Multi-dimensional classification using Bayesian networks for stationary and evolving streaming data

Hoy en día, con la evolución continua y rápida de las tecnologías de la información y los dispositivos de computación, se recogen y almacenan continuamente grandes volúmenes de datos en distintos dominios y a través de diversas aplicaciones del mundo real. La extracción de conocimiento útil de una cantidad tan enorme de datos no se puede realizar habitualmente de forma manual, y requiere el uso de técnicas adecuadas de aprendizaje automático y de minería de datos. La clasificación es una de las técnicas más importantes que ha sido aplicada con éxito a varias áreas. En general, la clasificación se compone de dos pasos principales: en primer lugar, aprender un modelo de clasificación o clasificador a partir de un conjunto de datos de entrenamiento, y en segundo lugar, clasificar las nuevas instancias de datos utilizando el clasificador aprendido. La clasificación es supervisada cuando todas las etiquetas están presentes en los datos de entrenamiento (es decir, datos completamente etiquetados), semi-supervisada cuando sólo algunas etiquetas son conocidas (es decir, datos parcialmente etiquetados), y no supervisada cuando todas las etiquetas están ausentes en los datos de entrenamiento (es decir, datos no etiquetados). Además, aparte de esta taxonomía, el problema de clasificación se puede categorizar en unidimensional o multidimensional en función del número de variables clase, una o más, respectivamente; o también puede ser categorizado en estacionario o cambiante con el tiempo en función de las características de los datos y de la tasa de cambio subyacente. A lo largo de esta tesis, tratamos el problema de clasificación desde tres perspectivas diferentes, a saber, clasificación supervisada multidimensional estacionaria, clasificación semisupervisada unidimensional cambiante con el tiempo, y clasificación supervisada multidimensional cambiante con el tiempo. Para llevar a cabo esta tarea, hemos usado básicamente los clasificadores Bayesianos como modelos. La primera contribución, dirigiéndose al problema de clasificación supervisada multidimensional estacionaria, se compone de dos nuevos métodos de aprendizaje de clasificadores Bayesianos multidimensionales a partir de datos estacionarios. Los métodos se proponen desde dos puntos de vista diferentes. El primer método, denominado CB-MBC, se basa en una estrategia de envoltura de selección de variables que es voraz y hacia delante, mientras que el segundo, denominado MB-MBC, es una estrategia de filtrado de variables con una aproximación basada en restricciones y en el manto de Markov. Ambos métodos han sido aplicados a dos problemas reales importantes, a saber, la predicción de los inhibidores de la transcriptasa inversa y de la proteasa para el problema de infección por el virus de la inmunodeficiencia humana tipo 1 (HIV-1), y la predicción del European Quality of Life-5 Dimensions (EQ-5D) a partir de los cuestionarios de la enfermedad de Parkinson con 39 ítems (PDQ-39). El estudio experimental incluye comparaciones de CB-MBC y MB-MBC con los métodos del estado del arte de la clasificación multidimensional, así como con métodos comúnmente utilizados para resolver el problema de predicción de la enfermedad de Parkinson, a saber, la regresión logística multinomial, mínimos cuadrados ordinarios, y mínimas desviaciones absolutas censuradas. En ambas aplicaciones, los resultados han sido prometedores con respecto a la precisión de la clasificación, así como en relación al análisis de las estructuras gráficas que identifican interacciones conocidas y novedosas entre las variables. La segunda contribución, referida al problema de clasificación semi-supervisada unidimensional cambiante con el tiempo, consiste en un método nuevo (CPL-DS) para clasificar flujos de datos parcialmente etiquetados. Los flujos de datos difieren de los conjuntos de datos estacionarios en su proceso de generación muy rápido y en su aspecto de cambio de concepto. Es decir, los conceptos aprendidos y/o la distribución subyacente están probablemente cambiando y evolucionando en el tiempo, lo que hace que el modelo de clasificación actual sea obsoleto y deba ser actualizado. CPL-DS utiliza la divergencia de Kullback-Leibler y el método de bootstrapping para cuantificar y detectar tres tipos posibles de cambio: en las predictoras, en la a posteriori de la clase o en ambas. Después, si se detecta cualquier cambio, un nuevo modelo de clasificación se aprende usando el algoritmo EM; si no, el modelo de clasificación actual se mantiene sin modificaciones. CPL-DS es general, ya que puede ser aplicado a varios modelos de clasificación. Usando dos modelos diferentes, el clasificador naive Bayes y la regresión logística, CPL-DS se ha probado con flujos de datos sintéticos y también se ha aplicado al problema real de la detección de código malware, en el cual los nuevos ficheros recibidos deben ser continuamente clasificados en malware o goodware. Los resultados experimentales muestran que nuestro método es efectivo para la detección de diferentes tipos de cambio a partir de los flujos de datos parcialmente etiquetados y también tiene una buena precisión de la clasificación. Finalmente, la tercera contribución, sobre el problema de clasificación supervisada multidimensional cambiante con el tiempo, consiste en dos métodos adaptativos, a saber, Locally Adpative-MB-MBC (LA-MB-MBC) y Globally Adpative-MB-MBC (GA-MB-MBC). Ambos métodos monitorizan el cambio de concepto a lo largo del tiempo utilizando la log-verosimilitud media como métrica y el test de Page-Hinkley. Luego, si se detecta un cambio de concepto, LA-MB-MBC adapta el actual clasificador Bayesiano multidimensional localmente alrededor de cada nodo cambiado, mientras que GA-MB-MBC aprende un nuevo clasificador Bayesiano multidimensional. El estudio experimental realizado usando flujos de datos sintéticos multidimensionales indica los méritos de los métodos adaptativos propuestos. ABSTRACT Nowadays, with the ongoing and rapid evolution of information technology and computing devices, large volumes of data are continuously collected and stored in different domains and through various real-world applications. Extracting useful knowledge from such a huge amount of data usually cannot be performed manually, and requires the use of adequate machine learning and data mining techniques. Classification is one of the most important techniques that has been successfully applied to several areas. Roughly speaking, classification consists of two main steps: first, learn a classification model or classifier from an available training data, and secondly, classify the new incoming unseen data instances using the learned classifier. Classification is supervised when the whole class values are present in the training data (i.e., fully labeled data), semi-supervised when only some class values are known (i.e., partially labeled data), and unsupervised when the whole class values are missing in the training data (i.e., unlabeled data). In addition, besides this taxonomy, the classification problem can be categorized into uni-dimensional or multi-dimensional depending on the number of class variables, one or more, respectively; or can be also categorized into stationary or streaming depending on the characteristics of the data and the rate of change underlying it. Through this thesis, we deal with the classification problem under three different settings, namely, supervised multi-dimensional stationary classification, semi-supervised unidimensional streaming classification, and supervised multi-dimensional streaming classification. To accomplish this task, we basically used Bayesian network classifiers as models. The first contribution, addressing the supervised multi-dimensional stationary classification problem, consists of two new methods for learning multi-dimensional Bayesian network classifiers from stationary data. They are proposed from two different points of view. The first method, named CB-MBC, is based on a wrapper greedy forward selection approach, while the second one, named MB-MBC, is a filter constraint-based approach based on Markov blankets. Both methods are applied to two important real-world problems, namely, the prediction of the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) reverse transcriptase and protease inhibitors, and the prediction of the European Quality of Life-5 Dimensions (EQ-5D) from 39-item Parkinson’s Disease Questionnaire (PDQ-39). The experimental study includes comparisons of CB-MBC and MB-MBC against state-of-the-art multi-dimensional classification methods, as well as against commonly used methods for solving the Parkinson’s disease prediction problem, namely, multinomial logistic regression, ordinary least squares, and censored least absolute deviations. For both considered case studies, results are promising in terms of classification accuracy as well as regarding the analysis of the learned MBC graphical structures identifying known and novel interactions among variables. The second contribution, addressing the semi-supervised uni-dimensional streaming classification problem, consists of a novel method (CPL-DS) for classifying partially labeled data streams. Data streams differ from the stationary data sets by their highly rapid generation process and their concept-drifting aspect. That is, the learned concepts and/or the underlying distribution are likely changing and evolving over time, which makes the current classification model out-of-date requiring to be updated. CPL-DS uses the Kullback-Leibler divergence and bootstrapping method to quantify and detect three possible kinds of drift: feature, conditional or dual. Then, if any occurs, a new classification model is learned using the expectation-maximization algorithm; otherwise, the current classification model is kept unchanged. CPL-DS is general as it can be applied to several classification models. Using two different models, namely, naive Bayes classifier and logistic regression, CPL-DS is tested with synthetic data streams and applied to the real-world problem of malware detection, where the new received files should be continuously classified into malware or goodware. Experimental results show that our approach is effective for detecting different kinds of drift from partially labeled data streams, as well as having a good classification performance. Finally, the third contribution, addressing the supervised multi-dimensional streaming classification problem, consists of two adaptive methods, namely, Locally Adaptive-MB-MBC (LA-MB-MBC) and Globally Adaptive-MB-MBC (GA-MB-MBC). Both methods monitor the concept drift over time using the average log-likelihood score and the Page-Hinkley test. Then, if a drift is detected, LA-MB-MBC adapts the current multi-dimensional Bayesian network classifier locally around each changed node, whereas GA-MB-MBC learns a new multi-dimensional Bayesian network classifier from scratch. Experimental study carried out using synthetic multi-dimensional data streams shows the merits of both proposed adaptive methods.

Analysis of large-scale digital optical neural networks by Feynman diagrams

A new method to study large scale neural networks is presented in this paper. The basis is the use of Feynman- like diagrams. These diagrams allow the analysis of collective and cooperative phenomena with a similar methodology to the employed in the Many Body Problem. The proposed method is applied to a very simple structure composed by an string of neurons with interaction among them. It is shown that a new behavior appears at the end of the row. This behavior is different to the initial dynamics of a single cell. When a feedback is present, as in the case of the hippocampus, this situation becomes more complex with a whole set of new frequencies, different from the proper frequencies of the individual neurons. Application to an optical neural network is reported.

Cooperative off-policy prediction of markov decision processes in adaptive networks

We apply diffusion strategies to propose a cooperative reinforcement learning algorithm, in which agents in a network communicate with their neighbors to improve predictions about their environment. The algorithm is suitable to learn off-policy even in large state spaces. We provide a mean-square-error performance analysis under constant step-sizes. The gain of cooperation in the form of more stability and less bias and variance in the prediction error, is illustrated in the context of a classical model. We show that the improvement in performance is especially significant when the behavior policy of the agents is different from the target policy under evaluation.

A vision-based strategy for autonomous aerial refueling tasks

Autonomous aerial refueling is a key enabling technology for both manned and unmanned aircraft where extended flight duration or range are required. The results presented within this paper offer one potential vision-based sensing solution, together with a unique test environment. A hierarchical visual tracking algorithm based on direct methods is proposed and developed for the purposes of tracking a drogue during the capture stage of autonomous aerial refueling, and of estimating its 3D position. Intended to be applied in real time to a video stream from a single monocular camera mounted on the receiver aircraft, the algorithm is shown to be highly robust, and capable of tracking large, rapid drogue motions within the frame of reference. The proposed strategy has been tested using a complex robotic testbed and with actual flight hardware consisting of a full size probe and drogue. Results show that the vision tracking algorithm can detect and track the drogue at real-time frame rates of more than thirty frames per second, obtaining a robust position estimation even with strong motions and multiple occlusions of the drogue.

A comparative analysis of visual strategy in elite and amateur handball goalkeepers

The aim of the present study was to analyze the visual strategies prior to a throw from 7 metres in elite and amateur handball goalkeepers. To this end we analyzed the visual fixations in number and order of 10 goalkeepers (29.7±5.4 years; 14.7±8.6 years of experience), 3 elite and 7 amateurs, during the life size projection of 14 different throws, made by different players. During each throw the movement of the eyeballs, the dilation of the pupil (pupillometry) and the subject?s blinking were recorded thanks to a technological system which permitted eye tracking with high speed cameras, and the subsequent presentation of the visual data for each action studied. The elite goalkeepers performed a greater number of visual fixations than the amateur goalkeepers, revealing large and significant differences. Equally the priority zones observed were differed, with the amateur goalkeepers fixating more on the thrower?s face, and the elite goalkeepers paying more attention to the area of the arm/ball. It can therefore be inferred that elite goalkeepers have a greater perceptive capacity and also use different visual strategies from the amateur goalkeepers.

UAS See-and-Avoid Strategy using a Fuzzy Logic Controller Optimized by Cross-Entropy in Scaling Factors and Membership Functions

This work aims to develop a novel Cross-Entropy (CE) optimization-based fuzzy controller for Unmanned Aerial Monocular Vision-IMU System (UAMVIS) to solve the seeand- avoid problem using its accurate autonomous localization information. The function of this fuzzy controller is regulating the heading of this system to avoid the obstacle, e.g. wall. In the Matlab Simulink-based training stages, the Scaling Factor (SF) is adjusted according to the specified task firstly, and then the Membership Function (MF) is tuned based on the optimized Scaling Factor to further improve the collison avoidance performance. After obtained the optimal SF and MF, 64% of rules has been reduced (from 125 rules to 45 rules), and a large number of real flight tests with a quadcopter have been done. The experimental results show that this approach precisely navigates the system to avoid the obstacle. To our best knowledge, this is the first work to present the optimized fuzzy controller for UAMVIS using Cross-Entropy method in Scaling Factors and Membership Functions optimization.

Large aperture antenna arrays with subband delay compensation for reception of wideband satellite signals

Con esta disertación se pretenden resolver algunos de los problemas encontrados actualmente en la recepción de señales de satélites bajo dos escenarios particularmente exigentes: comunicaciones de Espacio Profundo y en banda Ka. Las comunicaciones con sondas de Espacio Profundo necesitan grandes aperturas en tierra para poder incrementar la velocidad de datos. La opción de usar antennas con diámetro mayor de 35 metros tiene serios problemas, pues antenas tan grandes son caras de mantener, difíciles de apuntar, pueden tener largos tiempo de reparación y además tienen una efeciencia decreciente a medida que se utilizan bandas más altas. Soluciones basadas en agrupaciones de antenas de menor tamaño (12 ó 35 metros) son mas ecónomicas y factibles técnicamente. Las comunicaciones en banda Ka tambien pueden beneficiarse de la combinación de múltiples antennas. Las antenas de menor tamaño son más fáciles de apuntar y además tienen un campo de visión mayor. Además, las técnicas de diversidad espacial pueden ser reemplazadas por una combinación de antenas para así incrementar el margen del enlace. La combinación de antenas muy alejadas sobre grandes anchos de banda, bien por recibir una señal de banda ancha o múltiples de banda estrecha, es complicada técnicamente. En esta disertación se demostrará que el uso de conformador de haz en el dominio de la frecuencia puede ayudar a relajar los requisitos de calibración y, al mismo tiempo, proporcionar un mayor campo de visión y mayores capacidades de ecualización. Para llevar esto a cabo, el trabajo ha girado en torno a tres aspectos fundamentales. El primero es la investigación bibliográfica del trabajo existente en este campo. El segundo es el modelado matemático del proceso de combinación y el desarrollo de nuevos algoritmos de estimación de fase y retardo. Y el tercero es la propuesta de nuevas aplicaciones en las que usar estas técnicas. La investigación bibliográfica se centra principalmente en los capítulos 1, 2, 4 y 5. El capítulo 1 da una breve introducción a la teoría de combinación de antenas de gran apertura. En este capítulo, los principales campos de aplicación son descritos y además se establece la necesidad de compensar retardos en subbandas. La teoría de bancos de filtros se expone en el capítulo 2; se selecciona y simula un banco de filtros modulado uniformemente con fase lineal. Las propiedades de convergencia de varios filtros adaptativos se muestran en el capítulo 4. Y finalmente, las técnicas de estimación de retardo son estudiadas y resumidas en el capítulo 5. Desde el punto de vista matemático, las principales contribución de esta disertación han sido: • Sección 3.1.4. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en pasos discretos en frecuencia intermedia. • Sección 3.2. Modelo matemático de un conformador de haz en subbandas. • Sección 3.2.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz en subbandas con un buffer de retardo grueso. • Sección 3.2.4. Análisis de la influencia de los alias internos en la compensación en subbandas de retardo y fase. • Sección 3.2.4.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en subbandas. • Sección 3.2.6. Cálculo de la ganancia de relación señal a ruido de la agrupación de antenas en cada una de las subbandas. • Sección 3.3.2. Modelado de la función de transferencia de la agrupación de antenas bajo errores de estimación de retardo. • Sección 3.3.3. Modelado de los efectos de derivas de fase y retardo entre actualizaciones de las estimaciones. • Sección 3.4. Cálculo de la directividad de la agrupación de antenas con y sin compensación de retardos en subbandas. • Sección 5.2.6. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase y el retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos estacionarios. • Sección 5.5.1. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase, el retardo y la deriva de retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos no estacionarios. Las aplicaciones que se pueden beneficiar de estas técnicas son descritas en el capítulo 7: • Sección 6.2. Agrupaciones de antenas para comunicaciones de Espacio Profundo con capacidad multihaz y sin requisitos de calibración geométrica o de retardo de grupo. • Sección 6.2.6. Combinación en banda ancha de antenas con separaciones de miles de kilómetros, para recepción de sondas de espacio profundo. • Secciones 6.4 and 6.3. Combinación de estaciones remotas en banda Ka en escenarios de diversidad espacial, para recepción de satélites LEO o GEO. • Sección 6.3. Recepción de satélites GEO colocados con arrays de antenas multihaz. Las publicaciones a las que ha dado lugar esta tesis son las siguientes • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. En esta pulicación se resumen los resultados de las secciones 3.2, 3.2.2, 3.3.2, los algoritmos en las secciones 5.2.6, 5.5.1 y la aplicación destacada en 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. En esta segunda se muestran los resultados de la sección 3.2.4, el algoritmo en la sección 5.2.6.1 , y la aplicación mostrada en 6.3. ABSTRACT This dissertation is an attempt to solve some of the problems found nowadays in the reception of satellite signals under two particular challenging scenarios: Deep Space and Ka-band communications. Deep Space communications require from larger apertures on ground in order to increase the data rate. The option of using single dishes with diameters larger than 35 meters has severe drawbacks. Such antennas are expensive to maintain, prone to long downtimes, difficult to point and have a degraded performance in high frequency bands. The array solution, either with 12 meter or 35 meter antennas is deemed to be the most economically and technically feasible solution. Ka-band communications can also benefit from antenna arraying technology. The smaller aperture antennas that make up the array are easier to point and have a wider field of view allowing multiple simultaneous beams. Besides, site diversity techniques can be replaced by pure combination in order to increase link margin. Combination of far away antennas over a large bandwidth, either because a wideband signal or multiple narrowband signals are received, is a demanding task. This dissertation will show that the use of frequency domain beamformers with subband delay compensation can help to ease calibration requirements and, at the same time, provide with a wider field of view and enhanced equalization capabilities. In order to do so, the work has been focused on three main aspects. The first one is the bibliographic research of previous work on this subject. The second one is the mathematical modeling of the array combination process and the development of new phase/delay estimation algorithms. And the third one is the proposal of new applications in which these techniques can be used. Bibliographic research is mainly done in chapters 1, 2, 4 and 5. Chapter 1 gives a brief introduction to previous work in the field of large aperture antenna arraying. In this chapter, the main fields of application are described and the need for subband delay compensation is established. Filter bank theory is shown in chapter 2; a linear phase uniform modulated filter bank is selected and simulated under diverse conditions. The convergence properties of several adaptive filters are shown in chapter 4. Finally, delay estimation techniques are studied and summarized in chapter 5. From a mathematical point of view, the main contributions of this dissertation have been: • Section 3.1.4. Calculation of beam squint of an IF beamformer with delay compensation at discrete time steps. • Section 3.2. Establishment of a mathematical model of a subband beamformer. • Section 3.2.2. Calculation of beam squint in a subband beamformer with a coarse delay buffer. • Section 3.2.4. Analysis of the influence of internal aliasing on phase and delay subband compensation. • Section 3.2.4.2. Calculation of beam squint of a beamformer with subband delay compensation. • Section 3.2.6. Calculation of the array SNR gain at each of the subbands. • Section 3.3.2. Modeling of the transfer function of an array subject to delay estimation errors. • Section 3.3.3. Modeling of the effects of phase and delay drifts between estimation updates. • Section 3.4. Calculation of array directivity with and without subband delay compensation. • Section 5.2.6. Development of an algorithm to estimate relative delay and phase between two signals from their subband decomposition in stationary environments. • Section 5.5.1. Development of an algorithm to estimate relative delay rate, delay and phase between two signals from their subband decomposition in non stationary environments. The applications that can benefit from these techniques are described in chapter 7: • Section 6.2. Arrays of antennas for Deep Space communications with multibeam capacity and without geometric or group delay calibration requirement. • Section 6.2.6. Wideband antenna arraying over long distances, in the range of thousands of kilometers, for reception of Deep Space probes. • Sections 6.4 y 6.3. Combination of remote stations in Ka-band site diversity scenarios for reception of LEO or GEO satellites. • Section 6.3. Reception of GEO collocated satellites with multibeam antenna arrays. The publications that have been made from the work in this dissertation are • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. This article shows the results in sections 3.2, 3.2.2, 3.3.2, the algorithms in sections 5.2.6, 5.5.1 and the application in section 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. This second article shows among others the results in section 3.2.4, the algorithm in section 5.2.6.1 , and the application in section 6.3.

State Convergence Theory Applied to a Delayed Teleoperation System

State convergence is a control strategy that was proposed in the early 2000s to ensure stability and transparency in a teleoperation system under specific control gains values. This control strategy has been implemented for a linear system with or without time delay. This paper represents the first attempt at demonstrating, theoretically and experimentantally, that this control strategy can also be applied to a nonlinear teleoperation system with n degrees of freedom and delay in the communication channel. It is assumed that the human operator applies a constant force on the local manipulator during the teleoperation. In addition, the interaction between the remote manipulator and the environment is considered passive. Communication between the local and remote sites is made by means of a communication channel with variable time delay. In this article the theory of Lyapunov-Krasovskii was used to demonstrate that the local-remote teleoperation system is asymptotically stable.

Control of a Nonlinear Teleoperation System by State Convergence

In this work, we proposes a control strategy that allows the remote manipulator follow the local manipulator through the state convergence even if it has a delay in the communication channel. The bilateral control of the teleoperator system considers the case were the human operator applies a constant force on the local manipulator and when the interaction of the remote manipulator with the environment is considered passive. The stability analysis was performed using Lyapunov- Krasovskii functional, it showed for the case with constant delay, that using a proposed control algorithm by state convergence resulted in asymptotically stable, local and remote the nonlinear teleoperation system.

Advances in Control of Teleoperation System by State Convergence

In this work, we proposes a control strategy by state convergence applied to bilateral control of a nonlinear teleoperator system with constant delay. The bilateral control of the teleoperator system considers the case when the human operator applies a constant force on the local manipulator and when the interaction of the remote manipulator with the environment is considered passive. The stability analysis is performed using Lyapunov-Krasovskii functional, it showed that using an control algorithm by state convergence for the case with constant delay, the nonlinear local and remote teleoperation system is asymptotically stable, also speeds converge to zero and position tracking is achieved. This work also presents the implementation of an experimental platform. The mechanical structure of the arm that is located in the remote side has been built and the electric servomechanism has been mounted to control their movement.

Evolutionary computation of forests with Degree- and Role-Constrained Minimum Spanning Trees

Finding the degree-constrained minimum spanning tree (DCMST) of a graph is a widely studied NP-hard problem. One of its most important applications is network design. Here we deal with a new variant of the DCMST problem, which consists of finding not only the degree- but also the role-constrained minimum spanning tree (DRCMST), i.e., we add constraints to restrict the role of the nodes in the tree to root, intermediate or leaf node. Furthermore, we do not limit the number of root nodes to one, thereby, generally, building a forest of DRCMSTs. The modeling of network design problems can benefit from the possibility of generating more than one tree and determining the role of the nodes in the network. We propose a novel permutation-based representation to encode these forests. In this new representation, one permutation simultaneously encodes all the trees to be built. We simulate a wide variety of DRCMST problems which we optimize using eight different evolutionary computation algorithms encoding individuals of the population using the proposed representation. The algorithms we use are: estimation of distribution algorithm, generational genetic algorithm, steady-state genetic algorithm, covariance matrix adaptation evolution strategy, differential evolution, elitist evolution strategy, non-elitist evolution strategy and particle swarm optimization. The best results are for the estimation of distribution algorithms and both types of genetic algorithms, although the genetic algorithms are significantly faster.

UAS See-and-Avoid Strategy using a Fuzzy Logic Controller Optimized by Cross-Entropy in Scaling Factors and Membership Functions.

This work aims to develop a novel Cross-Entropy (CE) optimization-based fuzzy controller for Unmanned Aerial Monocular Vision-IMU System (UAMVIS) to solve the seeand-avoid problem using its accurate autonomous localization information. The function of this fuzzy controller is regulating the heading of this system to avoid the obstacle, e.g. wall. In the Matlab Simulink-based training stages, the Scaling Factor (SF) is adjusted according to the specified task firstly, and then the Membership Function (MF) is tuned based on the optimized Scaling Factor to further improve the collison avoidance performance. After obtained the optimal SF and MF, 64% of rules has been reduced (from 125 rules to 45 rules), and a large number of real flight tests with a quadcopter have been done. The experimental results show that this approach precisely navigates the system to avoid the obstacle. To our best knowledge, this is the first work to present the optimized fuzzy controller for UAMVIS using Cross-Entropy method in Scaling Factors and Membership Functions optimization.

Self-adaptive strategy based on fuzzy control systems for improving performance in wireless sensors networks

The solutions to cope with new challenges that societies have to face nowadays involve providing smarter daily systems. To achieve this, technology has to evolve and leverage physical systems automatic interactions, with less human intervention. Technological paradigms like Internet of Things (IoT) and Cyber-Physical Systems (CPS) are providing reference models, architectures, approaches and tools that are to support cross-domain solutions. Thus, CPS based solutions will be applied in different application domains like e-Health, Smart Grid, Smart Transportation and so on, to assure the expected response from a complex system that relies on the smooth interaction and cooperation of diverse networked physical systems. The Wireless Sensors Networks (WSN) are a well-known wireless technology that are part of large CPS. The WSN aims at monitoring a physical system, object, (e.g., the environmental condition of a cargo container), and relaying data to the targeted processing element. The WSN communication reliability, as well as a restrained energy consumption, are expected features in a WSN. This paper shows the results obtained in a real WSN deployment, based on SunSPOT nodes, which carries out a fuzzy based control strategy to improve energy consumption while keeping communication reliability and computational resources usage among boundaries.

Análisis de la cadena de valor, canales cortos de comercialización y horticultura multifuncional como opciones de puesta en valor: Caso de la Huerta de Aranjuez

La Vega de Aranjuez ha sido desde hace siglos conocida por la notoriedad de sus jardines y huertas históricas y también, en épocas más recientes, por ser la despensa de Madrid. A mediados del siglo XX, sin embargo, con las transformaciones que el sector agrario ha experimentado no sólo a nivel local, sino a escala global, empezó un proceso de declive que se ha acentuado en los últimos años. Paralelamente, en el año 2001, la Unesco declara el Paisaje Cultural de Aranjuez, como Patrimonio de la Humanidad con un valor universal excepcional. Parte de lo que sustenta este reconocimiento a nivel internacional radica en las peculiaridades del paisaje que conforma la actividad agraria. El cambio de orientación, eminentemente hortofrutícola hacia cultivos extensivos y superficies en barbecho, y la pérdida de importancia del sector, no han pasado desapercibidos para la administración local y han sido varios los intentos de recuperación y dinamización del sector en los últimos años. La investigación de la que es objeto esta Tesis Doctoral surgió por iniciativa del Ayuntamiento de Aranjuez, que en al año 2010 deseó conocer la situación del sector hortícola en el municipio, para lo cual, encargó un estudio a la UPM-ETSIA. Para conocer la realidad desde una perspectiva integral, se planteó abordar el análisis desde la perspectiva de Cadena de Valor. Las implicaciones de este concepto, su evolución y su papel como instrumento de análisis de la cadena alimentaria, han sido revisadas y presentadas en el epígrafe del Marco Conceptual. Por cadena de valor se entiende el conjunto de procesos desde el consumidor, a través de los proveedores que proporcionan productos, servicios e información que añaden valor hacia los clientes (Lambert & Cooper, 2000; Chen, 2004). Para el análisis de la situación del sector hortícola en Aranjuez, se procedió en varios pasos, los cuales constituyeron la primera fase de la investigación y contemplaron lo siguiente: 1. La identificación de los problemas y de las demandas de los actores de la cadena, realizando cortes transversales en el mercado a distintos niveles para conocer los puntos de vista de los operadores de la cadena (Gunasekaran & Patel ,2004; Rojas, 2009; Schiefer, 2007). Para ello se diseñaron cuestionarios y se dirigieron a representantes de cinco eslabones de la cadena presentes en el caso de estudio: Agricultores (15), Mayoristas (11), Detallistas (55), Consumidores (85) y Restaurantes (36), tanto en Aranjuez como en Madrid (un total de 202). 2. Análisis D.A.F.O de cada uno de los eslabones y de la cadena completa, como herramienta para identificar y sintetizar la problemática y las potencialidades del sector. 3. Análisis global de la Cadena de Valor mediante el Método de Organización Sectorial, según Briz, de Felipe y Briz (2010), el cual permite estudiar aspectos de la estructura, la conducta y el funcionamiento de la cadena. 4. Jornada de análisis por parte de un Panel de Expertos en la sede de la Fundación Foro Agrario, en la cual se presentaron las conclusiones del análisis de la cadena de valor y se plantearon estrategias para la dinamización del sector. Con los resultados del análisis en esta primera fase de la investigación, se obtuvo una panorámica de la cadena de valor. Algunos de los aspectos más destacados son los siguientes: • El eslabón productivo en Aranjuez está muy atomizado y trabaja por lo general de forma independiente. Cultiva hasta veinte productos hortícolas diferentes, entre los cuales los frutales están casi en desaparición y hay poca presencia de producto ecológico. Le preocupan los precios poco estables y bajos y por lo general no trabaja con contratos. •El eslabón mayorista prácticamente carece de presencia en Aranjuez y está representado en su mayoría por operadores de Mercamadrid, los cuales demandan mayores volúmenes y mejor normalización de los productos hortícolas procedentes de Aranjuez. • El eslabón detallista consultado es diverso (con representación de comercios minoristas, supermercados e hipermercados) y también demanda mayores volúmenes de producción y mejoras en la normalización. Un 80% conoce los productos de Aranjuez, especialmente el espárrago y la fresa-fresón citados en un 74% y 63% de los casos respectivamente. • En el eslabón de consumidores, el 79% de los encuestados da importancia a la procedencia de los productos hortícolas y un 82% conoce los productos de la Huerta de Aranjuez, siendo los más consumidos el espárrago y el fresón. Un 42% de los encuestados compra producto ecológico por razones de salud, sabor y buscando la ausencia de químicos. • El eslabón de restaurantes es un gran consumidor de hortalizas, la gran mayoría de los productos incluidos en el análisis se oferta en más del 75% de los casos. Las más presentes son tomate y espárrago. La fresa y el fresón (en un 83% de los casos), y el espárrago (72%) seguido de la alcachofa (44%) son los productos de Aranjuez que más se conocen en el conjunto de los restaurantes entrevistados. El 75% de los restaurantes prefiere el producto fresco frente al procesado o congelado. La mayoría de los restaurantes locales (92%) estaría dispuesto a incluir en su carta una diferenciación para los productos de Aranjuez. Sin embargo, en el resto de restaurantes el porcentaje es mucho menor (21%). Entre las conclusiones del análisis se evidenció que un 52% de las ventas de los agricultores se realizaba sin intermediarios y un 69% de los consumidores se manifestaba interesado en adquirir productos de Aranjuez directamente del campo a su casa. Se identificó de esta manera que el acortamiento de la cadena se está utilizando como una forma de crear valor. Para profundizar en este aspecto, se planteó una segunda fase en la investigación. Además de estudiar diversos aspectos de los canales cortos de comercialización, se planteó estudiar el enfoque multifuncional de la horticultura, como estrategia para poner en valor la Huerta ribereña. Para dar una coherencia con la fase anterior, el planteamiento se realizó también desde la perspectiva de la cadena de valor, orientando la consulta hacia el eslabón consumidor. De esta manera, se realizó una consulta mediante cuestionario a 221 consumidores sobre diferentes aspectos relativos a los Canales Cortos de Comercialización (CCC) y la Horticultura Multifuncional (HM)1, lo cual permitió realizar un análisis cuantitativo de diferentes variables. Para completar la visión integral de la cadena corta, se seleccionaron 6 proyectos significativos que son ejemplos de diversas tipologías de canales cortos de comercialización en Aranjuez y Madrid, como representantes del denominado eslabón de “Promotores de CCC” y se consultó también a la Asociación de Productores de la Huerta de Aranjuez, constituida formalmente en el año 2014, como representante del eslabón Productor. Para la obtención de información, la cual tiene un carácter cualitativo en el caso de estos dos eslabones de la cadena, se realizaron cuestionarios y Estudios de Caso de cada proyecto. Los cuestionarios de esta segunda fase de consulta a los eslabones de la cadena corta contuvieron cuestiones relativas a los canales cortos de comercialización, tanto a nivel general (concepto de canal corto, puntos fuertes y ventajas que aportan, dificultades para su desarrollo, factores clave para su éxito) como para el caso concreto de la Huerta de Aranjuez (perfil del consumidor, factores implicados en la compra de verduras, utilización de diversas modalidades de canal corto, relación con las tecnologías de la información y comunicación (TICs) y la producción ecológica o la importancia del factor confianza). También aspectos relacionados con la Horticultura Multifuncional, como son, la valoración de diferentes actividades o proyectos de carácter agro-turístico, educativo, social o terapéutico, o la percepción del consumidor de las actividades de huerta como fuente de bienestar y como agente satisfactor de diversas necesidades humanas. Para completar la visión sobre estos dos temas, CCC y HM, se realizó una consulta mediante cuestionario a Expertos en el campo de los canales cortos de comercialización, procedentes del ámbito académico, y a Profesionales en activo trabajando en proyectos de horticultura social y terapéutica. La información aportada, aunque tiene carácter cualitativo, complementa el estudio ofreciendo la perspectiva académica en el caso de los canales cortos y amplía la información sobre la horticultura multifuncional, tratando cuestiones relativas al desempeño profesional o a la formación existente en España en el campo de la horticultura social y terapéutica. Los resultados de esta segunda fase de la investigación, entre otras cuestiones, evidenciaron que: • Los canales cortos de comercialización implican mucho más que la simple reducción de intermediarios y comprenden una gran diversidad de tipologías. • Los casos estudiados, están enfocados en su mayoría al producto ecológico y su funcionamiento está muy fundamentado en el uso de TICs y en el factor confianza. • En relación a la compra de verduras en el ámbito de los canales cortos, son aspectos muy valorados por el consumidor la calidad del producto, la rapidez y frescura con la que llega del campo a la mesa y que el Producto sea recogido en su punto óptimo de maduración. • Las actividades en el ámbito de la horticultura multifuncional son valoradas positivamente por los consumidores, siendo las más puntuadas las de huerto educativo, huerto terapéutico, seguidas de visitas guiadas y degustaciones de productos de huerta en restaurantes. • Por lo general existe una valoración muy alta de la huerta como fuente de bienestar y de satisfacción de necesidades humanas básicas, especialmente las de una alimentación saludable y de conexión con la naturaleza. Para terminar esta síntesis de la investigación realizada, se presentan las principales conclusiones a nivel global de la Tesis, que son las siguientes: 1. La metodología de cadena de valor ha resultado adecuada para conocer la complejidad y el funcionamiento del sector hortícola arancetano desde una perspectiva integral. 2. La Huerta de Aranjuez cuenta con importantes fortalezas, sustentadas en la calidad de sus suelos y en la fama que mantienen sus productos, pero también debilidades. Esto supone poco volumen de producción, que dificulta la relación con mayoristas y grandes detallistas. 3. El acortamiento de la cadena, mediante canales cortos de comercialización se ha identificado como una forma de creación de valor en la cadena. Existen oportunidades de abastecimiento a consumidores de Madrid mediante canales cortos, sin embargo, las modalidades que requieren mayor organización o requisitos de producción ecológica todavía no están desarrolladas. 4. La producción ecológica podría ser una estrategia para crear valor pero todavía es un método de cultivo muy minoritario en la cadena productiva arancetana. 5. Las peculiaridades de la Huerta de Aranjuez propician la puesta en práctica del enfoque multifuncional de la horticultura como vía de desarrollo económico. Los resultados apuntan a una posible demanda de servicios que contemplen actividades de horticultura de carácter educativo, terapéutico y agro-turístico, conducidas por profesionales. Existe una percepción positiva sobre el potencial de la huerta como fuente de bienestar y de satisfacción de necesidades humanas básicas. 6. La puesta en marcha de proyectos empresariales en el ámbito de la horticultura social es una apuesta interesante para crear valor en la huerta que ha sido valorada positivamente por los eslabones de la cadena corta consultados. 7. El campo de la Horticultura Multifuncional que contempla aspectos educativos, sociales y terapéuticos conforma una disciplina con posibilidades de desarrollo que en la investigación se perciben como limitadas por la falta de profesionales y su acceso a una formación adecuada en España. El estudio de los Canales Cortos de Comercialización y de la Horticultura Multifuncional como vías de puesta en valor en el caso de la Huerta de Aranjuez ha tenido un carácter exploratorio y en gran parte cualitativo en esta Tesis Doctoral. Ambos conceptos han desvelado cierta complejidad y requieren de un mayor conocimiento en diversos aspectos para su puesta en práctica con éxito. Se abre, por tanto, un campo para futuras investigaciones que profundicen en estos ámbitos. ABSTRACT La Vega de Aranjuez has been known for centuries for the reputation of its orchards and historic gardens and, more recently, as the pantry of Madrid. However, in the mid-twentieth century, with the transformations in agriculture, not only locally, but globally, began a process of decline that has been accentuated in recent years. Meanwhile, in 2001, Unesco declared Aranjuez Cultural Landscape, as a World Heritage Site with outstanding universal value. Part of what underpins this international recognition lies in the peculiarities of the landscape created by farming. The shift, from an eminently horticultural vocation to extensive field crops and fallow surfaces, and the loss of importance of the sector, have not gone unnoticed for local authorities and have been several attempts at recovery and revitalization of the sector in recent years. The beginning of this research came at the initiative of the municipality of Aranjuez, which in 2010 wanted to know the situation of the horticultural sector, for which he commissioned a study by the UPM-ETSIA. To know reality from an integral perspective, it was proposed to approach the analysis from the perspective of value chain. The implications of this concept, its evolution and its role as an instrument of analysis of the food chain, have been reviewed and presented in Chapter 3.2. The value chain concept refers to all the processes from the consumer, through suppliers who provide products, services and information that add value to customers (Lambert & Cooper, 2000; Chen, 2004). For the analysis of the situation of the horticultural sector in Aranjuez, which constituted the first phase of research, it proceeded in several steps: 1. Identifying the problems and demands of the actors in the chain, making transverse cuts in the market at different levels to meet the views of the chain operators (Gunasekaran & Patel , 2004; Rojas, 2009; Schiefer, 2007). Questionnaires were designed for it and went to representatives of the five links in the chain: Farmers (15), Wholesalers (11), Retailers (55), Consumers (85) and Restaurants (36), both in Aranjuez and Madrid (a total of 202). 2. SWOT analysis of each chain actor and of the whole supply chain, as a tool to identify and synthesize the problems and potential of the sector. 3. Analysis of the whole supply chain by Industrial Organization Method according to Briz et al. (2010), which allows to study aspects of the structure, conduct and performance of the chain. 4. Analysis by a Panel of Experts at Foro Agrario Foundation headquarters, where the conclusions of the analysis were presented and strategies for the revitalization of the sector were raised. The results of the analysis in this first phase of the research, presented an overview of the value chain. Some of the highlights are: - The productive sector in Aranjuez is very fragmented and usually works independently. With a wide variety of horticultural products (up to 20), fruit crops almost disappearing and little presence of organic product. Is concerned about the unstable and low prices and usually does not work with contracts. - The wholesale sector with virtually no presence in Aranjuez is represented mostly by Mercamadrid operators, who demand higher volumes and better standardization of horticultural products from Aranjuez. - The retailer sector is diversified (with representation from retailers, supermarkets and hypermarkets) and also demand higher production volumes and improved standardization. 80% know the products of Aranjuez, especially asparagus and strawberry-strawberry cited by 74% and 63% of cases respectively. - Among the consumers, 79% give importance to the origin of horticultural products and 82% know the products from Aranjuez, the most consumed asparagus and strawberries. 42% buy organic products for health, taste and absence of chemicals. - Restaurants are big consumers of vegetables, most of the products included in the analysis is offered in over 75% of cases. The most: tomato and asparagus. Strawberry (83% of cases), and asparagus (72%) followed by the artichoke (44%) are the products of Aranjuez more known in all the surveyed restaurants. 75% of the restaurants prefer fresh product against processed or frozen. Most local restaurants (92%) would be willing to include in their menu a differentiation for products of Aranjuez. However, for those restaurants from Madrid the percentage is much lower (21%). Among the conclusions of the analysis it showed that 52% of sales were realized from farmers without intermediaries and 69% of consumers expressed interest in acquiring products directly from field to table. It has been identified that the shortening of the chain is being used as a way to create value. To deepen this aspect, a second phase investigation arose. Besides studying various aspects of the short supply chains, it was also proposed to study the functional approach of horticulture as a strategy to add value. To provide consistency with the previous phase, the focus was also conducted from the perspective of the value chain, directing the query to consumers. Thus, again it was used the questionnaire as a methodological tool, and 221 consumers were asked about different aspects of the Short Suppy Chains (SSC) and Multifunctional Horticulture (MH)2, which allowed a quantitative analysis of several variables. To complete the comprehensive view of the short chain, 6 significant projects were selected as examples of different types of short supply chains in Aranjuez and Madrid, representing "SSC Promoters" and also the “Asociación de Productores de la Huerta de Aranjuez”, formally constituted in 2014, was asked representing the productive sector. The Study Case and again the questionnaire were elected as methodological tools in a qualitative analysis. The questionnaires of this second phase of research contained short supply chain issues, as a general topic (short supply chain concept, strengths and advantages they bring difficulties for its development, key factors success) and also refered to the case of Aranjuez (consumer profile, factors involved in the purchase of vegetables, use of several types of short supply chains, relation with information and communication technologies (ICTs) and organic production or the importance of trust in short supply chains). It also contemplated aspects of multifunctional horticulture, such as the valuation of different activities (agro-tourism, educational, social or therapeutic horticulture) and consumer perception about horticultural activities as a source of welfare and satisfactor of human needs. To complete the vision of these two issues, SSC and MH, experts in the field of short supply chains and professionals working in the field of social and therapeutic horticulture were asked. The qualitative information provided, complements the study offering a new perspective in the value chain analysis, such as those relating to job performance, the difficulties encountered or training existing in our country in the field of social and therapeutic horticulture. The results of this second phase of research showed that: Short supply chains involve much more than simply reducing intermediaries and cover a wide range of types. The cases studied are mostly focused on ecological product and its operation is heavily based on the use of ICTs and the trust factor. In connection with the purchase of vegetables in the field of short supply chains, product quality, speed and freshness with which comes from the field to the table and products picked at its peak maturation, are aspects highly valued by the consumer. Activities in the field of multifunctional horticulture are positively valued by consumers, the most scored: the educational garden, therapeutic garden, followed by guided tours and tastings of vegetables from Aranjuez in restaurants. Horticultural activities were highly valuated as a source of welfare and satisfaction of human needs, especially those of healthy eating and connection with nature. To complete this summary, the main conclusions of the research are presented as follows: 1. The value chain approach has been adequate to meet the complexity and operation of the horticultural sector in Aranjuez from a holistic perspective. 2. La Huerta de Aranjuez has important strengths, underpinned by the quality of its soils and fame that keep their products, but also weaknesses. This implies low volume of production, which makes difficult the link with wholesalers and large retailers. 3. The shortening of the chain by short supply chains has been identified as a way of creating value in the chain. Opportunities exist to supply consumers from Madrid by short supply chains, however, methods that require greater organization or requirements of organic production are not yet developed. 4. Organic production could be a strategy to create value but is not generally being implemented in the production chain. 5. The peculiarity of the Huerta de Aranjuez favours the implementation of the multifunctional approach as a means of economic development. The results point to a possible demand for multifunctional horticulture that include educational, therapeutic and agro-tourism activities. There is a positive perception of the potential of horticultural activities as a source of welfare and satisfaction of basic human needs. 6. The implementation of business projects in the field of social horticulture are an interesting way to create value that has been highly valued in the short supply chain. 7. The field of Multifunctional Horticulture which includes educational, social and therapeutic aspects, forms a discipline with possibilities of development, which in research are seen as limited by the lack of professionals and access to adequate training in our country. The study of Short Supply Chains and Multifunctional Horticulture as strategies to create value in the case of the Huerta de Aranjuez has an exploratory character and largely qualitative in this research. Both concepts have revealed some complexity and require greater knowledge in various aspects for successful implementation. It opens therefore a field for future research to deepen in these areas.

Design Parameter Analysis of Point Absorber WEC via an Evolutionary-Algorithm-Based Dimensioning Tool

Wave energy conversion has an essential difference from other renewable energies since the dependence between the devices design and the energy resource is stronger. Dimensioning is therefore considered a key stage when a design project of Wave Energy Converters (WEC) is undertaken. Location, WEC concept, Power Take-Off (PTO) type, control strategy and hydrodynamic resonance considerations are some of the critical aspects to take into account to achieve a good performance. The paper proposes an automatic dimensioning methodology to be accomplished at the initial design project stages and the following elements are described to carry out the study: an optimization design algorithm, its objective functions and restrictions, a PTO model, as well as a procedure to evaluate the WEC energy production. After that, a parametric analysis is included considering different combinations of the key parameters previously introduced. A variety of study cases are analysed from the point of view of energy production for different design-parameters and all of them are compared with a reference case. Finally, a discussion is presented based on the results obtained, and some recommendations to face the WEC design stage are given.