridad: parece que en nuestros tiempos esos antiguos cánones se han sustituido por la obediencia a normas abstractas, dictadas por instituciones también algo abstractas y que tienen nombres divertidos compuestos por siglas, aunque no se conozca bien su virtud. El canon actual está constituido por “normas” que dejan tranquilos a algunos, aunque parece quizá que todo ese entramado formal que sirve como anestesia para el cuerpo social procura también la destrucción de los bosques en formas de montañas ingentes de papel burocrático. Durante muchos siglos las normas fueron otras, en la forma de un canon del cual nadie podía escapar: aún así, mediante la utilización de cánones o sin ellos, la arquitectura prosperó en la civilización desde los primeros refugios cavernarios o los abrigos primigenios y de ese modo fue configurando la realidad, es decir, el paisaje. Como antes se dijo, ese es un viaje de ida y vuelta en el cual ambos se confundían y subsumían: el manejo de las formas y lenguajes de la arquitectura posibilitaría con el tiempo la distinción entre el campo en donde reina el caos y la ciudad, en donde reina teóricamente el orden, creando un divorcio que duraría milenios y que aún persiste. Esa oposición generaría también una forma de paisaje y una serie de usos simbólicos y sagrados de los elementos de la arquitectura - como son puertas y murallas - que se han mantenido conceptualmente aunque hoy las ciudades ya no posean murallas físicas, ni puertas que se cierran con la llegada de la noche. En ese sentido, la arquitectura ha podido definir el paisaje, entendiendo la arquitectura no solamente como los edificios en sí, sino como el hecho de la manifestación del hombre sobre el territorio, de modo que no podrá hablarse de paisaje sin su arquitectura, del mismo modo que no puede hablarse de paisaje sin hombres. Por esta razón, la Tesis habla sobre Arquitectura y Paisaje, pero más particularmente sobre el hecho de la arquitectura en la definición del paisaje, es decir, de como los hechos arquitectónicos van a determinar o no la cualidad y la calificación de un paisaje. Deberá partirse en primer lugar de una definición de lo que se entiende y se ha entendido comúnmente por paisaje: igualmente, y habida cuenta del contexto en el que sitúa el propio trabajo de tesis, la cuestión solamente se circunscribirá a lo que se entiende como cultura occidental, pues el desarrollo de la civilización presenta siempre un color local que hace que el análisis de un fenómeno de esta envergadura tenga distintas connotaciones en las distintas áreas de civilización. De igual modo, y habida cuenta también que el paisaje se construye a través de todas las manifestaciones culturales, se hará a veces necesario indagar en otras disciplinas no arquitectónicas para comprender el alcance de algunos casos en los cuales los restos arquitectónicos han desaparecido, o en los que subsisten escasas trazas. Una definición tan amplia de la Arquitectura llevaría a escribir un relato sobre toda la cultura occidental y por ese motivo solamente se han esbozado ideas sobre la aparición de esos signos sobre el paisaje basados en elementos antiguos y primigenios que se repiten con insistencia y van dando lugar al variado repertorio de la arquitectura occidental cómo conformación de ideas sobre el me-dio y sobre el mundo que se percibe y se habita. ABSTRACT About Architecture in defining Landscape. Abstract Architecture is commonly manifested in buildings as a fact of reality that has always a contemporary character and that should be the highest value of an art that does not distinguish between ancient and modern, to affect the present and be contemporary as experience. Objects are inserted irremediably in their midst and even sometimes come to define it: thus, architecture and landscape, appear sometimes confused with differences difficult to determine. However, the term "landscape" is relatively modern and is derived from certain graphical or pictorial representations produced in the West in some subsequent period to the Renaissance. The fact that a word can be written or quoting does not mean that the reality that can not be answered, because the writing is only a mean of expression, and it is obvious that there are other and perhaps older equally important, because the writing itself is nothing more than the reflection of a phenomenon that has occurred before. It thus appears that the testimony of reality is given by different contexts in what is called "culture", so that cultures can have aspects of great interest by many different expression systems without this necessarily have to pass through the filter of alphabet and writing. Under the initial findings, it appears that the question of writing originally had a character and finding accounting entries, and it can not be established with certainty whether some used writing as the support appropriate to refer myths or stories, because archaeology has provided only fragmentary evidence. Another issue that raises questions is what can properly be defined as writing, it seems that the oldest modes are reduced to writing pictograms are still indecipherable. Languages and place names are also very useful tools for diving in the past, but still questions remain in the scriptures that come from the primordial representations: either it is very well defined what the own writing in its origins: the beginnings seem to feed on immediate intuitions of representation, which would evolve representing reality that urgent and immediate control or supply which is then inherited into fragments. It is noteworthy, however, that this huge set of graphics agreements was subject to the word and the disappearance of cultures determined also the consequent disappearance of their languages, and those signs - whether or not they write - have passed definitively to dark areas of knowledge. Writings supposed also the capacity of abstraction graph differentiates the word and the thing, and it is possible that the reason to carry this discovery was simply that of an economy of signs, for writing and language are limited by definition, while the things of the world are innumerable: no language contains all words to describe all that may appear. Apparently, that's why there is a localism - a specific term that refers to something that exists in one place and not in others - in regards to name the thing and also the source of paradigm among peoples are considered primitive and civilized. It should be noted also that transposition occurs in both directions, so that the most isolated cultures also incorporate concepts that lack a consistent rational explanation. Mythologies are eternal and therefore serve to explain realities that lack an understanding achievable and also pretty clear that languages happen to be an enigma, as an autonomous reality that is enclosed and explains itself. It also seems that the first to write consonants were isolated western Semitic peoples from the shores of the Mediterranean, peoples who created a syllabic alphabet came to be used even by tartesios in southern Iberia as the first alphabet in Western Europe. It is clear that the term "landscape" has always nurtured representations, either written or artis-tic, but it is also clear that these representations are assumed arising from belief in an idea of landscape as something that is represented in itself, as the image of a reality external located outside the individual. That is an important fact because the landscape requires remoteness of the thing, so that the actor - even knowing insert in landscape - is unable to perceive from within. The landscape is just as in a theatre or a performance: the actors are aware of their role and their possible role, but they are not the ones who can really enjoy the efficiency or the presence of the work itself, as part of it. The idea comes from an external landscape reading the principles of players in the drama, so if you want to be a critic of the landscape should leave the actual representation to watch the spectacle from a safe distance, finally external. Thus, the first finding of fact of the landscape appears as a reality constructed by objects and characters, but above all, a reality constructed by looks. Also noteworthy given the readings of specialists to the external reference - art if it could be - on the term "landscape", so no specialized literature on the subject always ends in treatises on painting or poetry. It seems however that the man and his landscapes are inseparable realities from the very onset of the species, so bring the issue into terms exclusively aesthetics seems a partial position. Man and environment have always been a single unit, but that unit has become synonymous with certain cases predation and destruction. Nevertheless, this destruction also creates a landscape as desolation that results from proper task of man elements that also have substantial contents of memory in industrial landscapes as a time of pre-automation history and globalization of current life. Perhaps the most interesting from a theoretical point of view is precisely that quality of landscape as something external produced by the viewer in a strange time of membership, a look that is not only aesthetic but sympathetic, joyful, active concept or analytical - because there are so many ways to look as subjects - it may not be precisely defined that contemplation rather than in terms that reach one's individuality. In poetic terms, it could also be set as the set of individual gazes also create a structure that makes this landscape is valued and understood, so from that point of view that landscape is a collective creation. With respect or as a predator, man has settled in his environment and in doing so has left traces in the landscape itself that make take a certain significance. Naturally, there is a theory that distinguishes what is "home" and what is "nature" providing for the first notion of the exclusive territory in which man has no aesthetic role. I tried many times to understand this position, without understanding the approach that supports: it seems that the vision of the thing is always humane, even in the "virgin" or untouched areas, as the vision itself makes the object modified in its own perceptual unit, creating a curious indeterminacy leading to the known misunderstandings between real image and representation. Indeed, the vision of the thing requires a culture and means that the report, so that a text, a picture, a description or photograph will be humanized by the very fact of being informed, as this provides a way a priori. Thus, the landscape provides a function that sets both aspects of a potential landscape as described aspects of the landscape and can only talk about the potential of the final state of the landscape, while the landscape remains humanized by the observer himself. This question forces to choose a definition of remote landscape budgets purely cultural, so there is another way for research to contemplate that physical reality in terms of the coordinates of the man who inhabits gifted content corresponding to that revelation. Far from the positions of the geomorphology, the term "landscape" and involve a certain condition by contemplation of a subject for which the show is humanized in the act. It should also consider, in the light of the above, if it is not true that all landscapes require that humanized condition, because although they are not inhabited they are always occupied by the look that dwells, like a stage without audience produces no consistent effect. From there the coordinates where this work sets the presence of architecture in defining landscape, a premise which seems to come from the beginning given lie, because that same look is already giving the viewer a sense of order and hierarchy to contemplation, qualities that are at the basis of all architectural activity, in fact the very definition of "natural monument" - in itself a contradiction - expresses this conflict, which has a phenomenon of admiration and overlap between culture and nature as concepts faced since its inception. The conclusion on the dilemma proposed in the thesis has not been another to assume that these two realities are the culture and landscape have overlapped since the beginning of man time forming a pair. It has been said before that the process of invasion of the territory by man is significant, and that meaning is the originating autonomous creation that is isolated as an abstract concept of nature, taking them as working material, and establishing a conceptual opposition in reality and punched by the man who comes to oppose representing the closed and unknown to the enigma of the world interpreted. The question of the significance of the man on the land is subsumed in the creation of products that remain and are testimony of their own culture, so that the trace amount that the man leaves the territory contributes most to the qualification landscape as a concept. That brought into any landscape - by the mere fact of being and being well defined - is already cultural, as it is configured by culture products. The words that can be locked in the stones of the monuments or cities are those of the men who worked there, and also of those who inhabited: even more, the sense of the landscape itself and its conservation are determined by the presence of man as the sole interpreter of concepts such as ecology or conservation, something which becomes manifest also in the awful devastation that produce the phenomena of nature. The natural history, like life, are shaped by success and devastation without special preference, the preference is used for feeding on other kinds of concepts. The question of moral values attributed to the natural world is very ancient, and may be the source or the source of the first religions, an issue that joins the unfailing notion of mortality that defines the existence of man against immanence of nature. That nature is endowed intuitively an "innocent" character assuming that innocence is the opposite of wisdom. The other issue is well, since nature does not even have what is defined as "character" because that is something that serves to qualify beings, but not objects. The question does not fall clearly on the side of the definitions or qualities, but from the analysis of the reality that man is building, destroying or damaging to define the territory, interposing his way resources facilities and possible witness as the main manifestation of its essence. Among the artifacts that man produces one of the most persistent and most conspicuously disclosed is architecture as a way of modification of space and territory. The space can be modified in many ways, but in either case is one of the most characteristic traces that man establishes as a physical manifestation of his own discourse being. Architecture has also proven to be one of the most persistent phenomena, even more than their own language that originates in his speech first. The paradigm wrote in the episode described on the Tower of Babel in the Bible shows the question of ambition of men before God - represented precisely in architecture - is assimilated to the discussion about the primary language. The issue is not trivial, since the phenomenon of creation is something that is granted exclusively to the gods, for that reason inhabit the territories to which men can not reach; territories where the hostel located mythologies gods and demons, with large gaps where to place the minor deities, heroes or hybrid beings where the yoke of the gods with human subjects produces relieving sense of mortality. The commentary on Genesis also gives a value to the art, the myth of Prometheus and fire as creator of excellence. In front of promethean progress, divine value is postulated, and the only possible way to alleviate this progress is the confusion of language, because that is what will produce the dispersion and lack of agreement. The issue may also explain such a common passion for the canonical architecture maintained throughout long periods, like a great machine inertia. It seems that the main concepts of architecture based on simple elements like milestone, lintels, straight and curved stairs or ramps, or other qualified and used are granted to the stone, brick, wood or metal as the primary components of the architectural material maintained throughout many millennia are almost unchanged, as is the case with the eating habits that follow a progression through the raw, the cooked and roasted or fried until obtain different degrees of refinement, but always are based on the primal feeling. The discovery of the architecture comes from a management dimensions, and consequently the geometry. But the geometry is abstract thing like the language so that to make architecture that first absorption capacity which then allows the realization of a device is necessary. Reality and its number exhibit a divorce, like things and their names displayed his; numerical analysis is just one way of seeing reality, rigorous and accurate - though partial - only represents the ideal model to which reality is coming to a greater or lesser extent: the mathematical approach makes the universe can condense on numbers, like reality may condense on names, but neither the name nor the number will reflect in all its complexity. The number is only a means of describing things, such as the pure forms that match setup a mathematical theory that occurs anywhere in the universe. However, for the practice of architecture is necessary to go to the simplification that requires abstract view of a section plane of reality, as an abstract element considered cutting. With its trace or not, with the mathematical expression that describes what or without clarify, this intuition of the plane as a generator of space predates his own expression, like speech preceded the writing, which only occurred through it and as reinforcement and replacement of memory. There are abstractions of memory displayed on the signs of nature only on casual and fragmentary, such as line, square and circle: those initials and abstract forms located in abstraction give rise to the first signs of primordial architecture, so that squares and circles, lifting two prisms and spheroids or spherical surfaces appear in tombs and elementary buildings the first few times, and that primordial geometry overlaps the landscape in which it is inserted. It is also true that these forms are approximate objects found in the physical environment, limb lines, branches and limbs; straight in some crystals angles observed by cutting or circular in stars and craters forms, but only the approximate shape and not its abstraction, just as the hieroglyphic of a falcon to represent the idea of surveillance presents the good view, or even the image of the eye itself replace the idea of the all-seeing God. The election was resolved, after many attempts and approaches, with the adoption of the right angle as an easy trick for stake through the sacred triangle 3:4:5 already used to build the pyramids of Egypt, and also gave rise to most of the old urbanism tend coexist with the primary circular form type called "Tholo". That frame homer was one of the fill patterns of common and compact space, and that was probably the reason why in much later times was adopted as a permanent effective form of organization against the topological disorder that seeks the set of association circular plants. Another issue is that these paradigmatic and unknown primary concepts - that converge at the origin of civilizations - then become something canon, through use. The canon itself is something ideal, as a rule for objects of a reality that has been created only as an indication of the ca-non, something abstract that has strict proportions are always the same and not due to rational criteria: be absurd however seek the Greek canon among the temples of time as some did, because the buildings only approximate the canonical examples and for that reason we speak of "doric from Parthenon" which is different from Aegina or Paestum, being all clearly doric. However, this idea is useful to scholar, the architectural theorist and historian, although it reflects only a vague idea of what happens beyond the book. Another issue is the subtlety of the examples of architecture, just as the bodies of living beings are never symmetrical, even if they involve a general symmetrical design derived from the conditions of cell division, the supposedly canonical buildings where specialists were inspired to define the classical orders do not have that exact modular symmetry, but a general model adapted to the ever changing location of the site shaping the landscape in which they are inserted. The light of the various bays of the Parthenon is slightly different, but keep a clear sense of axial symmetry, so that those "orders" that formed the theory of architecture are just a beautiful sectoral interpretation of ancient architecture developed by writers of the Renaissance and later by neoclassical. It seems, however, that craving for clarity of language canon as is inherent to the development of architecture, a lingua franca that tends to avoid scattering among mortals by the ancient gods, so if it was not possible the heaven of the gods sought the language of the Earth was at least intelligible to be understood. Power structure has always required a certain level of organization, and the instructions are clearly understood: it seems that in our times these ancient canons were replaced by obedience to abstract rules, issued by institutions also somewhat abstract and have funny names made up acronym, although not well known virtue. The current canon consists of "rules" that leave some quiet, although it seems that maybe all that interweaves-do formally serving as anaesthesia for the social body also seeks the destruction of forests in forms of huge mountains of bureaucratic paper. For many centuries were other rules, in the form of a canon which no one could escape: still using royalties or without them, civilization flourished in architecture from the earliest cave shelters or shelters and the primordial reality was setting mode in landscape. As noted above, this is a return trip in which both confused and subsumed: the management of forms and languages of architecture over time would allow the distinction between the field where chaos reigns and city, where order reigns theoretically creating a divorce that lasted millennia and still persists. This opposition also generate a form of landscape and a series of symbolic and sacred uses of architectural elements - such as doors and walls - which have remained conceptually although today the cities no longer having physical walls or doors close during the night. In this sense, the architecture could define the landscape, architecture is not only understood as the buildings themselves, but the fact of the manifestation of the man on the premises, so you can not speak without his landscape architecture, the same so we can not speak of landscape without men. For this reason, the thesis discusses architecture and landscape, but more particularly to the fact of architecture in defining landscape, as the facts of architectural or not will determine the quality and qualification of a landscape. One should begin first a definition of what is understood and has been commonly understood by landscape: equally, and given the context in which it places the own thesis work, the issue only be limited to what is understood as western culture, for the development of civilization always has a local colour that makes the analysis of a phenomenon of this magnitude have different connotations in different areas of civilization. Similarly, and given also that the landscape is constructed through all cultural manifestations, will sometimes necessary to investigate other non-architectural disciplines to understand the scope of some cases in which the architectural remains have disappeared, or the remaining few traces. Such a broad definition of architecture take to write a story about all of Western culture and for this reason only been sketched ideas about the appearance of these signs on the landscape based on ancient and primitive elements are repeated insistently and leading the varied repertoire of Western architecture shaping ideas about how the media and the world is perceived and inhabited.

Analysis of the essential literature on project management in Spanish

The advancement of science and engineering projects is brewing major changes in the various phases of a project. These changes have produced more rigorous aspects of project management that tracks the research fronts of engineering and project management becomes key. However, research in engineering and project management in Spanish is hindered by access to information to enable the person concerned to ascertain the most recent and current research, limiting the exchange of information and strengthening research networks in this field interest with great implications in business, industry and scientific issues. Therefore, the article aims to present the state of the art of engineering research and project management in Spanish, using the analysis of scientific domains and network analysis of the research literature to identify and analyze relationships between authors and documents that establish the base and research fronts topic under study. The results also provide statistics on the contribution of international research in Spanish and scientific collaboration networks.

State of the Art and Future Trends in Grid Codes Applicable to Isolated Electrical Systems

Isolated electrical systems lack electrical interconnection to other networks and are usually placed in geographically isolated areas—mainly islands or locations in developing countries. Until recently, only diesel generators were able to assure a safe and reliable supply in exchange for very high costs for fuel transportation and system operation. Transmission system operators (TSOs) are increasingly seeking to replace traditional energy models based on large groups of conventional generation units with mixed solutions where diesel groups are held as backup generation and important advantages are provided by renewable energy sources. The grid codes determine the technical requirements to be fulfilled by the generators connected in any electrical network, but regulations applied to isolated grids are more demanding. In technical literature it is rather easy to find and compare grid codes for interconnected electrical systems. However, the existing literature is incomplete and sparse regarding isolated grids. This paper aims to review the current state of isolated systems and grid codes applicable to them, specifying points of comparison and defining the guidelines to be followed by the upcoming regulations.

State of the Art and Future Trends in Grid Codes Applicable to Isolated Electrical Systems

Electrical power systems are changing their traditional structure, which was based on a little number of large generating power plants placed at great distances from loads by new models that tend to split the big production nodes in many smaller ones. The set of small groups which are located close to consumers and provide safe and quality energy is called distributed generation (DG). The proximity of the sources to the loads reduces losses associated with transportation and increases overall system efficiency. DG also favors the inclusion of renewable energy sources in isolated electrical systems or remote microgrids, because they can be installed where the natural resource is located. In both cases, as weak grids unable to get help from other nearby networks, it is essential to ensure appropriate behavior of DG sources to guarantee power system safety and stability. The grid codes sets out the technical requirements to be fulfilled for the sources connected in these electrical networks. In technical literature it is rather easy to find and compare grid codes for interconnected electrical systems. However, the existing literature is incomplete and sparse regarding isolated electrical systems and this happens due to the difficulties inherent in the pursuit of codes. Some countries have developed their own legislation only for their island territory (as Spain or France), others apply the same set of rules as in mainland, another group of island countries have elaborated a complete grid code for all generating sources and some others lack specific regulation. This paper aims to make a complete review of the state of the art in grid codes applicable to isolated systems, setting the comparison between them and defining the guidelines predictably followed by the upcoming regulations in these particular systems.

Feo, inútil, inestable: pensamiento crítico contemporáneo y procesos proyectivos en arquitectura = Ugly, useless, unstable: contemporary critical thought and projective processes in architecture

La presente tesis doctoral persigue dos objetivos simultáneos: Determinar el alcance de los criterios clásicos para la evaluación de arquitectura y poner en crisis la prevalencia de esos mismos criterios dentro del marco crítico y productivo actual. En concreto, esta tesis se interroga sobre la posible contribución de determinadas corrientes del pensamiento post-estructuralista y neo-materialista a las tareas de expansión y transformación de los criterios clásicos antes mencionados. Asimismo, se plantea la oportunidad de formalizar estas incorporaciones conceptuales como metodologías para el proyectar arquitectónico. La tesis emplea un análisis pormenorizado de las cualidades implícitas en la triada Firmitas, Utilitas, Venustas elaborada por Vitruvio como vehículo para calibrar la influencia de los paradigmas de pensamiento clásico en nuestras posiciones críticas contemporáneas. Como reacción al carácter dominante de dichos paradigmas, y con la ayuda de una compilación selectiva de ejemplos procedentes de los campos artístico y arquitectónico, la presente tesis procede a examinar y clasificar diversas estrategias arquitectónicas basadas en la no conformidad con los criterios clásicos de evaluación de la disciplina. A la hora de realizar esta tarea, y con el objetivo de superar el dualismo trascendental que caracteriza la gran mayoría de dichos criterios clásicos, se propone un modelo analítico y multidimensional que formula las instancias arquitectónicas como posibles posiciones dentro de un extenso continuo combinatorio de cualidades formales, estructurales y organizativas. Este modelo conceptual permite replantear el aparente antagonismo entre los principios de Vitruvio y sus opuestos, estableciendo en su lugar un dominio operativo continuo de producción arquitectónica. Esta operación abre una ventana de oportunidad para expandir los límites del marco crítico actual más allá de las fronteras establecidas por nuestra herencia clásica. En consecuencia con esta voluntad, la presente tesis pretende habilitar un ámbito para el análisis crítico de las estrategias que caracterizan ciertas corrientes del proyectar contemporáneo, pero también contribuir a informar nuevas aproximaciones metodológicas al proceso de proyecto, desplazando progresivamente su foco desde lo descriptivo hacia lo proyectivo. ABSTRACT This doctoral thesis attempts to simultaneously determine the scope of the classical criteria for the evaluation of architecture and challenge their prevalence within the current framework of architectural production and criticism. It examines how specific strands of post-structuralism and neo-materialism may contribute to both the expansion and the transformation of these criteria and, in doing so, sets itself the goal of mobilising these conceptual incorporations as explicit design methodologies. A detailed analysis of the formal, structural and organisational qualities implicit in Vitruvius’ triad Firmitas, Utilitas, Venustas is used as a starting point to determine the influence of classical paradigms in our current critical positions. As a reaction to this critical pervasiveness, and supported by a curated collection of artistic and architectural works, diverse approaches to non-compliance with the classical criteria of assessment are examined and classified. In order to facilitate this endeavour -and to overcome the transcendental dualism of most classical critical approaches in architecture- this thesis puts forward an analytical, multidimensional model that formulates architectural instances as possible positions within a larger combinatory continuum of formal, structural and organisational qualities. Using this conceptual model, the apparent antagonism between Vitruvius’ principles and its non-compliant opposites is reframed as a continuous operative domain of architectural production, which in turn opens up a window of opportunity to expand the limits of our critical framework beyond the boundaries of classical paradigms. In doing so, this thesis attempts not only to foster a better understanding of some of the strategic approaches that characterise contemporary systems of architectural production, but also to inform future methodological approaches to architectural design, hence situating itself beyond the domain of the descriptive and moving towards the projective.

Cognitive Surveillance Architecture for Scenario Understanding

Uno de los mayores retos para la comunidad científica es conseguir que las máquinas posean en un futuro la capacidad del sistema visual y cognitivo humanos, de forma que, por ejemplo, en entornos de video vigilancia, puedan llegar a proporcionar de manera automática una descripción fiable de lo que está ocurriendo en la escena. En la presente tesis, mediante la propuesta de un marco de trabajo de referencia, se discuten y plantean los pasos necesarios para el desarrollo de sistemas más inteligentes capaces de extraer y analizar, a diferentes niveles de abstracción y mediante distintos módulos de procesamiento independientes, la información necesaria para comprender qué está sucediendo en un conjunto amplio de escenarios de distinta naturaleza. Se parte de un análisis de requisitos y se identifican los retos para este tipo de sistemas en la actualidad, lo que constituye en sí mismo los objetivos de esta tesis, contribuyendo así a un modelo de datos basado en el conocimiento que permitirá analizar distintas situaciones en las que personas y vehículos son los actores principales, dejando no obstante la puerta abierta a la adaptación a otros dominios. Así mismo, se estudian los distintos procesos que se pueden lanzar a nivel interno así como la necesidad de integrar mecanismos de realimentación a distintos niveles que permitan al sistema adaptarse mejor a cambios en el entorno. Como resultado, se propone un marco de referencia jerárquico que integra las capacidades de percepción, interpretación y aprendizaje para superar los retos identificados en este ámbito; y así poder desarrollar sistemas de vigilancia más robustos, flexibles e inteligentes, capaces de operar en una variedad de entornos. Resultados experimentales ejecutados sobre distintas muestras de datos (secuencias de vídeo principalmente) demuestran la efectividad del marco de trabajo propuesto respecto a otros propuestos en el pasado. Un primer caso de estudio, permite demostrar la creación de un sistema de monitorización de entornos de parking en exteriores para la detección de vehículos y el análisis de plazas libres de aparcamiento. Un segundo caso de estudio, permite demostrar la flexibilidad del marco de referencia propuesto para adaptarse a los requisitos de un entorno de vigilancia completamente distinto, como es un hogar inteligente donde el análisis automático de actividades de la vida cotidiana centra la atención del estudio. ABSTRACT One of the most ambitious objectives for the Computer Vision and Pattern Recognition research community is that machines can achieve similar capacities to the human's visual and cognitive system, and thus provide a trustworthy description of what is happening in the scene under surveillance. Thus, a number of well-established scenario understanding architectural frameworks to develop applications working on a variety of environments can be found in the literature. In this Thesis, a highly descriptive methodology for the development of scene understanding applications is presented. It consists of a set of formal guidelines to let machines extract and analyse, at different levels of abstraction and by means of independent processing modules that interact with each other, the necessary information to understand a broad set of different real World surveillance scenarios. Taking into account the challenges that working at both low and high levels offer, we contribute with a highly descriptive knowledge-based data model for the analysis of different situations in which people and vehicles are the main actors, leaving the door open for the development of interesting applications in diverse smart domains. Recommendations to let systems achieve high-level behaviour understanding will be also provided. Furthermore, feedback mechanisms are proposed to be integrated in order to let any system to understand better the environment and the logical context around, reducing thus the uncertainty and noise, and increasing its robustness and precision in front of low-level or high-level errors. As a result, a hierarchical cognitive architecture of reference which integrates the necessary perception, interpretation, attention and learning capabilities to overcome main challenges identified in this area of research is proposed; thus allowing to develop more robust, flexible and smart surveillance systems to cope with the different requirements of a variety of environments. Once crucial issues that should be treated explicitly in the design of this kind of systems have been formulated and discussed, experimental results shows the effectiveness of the proposed framework compared with other proposed in the past. Two case studies were implemented to test the capabilities of the framework. The first case study presents how the proposed framework can be used to create intelligent parking monitoring systems. The second case study demonstrates the flexibility of the system to cope with the requirements of a completely different environment, a smart home where activities of daily living are performed. Finally, general conclusions and future work lines to further enhancing the capabilities of the proposed framework are presented.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Contribution to the analysis and design of reflectarray antennas for reconfigurable beam applications at frequencies above 100 GHz using liquid crystal technology

El trabajo contenido en esta tesis doctoral está encuadrado en el desarrollo de antenas reconfigurables electrónicamente capaces de proporcionar prestaciones competitivas a las aplicaciones cada vez más comunes que operan a frecuencias superiores a 60 GHz. En concreto, esta tesis se centra en el estudio, diseño, e implementación de las antenas reflectarray, a las que se introduce la tecnología de cristal líquido como elemento característico con el que se consigue reconfigurabilidad de haz de forma electrónica. Desde un punto de vista muy general, se puede describir un cristal líquido como un material cuya permitividad eléctrica es variable y controlada por una excitación externa, que generalmente suele corresponderse con un campo eléctrico quasi-estático (AC). Las antenas reflectarray de cristal líquido se han escogido como objeto de estudio por varias razones. La primera de ellas tiene que ver con las ventajas que los reflectarrays, y en especial aquellos realizados en configuración planar, proporcionan con respecto a otras antenas de alta ganancia como los reflectores o los “phased-arrays”. En los reflectarrays, la alimentación a través de una fuente primaria común (característica de reflectores) y el elevado número de grados de libertad de las celdas que los componen (característica de arrays) hacen que estas antenas puedan proporcionar prestaciones eléctricas iguales o mejores que las anteriores, a un coste más reducido y con estructuras de antena más compactas. La segunda razón radica en la flexibilidad que ofrece el cristal líquido a ser confinado y polarizado en recintos de geometría variada, como consecuencia de su fluidez (propiedad de los líquidos). Por ello, la tecnología de cristal líquido permite que el propio elemento reconfigurable en las celdas de reflectarray se adapte a la configuración planar de manera que en sí mismo, el cristal líquido sea una o varias de las capas características de esta configuración. Esto simplifica de forma drástica la estructura y la fabricación de este tipo de antenas, incluso si se comparan con reflectarrays reconfigurables basados en otras tecnologías como diodos, MEMS, etc. Por tanto, su coste y desarrollo es muy reducido, lo que hace que se puedan fabricar reflectarrays reconfigurables eléctricamente grandes, a bajo coste, y en producción elevada. Un ejemplo claro de una estructura similar, y que ha tenido éxito comercial, son las pantallas de cristal líquido. La tercera razón reside en el hecho de que el cristal líquido es, hasta la fecha, de las pocas tecnologías capaces de ofrecer reconfigurabilidad del haz a frecuencias superiores a 60 GHz. De hecho, el cristal líquido permite reconfigurabilidad en un amplio margen de frecuencias, que va desde DC a frecuencias del espectro visible, incluyendo las microondas y los THz. Otras tecnologías, como los materiales ferroeléctricos, el grafeno o la tecnología CMOS “on chip” permiten también conmutar el haz en estas frecuencias. Sin embargo, la tecnología CMOS tiene un elevado coste y actualmente está limitada a frecuencias inferiores a 150 GHz, y aunque los materiales ferroeléctricos o el grafeno puedan conmutar a frecuencias más altas y en un rango más amplio, tienen serias dificultades que los hacen aún inmaduros. En el caso de los materiales ferroeléctricos, los elevados voltajes para conmutar el material los hacen poco atractivos, mientras que en el caso del grafeno, su modelado aún está en discusión, y todavía no se han arrojado resultados experimentales que validen su idoneidad. Estas tres razones hacen que los reflectarrays basados en cristal líquido sean atractivos para multitud de aplicaciones de haz reconfigurable a frecuencias superiores a 60 GHz. Aplicaciones como radar de escaneo de imágenes de alta resolución, espectroscopia molecular, radiómetros para observación atmosférica, o comunicaciones inalámbricas de alta frecuencia (WiGig) son algunas de ellas. La tesis está estructurada en tres partes. En la primera de ellas se describen las características más comunes de los cristales líquidos, centrándonos en detalle en aquellas propiedades ofrecidas por este material en fase nemática. En concreto, se estudiará la anisotropía dieléctrica (Ae) de los cristales líquidos uniaxiales, que son los que se emplean en esta tesis, definida como la diferencia entre la permitividad paralela (£//) y la perpendicular (e±): Ae = e,, - e±. También se estudiará la variación de este parámetro (Ae) con la frecuencia, y el modelado electromagnético macroscópico más general que, extraído a partir de aquella, permite describir el cristal líquido para cada tensión de polarización en celdas de geometría planar. Este modelo es de suma importancia para garantizar precisión en el desfasaje proporcionado por las diferentes celdas reconfigurables para reflectarrays que se describirán en la siguiente parte de la tesis. La segunda parte de la tesis se centra en el diseño de celdas reflectarray resonantes basadas en cristal líquido. La razón por la que se escogen estos tipos de celdas reside en el hecho de que son las únicas capaces de proporcionar rangos de fase elevados ante la reducida anisotropía dieléctrica que ofrecen los cristales líquidos. El objetivo de esta parte trata, por tanto, de obtener estructuras de celdas reflectarray que sean capaces de proporcionar buenas prestaciones eléctricas a nivel de antena, mejorando sustancialmente las prestaciones de las celdas reportadas en el estado del arte, así como de desarrollar una herramienta de diseño general para aquellas. Para ello, se estudian las prestaciones eléctricas de diferentes tipos de elementos resonantes de cristal líquido que van, desde el más sencillo, que ha limitado el estado de la técnica hasta el desarrollo de esta tesis y que está formado por un sólo resonador, a elementos que constan de varios resonadores (multi-resonantes) y que pueden ser monocapa o multicapa. En un primer paso, el procedimiento de diseño de estas estructuras hace uso de un modelo convencional de cristal líquido que ha venido siendo usado en el estado del arte para este tipo de celdas, y que considera el cristal líquido como un material homogéneo e isótropo cuya permitividad varía entre (e/7) y (e±). Sin embargo, en esta parte de la tesis se demuestra que dicho modelado no es suficiente para describir de forma genérica el comportamiento del cristal líquido en las celdas tipo reflectarray. En la tesis se proponen procedimientos más exactos para el análisis y diseño basados en un modelo más general que define el cristal líquido como un material anisótropo e inhomogeneo en tres dimensiones, y se ha implementado una técnica que permite optimizar celdas multi-resonantes de forma eficiente para conseguir elevadas prestaciones en cuanto a ancho de banda, rango de fase, pérdidas, o sensibilidad al ángulo de incidencia. Los errores cometidos en el uso del modelado convencional a nivel de celda (amplitud y fase) se han analizado para varias geometrías, usando medidas de varios prototipos de antena que usan un cristal líquido real a frecuencias superiores a 100 GHz. Las medidas se han realizado en entorno periódico mediante un banco cuasi-óptico, que ha sido diseñado especialmente para este fin. Uno de estos prototipos se ha optimizado a 100 GHz para conseguir un ancho de banda relativamente elevado (10%), pérdidas reducidas, un rango de fase mayor de 360º, baja sensibilidad al ángulo de incidencia, y baja influencia de la inhomogeneidad transversal del cristal líquido en la celda. Estas prestaciones a nivel de celda superan de forma clara aquellas conseguidas por otros elementos que se han reportado en la literatura, de manera que dicho prototipo se ha usado en la última parte de la tesis para realizar diversas antenas de barrido. Finalmente, en esta parte se presenta una estrategia de caracterización de la anisotropía macroscópica a partir de medidas de los elementos de reflectarray diseñados en banco cuasi-óptico, obteniendo resultados tanto en las frecuencias de interés en RF como en AC, y comparándolas con aquellas obtenidas mediante otros métodos. La tercera parte de la tesis consiste en el estudio, diseño, fabricación y medida de antenas reconfigurables basadas en cristal líquido en configuraciones complejas. En reflectarrays pasivos, el procedimiento de diseño de la antena se limita únicamente al ajuste en cada celda de la antena de las dimensiones de las metalizaciones que se emplean para el control de fase, mediante procesos de optimización bien conocidos. Sin embargo, en el caso de reflectarrays reconfigurables basados en cristal líquido, resulta necesario un paso adicional, que consiste en calcular de forma adecuada las tensiones de control en cada celda del reflectarray para configurar la fase requerida en cada una de ellas, así como diseñar la estructura y los circuitos de control que permitan direccionar a cada elemento su tensión correspondiente. La síntesis de tensiones es por tanto igual o más importante que el diseño de la geometría de las celdas, puesto que éstas son las que están directamente relacionadas con la fase. En el estado del arte, existen varias estrategias de síntesis de tensiones que se basan en la caracterización experimental de la curva de fase respecto al voltaje. Sin embargo, esta caracterización sólo puede hacerse a un solo ángulo de incidencia y para unas determinadas dimensiones de celda, lo que produce que las tensiones sintetizadas sean diferentes de las adecuadas, y en definitiva que se alcancen errores de fase mayores de 70º. De esta forma, hasta la fecha, las prestaciones a nivel de antena que se han conseguido son reducidas en cuanto a ancho de banda, rango de escaneo o nivel de lóbulos secundarios. En esta última parte de la tesis, se introduce una nueva estrategia de síntesis de tensiones que es capaz de predecir mediante simulaciones, y con alta precisión, las tensiones que deben introducirse en cada celda teniendo en cuenta su ángulo de incidencia, sus dimensiones, la frecuencia, así como la señal de polarización definida por su frecuencia y forma de onda AC. Esta estrategia se basa en modelar cada uno de los estados de permitividad del cristal líquido como un sustrato anisótropo con inhomogeneidad longitudinal (1D), o en ciertos casos, como un tensor equivalente homogéneo. La precisión de ambos modelos electromagnéticos también se discute. Con el objetivo de obtener una herramienta eficiente de cálculo de tensiones, también se ha escrito e implementado una herramienta de análisis basada en el Método de los Momentos en el Dominio Espectral (SD-MoM) para sustratos estratificados anisótropos, que se usa en cada iteración del procedimiento de síntesis para analizar cada una de las celdas de la antena. La síntesis de tensiones se ha diseñado además para reducir al máximo el efecto del rizado de amplitud en el diagrama de radiación, que es característico en los reflectarrays que están formados por celdas con pérdidas elevadas, lo que en sí, supone un avance adicional para la obtención de mejores prestaciones de antena. Para el cálculo de los diagramas de radiación empleados en el procedimiento de síntesis, se asume un análisis elemento a elemento considerando periodicidad local, y se propone el uso de un método capaz de modelar el campo incidente de forma que se elimine la limitación de la periodicidad local en la excitación. Una vez definida la estrategia adecuada de cálculo de las tensiones a aplicar al cristal líquido en cada celda, la estructura de direccionamiento de las mismas en la antena, y diseñados los circuitos de control, se diseñan, fabrican y miden dos prototipos diferentes de antena de barrido electrónico a 100 GHz usando las celdas anteriormente presentadas. El primero de estos prototipos es un reflectarray en configuración “single offset” con capacidad de escaneo en un plano (elevación o azimut). Aunque previamente se realizan diseños de antenas de barrido en 2D a varias frecuencias en el rango de milimétricas y sub-milimétricas, y se proponen ciertas estrategias de direccionamiento que permiten conseguir este objetivo, se desarrolla el prototipo con direccionamiento en una dimensión con el fin de reducir el número de controles y posibles errores de fabricación, y así también validar la herramienta de diseño. Para un tamaño medio de apertura (con un numero de filas y columnas entre 30 y 50 elementos, lo que significa un reflectarray con un número de elementos superior a 900), la configuración “single offset” proporciona rangos de escaneo elevados, y ganancias que pueden oscilar entre los 20 y 30 dBi. En concreto, el prototipo medido proporciona un haz de barrido en un rango angular de 55º, en el que el nivel de lóbulos secundarios (SLL) permanece mejor de -13 dB en un ancho de banda de un 8%. La ganancia máxima es de 19.4 dBi. Estas prestaciones superan de forma clara aquellas conseguidas por otros autores. El segundo prototipo se corresponde con una antena de doble reflector que usa el reflectarray de cristal líquido como sub-reflector para escanear el haz en un plano (elevación o azimut). El objetivo básico de esta geometría es obtener mayores ganancias que en el reflectarray “single offset” con una estructura más compacta, aunque a expensas de reducir el rango de barrido. En concreto, se obtiene una ganancia máxima de 35 dBi, y un rango de barrido de 12º. Los procedimientos de síntesis de tensiones y de diseño de las estructuras de las celdas forman, en su conjunto, una herramienta completa de diseño precisa y eficiente de antenas reflectarray reconfigurables basados en cristales líquidos. Dicha herramienta se ha validado mediante el diseño, la fabricación y la medida de los prototipos anteriormente citados a 100 GHz, que consiguen algo nunca alcanzado anteriormente en la investigación de este tipo de antenas: unas prestaciones competitivas y una predicción excelente de los resultados. El procedimiento es general, y por tanto se puede usar a cualquier frecuencia en la que el cristal líquido ofrezca anisotropía dieléctrica, incluidos los THz. Los prototipos desarrollados en esta tesis doctoral suponen también unas de las primeras antenas de barrido real a frecuencias superiores a 100 GHz. En concreto, la antena de doble reflector para escaneo de haz es la primera antena reconfigurable electrónicamente a frecuencias superiores a 60 GHz que superan los 25 dBi de ganancia, siendo a su vez la primera antena de doble reflector que contiene un reflectarray reconfigurable como sub-reflector. Finalmente, se proponen ciertas mejoras que aún deben se deben realizar para hacer que estas antenas puedan ser un producto completamente desarrollado y competitivo en el mercado. ABSTRACT The work presented in this thesis is focused on the development of electronically reconfigurable antennas that are able to provide competitive electrical performance to the increasingly common applications operating at frequencies above 60 GHz. Specifically, this thesis presents the study, design, and implementation of reflectarray antennas, which incorporate liquid crystal (LC) materials to scan or reconfigure the beam electronically. From a general point of view, a liquid crystal can be defined as a material whose dielectric permittivity is variable and can be controlled with an external excitation, which usually corresponds with a quasi-static electric field (AC). By changing the dielectric permittivity at each cell that makes up the reflectarray, the phase shift on the aperture is controlled, so that a prescribed radiation pattern can be configured. Liquid Crystal-based reflectarrays have been chosen for several reasons. The first has to do with the advantages provided by the reflectarray antenna with respect to other high gain antennas, such as reflectors or phased arrays. The RF feeding in reflectarrays is achieved by using a common primary source (as in reflectors). This arrangement and the large number of degrees of freedom provided by the cells that make up the reflectarray (as in arrays), allow these antennas to provide a similar or even better electrical performance than other low profile antennas (reflectors and arrays), but assuming a more reduced cost and compactness. The second reason is the flexibility of the liquid crystal to be confined in an arbitrary geometry due to its fluidity (property of liquids). Therefore, the liquid crystal is able to adapt to a planar geometry so that it is one or more of the typical layers of this configuration. This simplifies drastically both the structure and manufacture of this type of antenna, even when compared with reconfigurable reflectarrays based on other technologies, such as diodes MEMS, etc. Therefore, the cost of developing this type of antenna is very small, which means that electrically large reconfigurable reflectarrays could be manufactured assuming low cost and greater productions. A paradigmatic example of a similar structure is the liquid crystal panel, which has already been commercialized successfully. The third reason lies in the fact that, at present, the liquid crystal is one of the few technologies capable of providing switching capabilities at frequencies above 60 GHz. In fact, the liquid crystal allows its permittivity to be switched in a wide range of frequencies, which are from DC to the visible spectrum, including microwaves and THz. Other technologies, such as ferroelectric materials, graphene or CMOS "on chip" technology also allow the beam to be switched at these frequencies. However, CMOS technology is expensive and is currently limited to frequencies below 150 GHz, and although ferroelectric materials or graphene can switch at higher frequencies and in a wider range, they have serious difficulties that make them immature. Ferroelectric materials involve the use of very high voltages to switch the material, making them unattractive, whereas the electromagnetic modelling of the graphene is still under discussion, so that the experimental results of devices based on this latter technology have not been reported yet. These three reasons make LC-based reflectarrays attractive for many applications that involve the use of electronically reconfigurable beams at frequencies beyond 60 GHz. Applications such as high resolution imaging radars, molecular spectroscopy, radiometers for atmospheric observation, or high frequency wireless communications (WiGig) are just some of them. This thesis is divided into three parts. In the first part, the most common properties of the liquid crystal materials are described, especially those exhibited in the nematic phase. The study is focused on the dielectric anisotropy (Ac) of uniaxial liquid crystals, which is defined as the difference between the parallel (e/7) and perpendicular (e±) permittivities: Ae = e,, - e±. This parameter allows the permittivity of a LC confined in an arbitrary volume at a certain biasing voltage to be described by solving a variational problem that involves both the electrostatic and elastic energies. Thus, the frequency dependence of (Ae) is also described and characterised. Note that an appropriate LC modelling is quite important to ensure enough accuracy in the phase shift provided by each cell that makes up the reflectarray, and therefore to achieve a good electrical performance at the antenna level. The second part of the thesis is focused on the design of resonant reflectarray cells based on liquid crystal. The reason why resonant cells have been chosen lies in the fact that they are able to provide enough phase range using the values of the dielectric anisotropy of the liquid crystals, which are typically small. Thus, the aim of this part is to investigate several reflectarray cell architectures capable of providing good electrical performance at the antenna level, which significantly improve the electrical performance of the cells reported in the literature. Similarly, another of the objectives is to develop a general tool to design these cells. To fulfill these objectives, the electrical yields of different types of resonant reflectarray elements are investigated, beginning from the simplest, which is made up of a single resonator and limits the state of the art. To overcome the electrical limitations of the single resonant cell, several elements consisting of multiple resonators are considered, which can be single-layer or multilayer. In a first step, the design procedure of these structures makes use of a conventional electromagnetic model which has been used in the literature, which considers that the liquid crystal behaves as homogeneous and isotropic materials whose permittivity varies between (e/7) y (e±). However, in this part of the thesis it is shown that the conventional modelling is not enough to describe the physical behaviour of the liquid crystal in reflectarray cells accurately. Therefore, a more accurate analysis and design procedure based on a more general model is proposed and developed, which defines the liquid crystal as an anisotropic three-dimensional inhomogeneous material. The design procedure is able to optimize multi-resonant cells efficiently to achieve good electrical performance in terms of bandwidth, phase range, losses, or sensitivity to the angle of incidence. The errors made when the conventional modelling (amplitude and phase) is considered have been also analysed for various cell geometries, by using measured results from several antenna prototypes made up of real liquid crystals at frequencies above 100 GHz. The measurements have been performed in a periodic environment using a quasi-optical bench, which has been designed especially for this purpose. One of these prototypes has been optimized to achieve a relatively large bandwidth (10%) at 100 GHz, low losses, a phase range of more than 360º, a low sensitivity to angle of incidence, and a low influence of the transversal inhomogeneity of the liquid crystal in the cell. The electrical yields of this prototype at the cell level improve those achieved by other elements reported in the literature, so that this prototype has been used in the last part of the thesis to perform several complete antennas for beam scanning applications. Finally, in this second part of the thesis, a novel strategy to characterise the macroscopic anisotropy using reflectarray cells is presented. The results in both RF and AC frequencies are compared with those obtained by other methods. The third part of the thesis consists on the study, design, manufacture and testing of LCbased reflectarray antennas in complex configurations. Note that the design procedure of a passive reflectarray antenna just consists on finding out the dimensions of the metallisations of each cell (which are used for phase control), using well-known optimization processes. However, in the case of reconfigurable reflectarrays based on liquid crystals, an additional step must be taken into account, which consists of accurately calculating the control voltages to be applied to each cell to configure the required phase-shift distribution on the surface of the antenna. Similarly, the structure to address the voltages at each cell and the control circuitry must be also considered. Therefore, the voltage synthesis is even more important than the design of the cell geometries (dimensions), since the voltages are directly related to the phase-shift. Several voltage synthesis procedures have been proposed in the state of the art, which are based on the experimental characterization of the phase/voltage curve. However, this characterization can be only carried out at a single angle of incidence and at certain cell dimensions, so that the synthesized voltages are different from those needed, thus giving rise to phase errors of more than 70°. Thus, the electrical yields of the LCreflectarrays reported in the literature are limited in terms of bandwidth, scanning range or side lobes level. In this last part of the thesis, a new voltage synthesis procedure has been defined and developed, which allows the required voltage to be calculated at each cell using simulations that take into account the particular dimensions of the cells, their angles of incidence, the frequency, and the AC biasing signal (frequency and waveform). The strategy is based on the modelling of each one of the permittivity states of the liquid crystal as an anisotropic substrate with longitudinal inhomogeneity (1D), or in certain cases, as an equivalent homogeneous tensor. The accuracy of both electromagnetic models is also discussed. The phase errors made by using the proposed voltage synthesis are better than 7º. In order to obtain an efficient tool to analyse and design the reflectarray, an electromagnetic analysis tool based on the Method of Moments in the spectral domain (SD-MoM) has also written and developed for anisotropic stratified media, which is used at each iteration of the voltage synthesis procedure. The voltage synthesis is also designed to minimize the effect of amplitude ripple on the radiation pattern, which is typical of reflectarrays made up of cells exhibiting high losses and represents a further advance in achieving a better antenna performance. To calculate the radiation patterns used in the synthesis procedure, an element-by-element analysis is assumed, which considers the local periodicity approach. Under this consideration, the use of a novel method is proposed, which avoids the limitation that the local periodicity imposes on the excitation. Once the appropriate strategy to calculate the voltages to be applied at each cell is developed, and once it is designed and manufactured both the structure to address the voltages to the antenna and the control circuits, two complete LC-based reflectarray antennas that operate at 100 GHz have been designed, manufactured and tested using the previously presented cells. The first prototype consists of a single offset reflectarray with beam scanning capabilities on one plane (elevation and azimuth). Although several LC-reflectarray antennas that provide 2-D scanning capabilities are also designed, and certain strategies to achieve the 2-D addressing of the voltage are proposed, the manufactured prototype addresses the voltages in one dimension in order to reduce the number of controls and manufacturing errors, and thereby validating the design tool. For an average aperture size (with a number of rows and columns of between 30 and 50 elements, which means a reflectarray with more than 900 cells), the single offset configuration provides an antenna gain of between 20 and 30 dBi and a large scanning range. The prototype tested at 100 GHz exhibits an electronically scanned beam in an angular range of 55º and 8% of bandwidth, in which the side lobe level (SLL) remains better than -13 dB. The maximum gain is 19.4 dBi. The electrical performance of the antenna is clearly an improvement on those achieved by other authors in the state of the art. The second prototype corresponds to a dual reflector antenna with a liquid crystal-based reflectarray used as a sub-reflector for beam scanning in one plane (azimuth or elevation). The main objective is to obtain a higher gain than that provided by the single offset configuration, but using a more compact architecture. In this case, a maximum gain of 35 dBi is achieved, although at the expense of reducing the scanning range to 12°, which is inherent in this type of structure. As a general statement, the voltage synthesis and the design procedure of the cells, jointly make up a complete, accurate and efficient design tool of reconfigurable reflectarray antennas based on liquid crystals. The tool has been validated by testing the previously mentioned prototypes at 100 GHz, which achieve something never reached before for this type of antenna: a competitive electrical performance, and an excellent prediction of the results. The design procedure is general and therefore can be used at any frequency for which the liquid crystal exhibits dielectric anisotropy. The two prototypes designed, manufactured and tested in this thesis are also some of the first antennas that currently operate at frequencies above 100 GHz. In fact, the dual reflector antenna is the first electronically scanned dual reflector antenna at frequencies above 60 GHz (the operation frequency is 100 GHz) with a gain greater than 25 dBi, being in turn the first dual-reflector antenna with a real reconfigurable sub-reflectarray. Finally, some improvements that should be still investigated to make these antennas commercially competitive are proposed.

A Personal Agent Architecture for Task Automation in the Web of Data. Bringing intelligence to everyday tasks

Internet está evolucionando hacia la conocida como Live Web. En esta nueva etapa en la evolución de Internet, se pone al servicio de los usuarios multitud de streams de datos sociales. Gracias a estas fuentes de datos, los usuarios han pasado de navegar por páginas web estáticas a interacturar con aplicaciones que ofrecen contenido personalizado, basada en sus preferencias. Cada usuario interactúa a diario con multiples aplicaciones que ofrecen notificaciones y alertas, en este sentido cada usuario es una fuente de eventos, y a menudo los usuarios se sienten desbordados y no son capaces de procesar toda esa información a la carta. Para lidiar con esta sobresaturación, han aparecido múltiples herramientas que automatizan las tareas más habituales, desde gestores de bandeja de entrada, gestores de alertas en redes sociales, a complejos CRMs o smart-home hubs. La contrapartida es que aunque ofrecen una solución a problemas comunes, no pueden adaptarse a las necesidades de cada usuario ofreciendo una solucion personalizada. Los Servicios de Automatización de Tareas (TAS de sus siglas en inglés) entraron en escena a partir de 2012 para dar solución a esta liminación. Dada su semejanza, estos servicios también son considerados como un nuevo enfoque en la tecnología de mash-ups pero centra en el usuarios. Los usuarios de estas plataformas tienen la capacidad de interconectar servicios, sensores y otros aparatos con connexión a internet diseñando las automatizaciones que se ajustan a sus necesidades. La propuesta ha sido ámpliamante aceptada por los usuarios. Este hecho ha propiciado multitud de plataformas que ofrecen servicios TAS entren en escena. Al ser un nuevo campo de investigación, esta tesis presenta las principales características de los TAS, describe sus componentes, e identifica las dimensiones fundamentales que los defines y permiten su clasificación. En este trabajo se acuña el termino Servicio de Automatización de Tareas (TAS) dando una descripción formal para estos servicios y sus componentes (llamados canales), y proporciona una arquitectura de referencia. De igual forma, existe una falta de herramientas para describir servicios de automatización, y las reglas de automatización. A este respecto, esta tesis propone un modelo común que se concreta en la ontología EWE (Evented WEb Ontology). Este modelo permite com parar y equiparar canales y automatizaciones de distintos TASs, constituyendo un aporte considerable paraa la portabilidad de automatizaciones de usuarios entre plataformas. De igual manera, dado el carácter semántico del modelo, permite incluir en las automatizaciones elementos de fuentes externas sobre los que razonar, como es el caso de Linked Open Data. Utilizando este modelo, se ha generado un dataset de canales y automatizaciones, con los datos obtenidos de algunos de los TAS existentes en el mercado. Como último paso hacia el lograr un modelo común para describir TAS, se ha desarrollado un algoritmo para aprender ontologías de forma automática a partir de los datos del dataset. De esta forma, se favorece el descubrimiento de nuevos canales, y se reduce el coste de mantenimiento del modelo, el cual se actualiza de forma semi-automática. En conclusión, las principales contribuciones de esta tesis son: i) describir el estado del arte en automatización de tareas y acuñar el término Servicio de Automatización de Tareas, ii) desarrollar una ontología para el modelado de los componentes de TASs y automatizaciones, iii) poblar un dataset de datos de canales y automatizaciones, usado para desarrollar un algoritmo de aprendizaje automatico de ontologías, y iv) diseñar una arquitectura de agentes para la asistencia a usuarios en la creación de automatizaciones. ABSTRACT The new stage in the evolution of the Web (the Live Web or Evented Web) puts lots of social data-streams at the service of users, who no longer browse static web pages but interact with applications that present them contextual and relevant experiences. Given that each user is a potential source of events, a typical user often gets overwhelmed. To deal with that huge amount of data, multiple automation tools have emerged, covering from simple social media managers or notification aggregators to complex CRMs or smart-home Hub/Apps. As a downside, they cannot tailor to the needs of every single user. As a natural response to this downside, Task Automation Services broke in the Internet. They may be seen as a new model of mash-up technology for combining social streams, services and connected devices from an end-user perspective: end-users are empowered to connect those stream however they want, designing the automations they need. The numbers of those platforms that appeared early on shot up, and as a consequence the amount of platforms following this approach is growing fast. Being a novel field, this thesis aims to shed light on it, presenting and exemplifying the main characteristics of Task Automation Services, describing their components, and identifying several dimensions to classify them. This thesis coins the term Task Automation Services (TAS) by providing a formal definition of them, their components (called channels), as well a TAS reference architecture. There is also a lack of tools for describing automation services and automations rules. In this regard, this thesis proposes a theoretical common model of TAS and formalizes it as the EWE ontology This model enables to compare channels and automations from different TASs, which has a high impact in interoperability; and enhances automations providing a mechanism to reason over external sources such as Linked Open Data. Based on this model, a dataset of components of TAS was built, harvesting data from the web sites of actual TASs. Going a step further towards this common model, an algorithm for categorizing them was designed, enabling their discovery across different TAS. Thus, the main contributions of the thesis are: i) surveying the state of the art on task automation and coining the term Task Automation Service; ii) providing a semantic common model for describing TAS components and automations; iii) populating a categorized dataset of TAS components, used to learn ontologies of particular domains from the TAS perspective; and iv) designing an agent architecture for assisting users in setting up automations, that is aware of their context and acts in consequence.

La ciudad editada: de Las Vegas a Nueva York (1972-1978): Venturi / Scott Brown / Koolhaas

Si hubiese un denominador común entre todas las artes en lo que ha venido llamándose postmodernidad, éste tendría mucho que ver con el final del origen de la obra. Desde la literatura y la música hasta las artes plásticas y la arquitectura, la superación de la modernidad ha estado caracterizada por la sustitución del concepto de creación por el de intervención artística, o lo que es lo mismo, la interpretación de lo que ya existe. A principios del siglo XX los conceptos modernos de creación y origen implicaban tener que desaprender y olvidar todo lo anterior con el ánimo de partir desde cero; incluso en un sentido material Mies sugería la construcción literal de la materia y su movimiento de acuerdo a unas leyes. A partir de la segunda mitad de siglo los planteamientos historicistas empezaron a surgir como reacción ante la amnesia y la supuesta originalidad de los modernos. En este contexto surgen los libros Learning from Las Vegas, 1972 y Delirious New York, 1978, ambos deudores en muchos aspectos con el anterior libro de Venturi, Complexity and Contradiction in Architecture, 1966. Estos dos libros sobre ciudades, alejándose decididamente de las tendencias historicistas de la época, proponían utilizar el análisis crítico de la realidad existente como vehículo para la teoría y el proyecto de manera simultánea, convirtiéndose indirectamente en Manifiestos. Si en un primer momento Venturi, Rossi y otros planteaban acabar con los límites formales establecidos por la modernidad, así como por cualquiera de los cánones anteriores, tomando la totalidad de la obra construida como sistema de referencia, - al igual que hiciera Eliot en literatura, - los libros de Las Vegas y Nueva York sugerían directamente borrar los límites de la propia disciplina, llegando a poner en duda ¿Qué puede ser considerado arquitectura? Sin embargo, debido precisamente a la ausencia total de límites y a la inmensidad del sistema referencial planteado, “todo puede ser arquitectura”, como apuntaba Hans Hollein en 1968, los libros proponen al mismo tiempo definir el campo de actuación de cada cual de manera individual. Los escritos sobre Las Vegas y Nueva York suponen por un lado la eliminación de los limites disciplinares y por otro, la delimitación de ámbitos de trabajo concretos para sus autores: los propios de cada una de las ciudades interpretadas. La primera parte de la Tesis, Lecciones, se ocupa del necesario proceso de aprendizaje y experimentación previo a la acción crítica propiamente dicha. Los arquitectos contemporáneos necesitan acumular material, conocimiento, documentación, experiencias... antes de lanzarse a proponer mediante la crítica y la edición; y al contrario que ocurría con los modernos, cuanto más abundante sea ese bagaje previo más rica será la interpretación. Las ciudades de Roma, Londres y Berlín se entienden por tanto como experiencias capaces de proporcionar a Venturi, Scott Brown y Koolhaas respectivamente, sus “personales diccionarios”, unas interminables imaginerías con las que posteriormente se enfrentarían a los análisis de Las Vegas y Nueva York. La segunda parte, Críticas, se centra en la producción teórica en sí: los dos libros de ciudades analizados en estrecha relación con el Complexity and Contradiction. El razonamiento analógico característico de estos libros ha servido de guía metodológica para la investigación, estableciéndose relaciones, no entre los propios escritos directamente, sino a través de trabajos pertenecientes a otras disciplinas. En primer lugar se plantea un importante paralelismo entre los métodos de análisis desarrollados en estos libros y los utilizados por la crítica literaria, observando que si el new criticism y el nuevo periodismo sirvieron de guía en los escritos de Venturi y Scott Brown, la nouvelle critique y su propuesta de identificación poética fueron el claro referente de Koolhaas al abordar Nueva York. Por otro lado, la relevancia ganada por la actividad de comisariado artístico y la aparición de la figura del curator, como autoridad capaz de utilizar la obra de arte por encima de las intenciones de su propio autor, sirve, al igual que la figura del editor, como reflejo de la acción transformadora y de apropiación llevada a cabo tanto en Learning from Las Vegas, como en Delirious New York. Por último y a lo largo de toda la investigación las figuras de Bergson y Baudelaire han servido como apoyo teórico. A través de la utilización que de sus ideas hicieron Venturi y Koolhaas respectivamente, se ha tratado de mostrar la proximidad de ambos planteamientos desde un punto de vista ideológico. La Inclusión propuesta por Venturi y la ironía utilizada por Koolhaas, la contradicción y la paradoja, no son sino el reflejo de lógicas que en ambos casos reaccionan al mismo tiempo contra idealismo y materialismo, contra modernidad y antimodernidad, en un continuo intento de ser lo uno y lo otro simultáneamente. ABSTRACT If there was a common denominator among all the arts in what has been called postmodernism, it would have much to do with the end of the origin of the artwork. From literature and music to fine arts and architecture, overcoming modernity has been characterized by replacing the concept of artistic creation by the one of intervention, in other words, the interpretation of what already exists. In the early twentieth century modern concepts of creation and origin involved unlearning and forgetting everything before with the firm intention of starting from scratch. Even in a material sense Mies suggested the literal construction of matter and its motion according to laws. From the mid-century historicist approaches began to emerge in response to the amnesia and originality alleged by moderns. In this context appeared the books Learning from Las Vegas, 1972 and Delirious New York, 1978, both debtors in many respects to the previous book by Venturi, Complexity and Contradiction in Architecture, 1966. These two books on cities, which broke away decidedly with the historicist trends of the time, proposed using critical analysis of the existing reality as a vehicle for theory and projecting at the same time, indirectly becoming manifests. If at first Venturi, Rossi and others pose to erase the formal limits set by modernity, as well as any of the canons before, taking the entire work built as a reference system, - as did Eliot in literature - the books on Las Vegas and New York proposed directly erasing the boundaries of the discipline itself, coming to question what could be considered architecture? However, and precisely because of the absence of limits and the immensity of the established framework, - “everything could be architecture” as Hans Hollein pointed in 1968, - the books suggested at the same time the definition of a field of action for each one individually. The cities of Las Vegas and New York represented on the one hand the elimination of disciplinary limits and on the other, the delimitation of specific areas of work to its authors: Those on each of the cities interpreted. The first part of the thesis, Lessons, attend to the necessary process of learning and experimentation before the critical action itself. Contemporary architects need to accumulate material, knowledge, information, experiences... before proposing through criticism and editing; and unlike happened with moderns, the most abundant this prior baggage is, the richest will be the interpretation. Rome, London and Berlin are therefore understood as experiences capable of providing Venturi, Scott Brown and Koolhaas respectively, their “personal dictionaries”, interminable imageries with which they would later face the analysis of Las Vegas and New York. The second part, Critiques, focuses on the theoretical production itself: the two books on both cities analyzed closely with the Complexity and Contradiction. The analogical reasoning characteristic of these books has served as a methodological guide for the research, establishing relationships, not directly between the writings themselves, but through works belonging to other disciplines. First, an important parallel is set between the methods of analysis developed in these books and those used by literary criticism, noting that if the new criticism and new journalism guided Venturi and Scott Brown´s writings, the nouvelle critique and its poetic identification were clear references for Koolhaas when addressing New York. On the other hand, the relevance gained by curating and the understanding of the figure of the curator as an authority capable to use artworks above the intentions of their authors, like the one of the Editor, reflects the appropriation and processing actions carried out both in Learning from Las Vegas, and Delirious New York. Finally and over all the research Bergson and Baudelaire figures resonate continuously. Through the use of their ideas done by Venturi and Koolhaas respectively, the research has tried to show the proximity of both approaches from an ideological point of view. Inclusion, as posed by Venturi and irony, as used by Koolhaas, contradiction and paradox are reflections of the logic that in both cases allow them to react simultaneously against idealism and materialism, against modernism and anti-modernism.

Historia de la protección del patrimonio arquitectónico en España. 1933-1985

El trabajo de investigación que presentamos tiene como principal objetivo, la recopilación, el registro, el análisis y la reflexión sobre una época, tan trascendental como poco estudiada desde el ámbito arquitectónico, como es el período comprendido entre las dos normas de mayor relevancia en relación a la protección del Patrimonio Histórico Español del último siglo. Nos referimos a la Ley sobre Defensa, Conservación y Acrecentamiento del Patrimonio Histórico Nacional de 13 de mayo de 1933 y la Ley 13/1985, de 25 de junio, del Patrimonio Histórico Español. A través de la investigación realizada, se pretende aportar una visión integral de esta etapa, desde el enfoque arquitectónico, fundamentando la misma en el desarrollo de pautas metodológicas, abordadas desde la recopilación exhaustiva del material bibliográfico y documental para su posterior análisis. A partir de esta fase inicial, se han identificado los nexos comunes entre los estudios existentes sobre el patrimonio monumental español previos a la Guerra Civil y las investigaciones dedicadas a la historia de las últimas décadas del siglo XX. De esta forma, se ha procurado trazar un “puente” documental, con el que trasponer virtualmente el vacío bibliográfico existente. Históricamente, la protección del patrimonio histórico edificado y urbano, ha preocupado y ocupado a multitud de profesionales que, desde disciplinas dispares, han emprendido la tarea ímproba de comprender y explicar cuáles han sido los avatares, históricos y legales, que han marcado su evolución. Tal preocupación ha generado una bibliografía ingente y diversa, desde la protección formal y precisa, sobre uno u otro material, pasando por el marco historiográfico de las tendencias conservacionistas y las teorías decimonónicas, las filigranas formadas por las cuantiosas normas promulgadas desde la Novísima Recopilación, hasta la incidencia del planeamiento urbano en la tutela del patrimonio, incluidas la trama de competencias y yuxtaposiciones administrativas. Documentos de toda índole y profundidad científica, que como mosaicos hispanomusulmanes, dibujan el panorama patrimonial en el que la criba de material resulta una tarea, en ocasiones, inextricable. El título de este documento, en sí mismo, circunscribe la materia que ha sido el objeto de análisis durante el proceso de investigación, el Patrimonio Arquitectónico Monumental. El eje o núcleo basal de estudio se sitúa en los bienes inmuebles, los edificados, que, a su vez, ostentan la declaración de Bien de Interés Cultural, y que, por ende, pertenecen al Patrimonio Histórico Español. La metodología de trabajo se ha desarrollado de forma concéntrica, desde aspectos generales de la protección del patrimonio monumental, como el marco legal que antecede a la promulgación de la Ley de 1933, y el estado previo de los bienes susceptibles de ser preservados. Reconocemos en el ámbito legislativo, el fundamento orgánico que regula y dirige la tutela del patrimonio histórico español y la acción conservadora, y que delimita el ámbito a partir del cual se condiciona el devenir de los bienes culturales. Del esquema de situación surgido del análisis previo, se han detectado los factores claves en la transición hacia la Ley de Patrimonio Histórico Español; la evolución conceptual del “Patrimonio”, como apreciación genérica, y el testimonio de este progreso a través de los valores históricos, artísticos y culturales. El presente documento de investigación, consta de una primera fase, correspondiente al Capítulo 1, que se ha desarrollado a partir, principalmente, de la ordenación jurídica que rige el Patrimonio Histórico Español, a través de leyes, decretos, órdenes y disposiciones anexas, complementado con el material bibliográfico dedicado a la revisión histórica del proceso legal de la protección del patrimonio histórico-artístico. Si bien no ha sido nuestro propósito realizar un estudio pormenorizado del volumen jurídico e histórico que precede a la Ley de 1933, y que da inicio al período de estudio de la presente investigación, sí lo ha sido centrarnos en la elaboración de un extracto de aquellos elementos de la doctrina de mayor relevancia y repercusión en la protección del patrimonio histórico-artístico y/o monumental español. A lo largo de este estudio hemos comprobado lo que algunos juristas ya habían planteado, acerca de la profunda dispersión, ramificación, y diversificación de esfuerzos, tanto en la legislación específica como en la urbanística. Esta disgregación se ha extendido al ámbito de las medidas de reconocimiento caracterizado por la elaboración de múltiples catálogos e inventarios, con desigual transcendencia, alcance y utilidad. El resultado ha sido una división de esfuerzos, desdibujando el objetivo y convirtiendo la acción del reconocimiento en múltiples empresas inconexas y de escasa trascendencia. Nuestra investigación avanza en el análisis de la protección del patrimonio, como concepto globalizador, con el desarrollo del Capítulo 2, en el que se incluye una serie de mecanismos directos e indirectos que, individualmente, suelen carecer de la fuerza efectiva que muchos de los monumentos o conjuntos monumentales requieren para sobrevivir al paso del tiempo y sus circunstancias. En primer lugar, en este segundo capítulo nos hemos centrado, específicamente, en el mecanismo regulado por la Ley del Patrimonio Histórico Español, y el régimen general de protección implementado a partir de su promulgación en 1985. En especial, consideraremos la declaración de Interés Cultural como grado máximo de protección y tutela de un bien, y su posterior inscripción en el Registro General correspondiente, dependiente del Ministerio de Educación, Cultura y Deporte. Este mecanismo representa el instrumento por antonomasia que condensa las facultades de tutela del Estado sobre un bien del que se considera poseedor y aglutinador de valores “culturales” —como cohesión de los valores históricos, artísticos, sociales, etc. — representativos de la idiosincrasia española, y sobre el cual no existen dudas sobre la necesidad de garantizar su permanencia a través de su conservación. En segunda instancia, hemos analizado el Planeamiento Urbanístico, como aglutinador de valores culturales contenidos en la ciudad y como contenedor de los efectos generados por el hombre a partir de su interacción con el medio en el que habita y se relaciona. En tercer término, hemos recopilado y estudiado la concepción de los catálogos, como noción genérica de protección. Desde hace siglos, este género ha estado definido como una herramienta capaz de intervenir en la protección del patrimonio histórico, aunque de una manera difícilmente cuantificable, mediante la identificación, enumeración y descripción de una tipología concreta de monumentos o grupos de ellos, contribuyendo al reconocimiento de los valores cualitativos contenidos en éstos. El tercer capítulo analiza el mecanismo directo de tutela que ejerce la Administración en el patrimonio monumental. La declaración de monumentalidad o de Bien de Interés Cultural y su inclusión en el Registro General de Protección. La protección teórica y la protección jurídica de un monumento, analizadas hasta el momento, resultan tan necesarias como pueriles si no van seguidas de su consumación. En el caso de este tipo de patrimonio monumental, toda acción que tenga como objeto resguardar los valores implícitos en un bien mueble o inmueble, y en su materia, implica el cumplimiento de la protección. Por último, el cuarto capítulo se convierte en el punto culminante, y por ende crucial, del proceso de protección del Patrimonio Cultural, el de la consumación de la intervención. La teoría, la crítica, la normativa y hasta las doctrinas más radicales en materia de protección del patrimonio cultural, carecen de sentido si no las suceden los hechos, la acción, en antítesis a la omisión o la desidia. De ello ha dado pruebas elocuentes la propia historia en multitud de ocasiones con la destrucción, por indolencia o desconocimiento, de importantes vestigios del patrimonio arquitectónico español. Por este motivo, y para ser consecuentes con nuestra tesis hemos recuperado, concentrado y analizado la documentación de obra de tres monumentos imprescindibles del patrimonio construido (la Catedral de Burgos, el Palacio-Castillo de la Aljafería en Zaragoza y la Muralla de Lugo). En ocasiones, al examinar retrospectivamente las intervenciones en monumentos de gran envergadura, física y cultural como catedrales o murallas, algunos investigadores han tenido la sospecha o prevención de que las actuaciones no han seguido un plan de actuación premeditado, sino que han sido el resultado de impulsos o arrebatos inconexos producto de la urgencia por remediar algún tipo de deterioro. En oposición a esto, y a través del estudio de las intervenciones llevadas a cabo en los tres monumentos mencionados, hemos podido corroborar que, a excepción de intervenciones de emergencia fruto de circunstancias puntuales, existe coherencia desde el proceso de análisis de situación de un bien a la designación de prioridades, que ha regido el proceso restaurador a lo largo de dos siglos. La evolución de las intervenciones realizadas en los monumentos analizados ha estado definida, además de por su complejidad, magnitud y singularidad constructiva, por el devenir de su estructura y su uso. En conclusión, la efectividad de la protección del patrimonio cultural español, radica en la concomitancia de múltiples aspectos, entre ellos: el cumplimiento acertado de las normas vigentes, específicas y accesorias; el conocimiento del bien y de sus valores históricos, artísticos, y culturales; su catalogación o inclusión en los inventarios correspondientes; el compromiso de los agentes e instituciones de los cuales depende; la planificación de las tareas necesarias que garanticen tanto la salvaguarda estructural como la conservación de sus valores; y la incorporación de un plan de seguimiento que permita detectar eventuales peligros que atenten contra su conservación. Pero, la situación óptima estaría dada por un sistema en el que estos mecanismos —regulaciones específicas y urbanísticas, Declaraciones de Bien de Interés Cultural, Catálogos e Inventarios, etc. — funcionaran, de forma parcial o total, como una maquinaria, donde cada pieza operara con independencia relativa, pero en sintonía con los demás engranajes. Hasta el momento, la realidad dista mucho de esta situación, convirtiendo esta convivencia en una utopía. Tanto los legisladores, como las autoridades y los técnicos involucrados, deben tener presente que, de ellos, de los parámetros asignados por la legislación, de la implementación de los instrumentos estipulados por ésta y de las decisiones tomadas por cada uno de los poderes directivos de los órganos competentes, dependerá el alcance y efectividad de la protección, ya que en cada vertiente existe, en mayor o menor medida, un porcentaje de interpretación y subjetividad. ABSTRACT The research that we present has as the main objective to collect, record, analyzed and reflection on a time, that was little studied from the architectural field. It is the period between the two laws of most relevance to the protection of Spanish Historical Heritage of the last century. We refer to the Law on the Protection and Conservation of National Heritage of 1933 and Law 16/1985 of Spanish Historical Heritage. Through this research, it aims to provide a comprehensive view of the stage from the architectural approach, basing it on the development of methodological guidelines. The investigation was initiated by the bibliography and documentary for further analysis. After this initial phase, we have identified the common links between existing studies on the Spanish architectural heritage prior to the Civil War and dedicated research into the history of the late twentieth century. Thus, we have tried to draw a documental bridge, with which virtually transpose the gap that has existed. Historically, professionals from diverse disciplines have been worried and busy of the protection of the built and urban heritage. They have undertaken the daunting task of understanding and explaining the historical and legal difficulties, which have marked its evolution. This concern has generated an enormous and diverse literature, from formal and precise protection, in the framework of conservation historiographical trends and nineteenth-century theories. Also, they have studied the impact of urban planning in the protection of heritage, including the competences and administrative juxtapositions. They have generated a lot of documents of all kinds and scientific depth. The title of this document, in itself, circumscribes the matter that has been analyzed during this research process, the Monumental Architectural Heritage. The basal studio is located in the historical buildings, which, in turn, hold the declaration of cultural interest, and thus belong to the Spanish Historical Heritage. The work methodology was developed concentrically from general aspects of the protection of monuments, such as the legal framework that predates the enactment of the 1933 Act, and the previous state of the monuments that should be preserved. We recognize in the legislative sphere, the organic base that regulates and directs the tutelage of Spanish heritage and conservative action. The situation scheme emerged from the previous analysis, and we detected the key factors in the transition to the Spanish Historical Heritage Act; the conceptual evolution of the Heritage as a generic assessment, and witness this progress through historical, artistic and cultural values. This research paper consists of a first phase, corresponding to Chapter 1, which has developed from the legal regulation governing the Spanish Historical Heritage, through laws, decrees, orders and related provisions, supplemented the bibliography dedicated to the historical review of the legal process of protecting historical and artistic heritage. While it was not our intention to conduct a detailed study of the legal and historical volume preceding the 1933 Act, and that started the study period of this investigation, yes he has been focusing on the production of an extract from those elements of the doctrine with greater relevance and impact on the protection of Spanish art-historical and / or architectural heritage. Throughout our study we have seen what some jurists had already raised, about the scattering, branching and diversification of efforts, both in specific law and in urban law. This disaggregation has been extended to the field of recognition measures characterized by the development of multiple catalogs and inventories, with varying significance, scope and usefulness. The result has been a division of efforts, blurring the objective and turning the action of the recognition in multiple attempts little consequence. Our research advances in the analysis of heritage protection, as globalization concept in the Chapter 2, which includes a number of direct and indirect mechanisms that individually, often lack the effective force that many of monuments have required to survive the test of time and circumstances. First, in this second chapter we focused specifically on the mechanism regulated by the Spanish Historical Heritage Act, and the general protection regime implemented since its enactment in 1985 . In particular, we consider the declaration of cultural interest as maximum protection and protection of cultural assets, and their subsequent entry in the relevant General Register under the Ministry of Education, Culture and Sports . This mechanism is the instrument par excellence that condenses the powers of state care about a cultural asset, and which represents the cohesion of the historical, artistic, social values , etc. Secondly, we analyzed the Urban Planning, as a unifying cultural value in the city and as a container for the effects caused by man from its interaction with the environment in which he lives and relates. Thirdly, we have collected and studied the origin of catalogs, as generic notion of protection. For centuries, this genre has been defined as a tool to intervene in the protection of historical heritage, although difficult to quantify, through the identification, enumeration and description of a particular typology of monuments, and that contributing to the recognition of qualitative values contained therein. The third chapter analyzes the direct mechanism of protection performed by the Administration in the monuments with the statement of Cultural asset and inclusion in the General Protection Register. The theoretical and legal protection of a monument is as necessary as puerile if they are not followed by intervention. For this type of architectural heritage, any action which has the aim to safeguard the values implicit in the cultural asset involves protection compliance. Finally, the fourth chapter becomes the highlight, because it treated of the end process of the cultural heritage protection, the consummation of the intervention. The theory, the criticism, the rules and even the radical doctrines on the protection of cultural heritage, are meaningless if they do not take place the facts, the action, in antithesis to the omission. The history of the architectural heritage has given eloquent proof by itself. A lot of vestiges have been lost, in many times, for the destruction, through indolence or unknowledge. For this reason, and to be consistent with our thesis, we have collected and analyzed the projects documentation of three monuments (the Burgos Cathedral, the Aljafería Palace-Castle in Zaragoza and the Wall of Lugo). Sometimes, some researchers have suspected that there had not been planning. They suspect that the projects have been the result of different emergency situations. In opposition of this, we confirm that, except for emergency interventions result of specific circumstances, there have been a process of analysis to conclude in the priorities designation, which has guided the restoration process over two centuries. The complexity, magnitude and constructive uniqueness have defined the evolution of intervention. In conclusion, the effectiveness of the protection of Spanish cultural heritage lies in the conjunction of many aspects, including: the successful implementation of existing, specific and ancillary standards; the knowledge of good and its historical, artistic and cultural values; the cataloging and inclusion in the relevant inventories; and the commitment of the actors and institutions on which it depends. These planning tasks are necessary to ensure both structural safeguards as conservation values; and the introduction of a monitoring plan to detect possible dangers that threaten its conservation. But, the optimal situation would be given by a system in which these urban-regulations and specific mechanisms, would work together like a machine, where each piece operated with relative independence, but in tune with the other gears. So far, the reality is far from this situation, turning this coexistence in a utopia. Both legislators and officials and technicians involved must be aware that the effectiveness and scope of protection depends on your insight and commitment.

La implementación arquitectónica de los acristalamientos activos con agua circulante, y su contribución en edificios de consumo de energía casi nulo

La presente Tesis Doctoral evalúa la contribución de una fachada activa, constituida por acristalamientos con circulación de agua, en el rendimiento energético del edificio. Con especial énfasis en la baja afección sobre su imagen, su integración ha de favorecer la calificación del edificio con el futuro estándar de Edificio de consumo de Energía Casi Nulo (EECN). El propósito consiste en cuantificar su aportación a limitar la demanda de climatización, como solución de fachada transparente acorde a las normas de la energía del 2020. En el primer capítulo se introduce el planteamiento del problema. En el segundo capítulo se desarrollan la hipótesis y el objetivo fundamental de la investigación. Para tal fin, en el tercer capítulo, se revisa el estado del arte de la tecnología y de la investigación científica, mediante el análisis de la literatura de referencia. Se comparan patentes, prototipos, sistemas comerciales asimilables, investigaciones en curso en Universidades, y proyectos de investigación y desarrollo, sobre envolventes que incorporan acristalamientos con circulación de agua. El método experimental, expuesto en el cuarto capítulo, acomete el diseño, la fabricación y la monitorización de un prototipo expuesto, durante ciclos de ensayos, a las condiciones climáticas de Madrid. Esta fase ha permitido adquirir información precisa sobre el rendimiento del acristalamiento en cada orientación de incidencia solar, en las distintas estaciones del año. En paralelo, se aborda el desarrollo de modelos teóricos que, mediante su asimilación a soluciones multicapa caracterizadas en las herramientas de simulación EnergyPlus y IDA-ICE (IDA Indoor Climate and Energy), reproducen el efecto experimental. En el quinto capítulo se discuten los resultados experimentales y teóricos, y se analiza la respuesta del acristalamiento asociado a un determinado volumen y temperatura del agua. Se calcula la eficiencia en la captación de la radiación y, mediante la comparativa con un acristalamiento convencional, se determina la reducción de las ganancias solares y las pérdidas de energía. Se comparan el rendimiento del acristalamiento, obtenido experimentalmente, con el ofrecido por paneles solares fototérmicos disponibles en el mercado. Mediante la traslación de los resultados experimentales a casos de células de tamaño habitable, se cuantifica la afección del acristalamiento sobre el consumo en refrigeración y calefacción. Diferenciando cada caso por su composición constructiva y orientación, se extraen conclusiones sobre la reducción del gasto en climatización, en condiciones de bienestar. Posteriormente, se evalúa el ahorro de su incorporación en un recinto existente, de construcción ligera, localizado en la Escuela de Arquitectura de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Mediante el planteamiento de escenarios de rehabilitación energética, se estima su compatibilidad con un sistema de climatización mediante bomba de calor y extracción geotérmica. Se describe el funcionamiento del sistema, desde la perspectiva de la operación conjunta de los acristalamientos activos e intercambio geotérmico, en nuestro clima. Mediante la parametrización de sus funciones, se estima el beneficio adicional de su integración, a partir de la mejora del rendimiento de la bomba de calor COP (Coefficient of Performance) en calefacción, y de la eficiencia EER (Energy Efficiency Ratio) en refrigeración. En el recinto de la ETSAM, se ha analizado la contribución de la fachada activa en su calificación como Edificio de Energía Casi Nula, y estudiado la rentabilidad económica del sistema. En el sexto capítulo se exponen las conclusiones de la investigación. A la fecha, el sistema supone alta inversión inicial, no obstante, genera elevada eficiencia con bajo impacto arquitectónico, reduciéndose los costes operativos, y el dimensionado de los sistemas de producción, de mayor afección sobre el edificio. Mediante la envolvente activa con suministro geotérmico no se condena la superficie de cubierta, no se ocupa volumen útil por la presencia de equipos emisores, y no se reduce la superficie o altura útil a base de reforzar los aislamientos. Tras su discusión, se considera una alternativa de valor en procesos de diseño y construcción de Edificios de Energía Casi Nulo. Se proponen líneas de futuras investigación cuyo propósito sea el conocimiento de la tecnología de los acristalamientos activos. En el último capítulo se presentan las actividades de difusión de la investigación. Adicionalmente se ha proporcionado una mejora tecnológica a las fachadas activas existentes, que ha derivado en la solicitud de una patente, actualmente en tramitación. ABSTRACT This Thesis evaluates the contribution of an active water flow glazing façade on the energy performance of buildings. Special emphasis is made on the low visual impact on its image, and the active glazing implementation has to encourage the qualification of the building with the future standard of Nearly Zero Energy Building (nZEB). The purpose is to quantify the façade system contribution to limit air conditioning demand, resulting in a transparent façade solution according to the 2020 energy legislation. An initial approach to the problem is presented in first chapter. The second chapter develops the hypothesis and the main objective of the research. To achieve this purpose, the third chapter reviews the state of the art of the technology and scientific research, through the analysis of reference literature. Patents, prototypes, assimilable commercial systems, ongoing research in other universities, and finally research and development projects incorporating active fluid flow glazing are compared. The experimental method, presented in fourth chapter, undertakes the design, manufacture and monitoring of a water flow glazing prototype exposed during test cycles to weather conditions in Madrid. This phase allowed the acquisition of accurate information on the performance of water flow glazing on each orientation of solar incidence, during different seasons. In parallel, the development of theoretical models is addressed which, through the assimilation to multilayer solutions characterized in the simulation tools EnergyPlus and IDA-Indoor Climate and Energy, reproduce the experimental effect. Fifth chapter discusses experimental and theoretical results focused to the analysis of the active glazing behavior, associated with a specific volume and water flow temperature. The efficiency on harvesting incident solar radiation is calculated, and, by comparison with a conventional glazing, the reduction of solar gains and energy losses are determined. The experimental performance of fluid flow glazing against the one offered by photothermal solar panels available on the market are compared. By translating the experimental and theoretical results to cases of full-size cells, the reduction in cooling and heating consumption achieved by active fluid glazing is quantified. The reduction of energy costs to achieve comfort conditions is calculated, differentiating each case by its whole construction composition and orientation. Subsequently, the saving of the implementation of the system on an existing lightweight construction enclosure, located in the School of Architecture at the Polytechnic University of Madrid (UPM), is then calculated. The compatibility between the active fluid flow glazing and a heat pump with geothermal heat supply system is estimated through the approach of different energy renovation scenarios. The overall system operation is described, from the perspective of active glazing and geothermal heat exchange combined operation, in our climate. By parameterization of its functions, the added benefit of its integration it is discussed, particularly from the improvement of the heat pump performance COP (Coefficient of Performance) in heating and efficiency EER (Energy Efficiency Ratio) in cooling. In the case study of the enclosure in the School of Architecture, the contribution of the active glazing façade in qualifying the enclosure as nearly Zero Energy Building has been analyzed, and the feasibility and profitability of the system are studied. The sixth chapter sets the conclusions of the investigation. To date, the system may require high initial investment; however, high efficiency with low architectural impact is generated. Operational costs are highly reduced as well as the size and complexity of the energy production systems, which normally have huge visual impact on buildings. By the active façade with geothermal supply, the deck area it is not condemned. Useful volume is not consumed by the presence of air-conditioning equipment. Useful surface and room height are not reduced by insulation reinforcement. After discussion, water flow glazing is considered a potential value alternative in nZEB design and construction processes. Finally, this chapter proposes future research lines aiming to increase the knowledge of active water flow glazing technology. The last chapter presents research dissemination activities. Additionally, a technological improvement to existing active facades has been developed, which has resulted in a patent application, currently in handling process.

Simulation of thermal performance of glazing in architecture using scale models = Simulación del comportamiento térmico de los acristalamientos en la arquitectura mediante modelos a escala

El propósito de esta tesis es estudiar la aproximación a los fenómenos de transporte térmico en edificación acristalada a través de sus réplicas a escala. La tarea central de esta tesis es, por lo tanto, la comparación del comportamiento térmico de modelos a escala con el correspondiente comportamiento térmico del prototipo a escala real. Los datos principales de comparación entre modelo y prototipo serán las temperaturas. En el primer capítulo del Estado del Arte de esta tesis se hará un recorrido histórico por los usos de los modelos a escala desde la antigüedad hasta nuestro días. Dentro de éste, en el Estado de la Técnica, se expondrán los beneficios que tiene su empleo y las dificultades que conllevan. A continuación, en el Estado de la Investigación de los modelos a escala, se analizarán artículos científicos y tesis. Precisamente, nos centraremos en aquellos modelos a escala que son funcionales. Los modelos a escala funcionales son modelos a escala que replican, además, una o algunas de las funciones de sus prototipos. Los modelos a escala pueden estar distorsionados o no. Los modelos a escala distorsionados son aquellos con cambios intencionados en las dimensiones o en las características constructivas para la obtención de una respuesta específica por ejemplo, replicar el comportamiento térmico. Los modelos a escala sin distorsión, o no distorsionados, son aquellos que mantienen, en la medida de lo posible, las proporciones dimensionales y características constructivas de sus prototipos de referencia. Estos modelos a escala funcionales y no distorsionados son especialmente útiles para los arquitectos ya que permiten a la vez ser empleados como elementos funcionales de análisis y como elementos de toma de decisiones en el diseño constructivo. A pesar de su versatilidad, en general, se observará que se han utilizado muy poco estos modelos a escala funcionales sin distorsión para el estudio del comportamiento térmico de la edificación. Posteriormente, se expondrán las teorías para el análisis de los datos térmicos recogidos de los modelos a escala y su aplicabilidad a los correspondientes prototipos a escala real. Se explicarán los experimentos llevados a cabo, tanto en laboratorio como a intemperie. Se han realizado experimentos con modelos sencillos cúbicos a diferentes escalas y sometidos a las mismas condiciones ambientales. De estos modelos sencillos hemos dado el salto a un modelo reducido de una edificación acristalada relativamente sencilla. Los experimentos consisten en ensayos simultáneos a intemperie del prototipo a escala real y su modelo reducido del Taller de Prototipos de la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Madrid (ETSAM). Para el análisis de los datos experimentales hemos aplicado las teorías conocidas, tanto comparaciones directas como el empleo del análisis dimensional. Finalmente, las simulaciones nos permiten comparaciones flexibles con los datos experimentales, por ese motivo, hemos utilizado tanto programas comerciales como un algoritmo de simulación desarrollado ad hoc para esta investigación. Finalmente, exponemos la discusión y las conclusiones de esta investigación. Abstract The purpose of this thesis is to study the approximation to phenomena of heat transfer in glazed buildings through their scale replicas. The central task of this thesis is, therefore, the comparison of the thermal performance of scale models without distortion with the corresponding thermal performance of their full-scale prototypes. Indoor air temperatures of the scale model and the corresponding prototype are the data to be compared. In the first chapter on the State of the Art, it will be shown a broad vision, consisting of a historic review of uses of scale models, from antiquity to our days. In the section State of the Technique, the benefits and difficulties associated with their implementation are presented. Additionally, in the section State of the Research, current scientific papers and theses on scale models are reviewed. Specifically, we focus on functional scale models. Functional scale models are scale models that replicate, additionally, one or some of the functions of their corresponding prototypes. Scale models can be distorted or not. Scale models with distortion are considered scale models with intentional changes, on one hand, in dimensions scaled unevenly and, on the other hand, in constructive characteristics or materials, in order to get a specific performance for instance, a specific thermal performance. Consequently, scale models without distortion, or undistorted scale models scaled evenly, are those replicating, to the extent possible, without distortion, the dimensional proportions and constructive configurations of their prototypes of reference. These undistorted and functional scale models are especially useful for architects because they can be used, simultaneously, as functional elements of analysis and as decision-making elements during the design. Although they are versatile, in general, it is remarkable that these types of models are used very little for the study of the thermal performance of buildings. Subsequently, the theories related to the analysis of the experimental thermal data collected from the scale models and their applicability to the corresponding full-scale prototypes, will be explained. Thereafter, the experiments in laboratory and at outdoor conditions are detailed. Firstly, experiments carried out with simple cube models at different scales are explained. The prototype larger in size and the corresponding undistorted scale model have been subjected to same environmental conditions in every experimental test. Secondly, a step forward is taken carrying out some simultaneous experimental tests of an undistorted scale model, replica of a relatively simple lightweight and glazed building construction. This experiment consists of monitoring the undistorted scale model of the prototype workshop located in the School of Architecture (ETSAM) of the Technical University of Madrid (UPM). For the analysis of experimental data, known related theories and resources are applied, such as, direct comparisons, statistical analyses, Dimensional Analysis and last, but not least important, simulations. Simulations allow us, specifically, flexible comparisons with experimental data. Here, apart the use of the simulation software EnergyPlus, a simulation algorithm is developed ad hoc for this research. Finally, the discussion and conclusions of this research are exposed.