Stability and Transient Performance Assessment in a COTS-Module-Based Distributed DC/DC System

This paper introduces a method to analyze and predict stability and transient performance of a distributed system where COTS (Commercial-off-the-shelf) modules share an input filter. The presented procedure is based on the measured data from the input and output terminals of the power modules. The required information for the analysis is obtained by performing frequency response measurements for each converter. This attained data is utilized to compute special transfer functions, which partly determine the source and load interactions within the converters. The system level dynamic description is constructed based on the measured and computed transfer functions introducing cross-coupling mechanisms within the system. System stability can be studied based on the well-known impedance- related minor-loop gain at an arbitrary interface within the system.

Energy/power consumption model for an embedded processor board

This dissertation, whose research has been conducted at the Group of Electronic and Microelectronic Design (GDEM) within the framework of the project Power Consumption Control in Multimedia Terminals (PCCMUTE), focuses on the development of an energy estimation model for the battery-powered embedded processor board. The main objectives and contributions of the work are summarized as follows: A model is proposed to obtain the accurate energy estimation results based on the linear correlation between the performance monitoring counters (PMCs) and energy consumption. the uniqueness of the appropriate PMCs for each different system, the modeling methodology is improved to obtain stable accuracies with slight variations among multiple scenarios and to be repeatable in other systems. It includes two steps: the former, the PMC-filter, to identify the most proper set among the available PMCs of a system and the latter, the k-fold cross validation method, to avoid the bias during the model training stage. The methodology is implemented on a commercial embedded board running the 2.6.34 Linux kernel and the PAPI, a cross-platform interface to configure and access PMCs. The results show that the methodology is able to keep a good stability in different scenarios and provide robust estimation results with the average relative error being less than 5%. Este trabajo fin de máster, cuya investigación se ha desarrollado en el Grupo de Diseño Electrónico y Microelectrónico (GDEM) en el marco del proyecto PccMuTe, se centra en el desarrollo de un modelo de estimación de energía para un sistema empotrado alimentado por batería. Los objetivos principales y las contribuciones de esta tesis se resumen como sigue: Se propone un modelo para obtener estimaciones precisas del consumo de energía de un sistema empotrado. El modelo se basa en la correlación lineal entre los valores de los contadores de prestaciones y el consumo de energía. Considerando la particularidad de los contadores de prestaciones en cada sistema, la metodología de modelado se ha mejorado para obtener precisiones estables, con ligeras variaciones entre escenarios múltiples y para replicar los resultados en diferentes sistemas. La metodología incluye dos etapas: la primera, filtrado-PMC, que consiste en identificar el conjunto más apropiado de contadores de prestaciones de entre los disponibles en un sistema y la segunda, el método de validación cruzada de K iteraciones, cuyo fin es evitar los sesgos durante la fase de entrenamiento. La metodología se implementa en un sistema empotrado que ejecuta el kernel 2.6.34 de Linux y PAPI, un interfaz multiplataforma para configurar y acceder a los contadores. Los resultados muestran que esta metodología consigue una buena estabilidad en diferentes escenarios y proporciona unos resultados robustos de estimación con un error medio relativo inferior al 5%.

Integración MPlayer-OpenSVC en el procesador multinúcleo OMAP3530

La constante evolución de dispositivos portátiles multimedia que se ha producido en la última década ha provocado que hoy en día se disponga de una amplia variedad de dispositivos con capacidad para reproducir contenidos multimedia. En consecuencia, la reproducción de esos contenidos en dichos terminales lleva asociada disponer de procesadores que soporten una alta carga computacional, ya que las tareas de descodificación y presentación de video así lo requieren. Sin embargo, un procesador potente trabajando a elevadas frecuencias provoca un elevado consumo de la batería, y dado que se pretende trabajar con dispositivos portátiles, la vida útil de la batería se convierte en un asunto de especial importancia. La problemática que se plantea se ha convertido en una de las principales líneas de investigación del Grupo de Investigación GDEM (Grupo de Diseño Electrónico y Microelectrónico). En esta línea de trabajo, se persigue cómo optimizar el consumo de energía en terminales portables desde el punto de vista de la reducción de la calidad de experiencia del usuario a cambio de una mayor autonomía del terminal. Por tanto, para lograr esa reducción de la calidad de experiencia mencionada, se requiere un estándar de codificación de vídeo que así lo permita. El Grupo de Investigación GDEM cuenta con experiencia en el estándar de vídeo escalable H.264/SVC, el cual permite degradar la calidad de experiencia en función de las necesidades/características del dispositivo. Más concretamente, un video escalable contiene embebidas distintas versiones del video original que pueden ser descodificadas en diferentes resoluciones, tasas de cuadro y calidades (escalabilidades espacial, temporal y de calidad respectivamente), permitiendo una adaptación rápida y muy flexible. Seleccionado el estándar H.264/SVC para las tareas de vídeo, se propone trabajar con Mplayer, un reproductor de vídeos de código abierto (open source), al cual se le ha integrado un descodificador para vídeo escalable denominado OpenSVC. Por último, como dispositivo portable se trabajará con la plataforma de desarrollo BeagleBoard, un sistema embebido basado en el procesador OMAP3530 que permite modificar la frecuencia de reloj y la tensión de alimentación dinámicamente reduciendo de este modo el consumo del terminal. Este procesador a su vez contiene integrados un procesador de propósito general (ARM Cortex-A8) y un procesador digital de señal (DSP TMS320C64+TM). Debido a la alta carga computacional de la descodificación de vídeos escalables y la escasa optimización del ARM para procesamiento de datos, se propone llevar a cabo la ejecución de Mplayer en el ARM y encargar la tarea de descodificación al DSP, con la finalidad de reducir el consumo y por tanto aumentar la vida útil del sistema embebido sobre el cual se ejecutará la aplicación desarrollada. Una vez realizada esa integración, se llevará a cabo una caracterización del descodificador alojado en el DSP a través de una serie de medidas de rendimiento y se compararán los resultados con los obtenidos en el proceso de descodificación realizado únicamente en el ARM. ABSTRACT During the last years, the multimedia portable terminals have gradually evolved causing that nowadays a several range of devices with the ability of playing multimedia contents are easily available for everyone. Consequently, those multimedia terminals must have high-performance processors to play those contents because the coding and decoding tasks demand high computational load. However, a powerful processor performing to high frequencies implies higher battery consumption, and this issue has become one of the most important problems in the development cycle of a portable terminal. The power/energy consumption optimization on multimedia terminals has become in one the most significant work lines in the Electronic and Microelectronic Research Group of the Universidad Politécnica de Madrid. In particular, the group is researching how to reduce the user‟s Quality of Experience (QoE) quality in exchange for increased battery life. In order to reduce the Quality of Experience (QoE), a standard video coding that allows this operation is required. The H.264/SVC allows reducing the QoE according to the needs/characteristics of the terminal. Specifically, a scalable video contains different versions of original video embedded in an only one video stream, and each one of them can be decoded in different resolutions, frame rates and qualities (spatial, temporal and quality scalabilities respectively). Once the standard video coding is selected, a multimedia player with support for scalable video is needed. Mplayer has been proposed as a multimedia player, whose characteristics (open-source, enormous flexibility and scalable video decoder called OpenSVC) are the most suitable for the aims of this Master Thesis. Lastly, the embedded system BeagleBoard, based on the multi-core processor OMAP3530, will be the development platform used in this project. The multimedia terminal architecture is based on a commercial chip having a General Purpose Processor (GPP – ARM Cortex A8) and a Digital Signal Processor (DSP, TMS320C64+™). Moreover, the processor OMAP3530 has the ability to modify the operating frequency and the supply voltage in a dynamic way in order to reduce the power consumption of the embedded system. So, the main goal of this Master Thesis is the integration of the multimedia player, MPlayer, executed at the GPP, and scalable video decoder, OpenSVC, executed at the DSP in order to distribute the computational load associated with the scalable video decoding task and to reduce the power consumption of the terminal. Once the integration is accomplished, the performance of the OpenSVC decoder executed at the DSP will be measured using different combinations of scalability values. The obtained results will be compared with the scalable video decoding performed at the GPP in order to show the low optimization of this kind of architecture for decoding tasks in contrast to DSP architecture.

Exploration of RVC applications using an ARM multicore processor = Exploración de aplicaciones RVC empleando un procesador ARM multinúcleo

Single core capabilities have reached their maximum clock speed; new multicore architectures provide an alternative way to tackle this issue instead. The design of decoding applications running on top of these multicore platforms and their optimization to exploit all system computational power is crucial to obtain best results. Since the development at the integration level of printed circuit boards are increasingly difficult to optimize due to physical constraints and the inherent increase in power consumption, development of multiprocessor architectures is becoming the new Holy Grail. In this sense, it is crucial to develop applications that can run on the new multi-core architectures and find out distributions to maximize the potential use of the system. Today most of commercial electronic devices, available in the market, are composed of embedded systems. These devices incorporate recently multi-core processors. Task management onto multiple core/processors is not a trivial issue, and a good task/actor scheduling can yield to significant improvements in terms of efficiency gains and also processor power consumption. Scheduling of data flows between the actors that implement the applications aims to harness multi-core architectures to more types of applications, with an explicit expression of parallelism into the application. On the other hand, the recent development of the MPEG Reconfigurable Video Coding (RVC) standard allows the reconfiguration of the video decoders. RVC is a flexible standard compatible with MPEG developed codecs, making it the ideal tool to integrate into the new multimedia terminals to decode video sequences. With the new versions of the Open RVC-CAL Compiler (Orcc), a static mapping of the actors that implement the functionality of the application can be done once the application executable has been generated. This static mapping must be done for each of the different cores available on the working platform. It has been chosen an embedded system with a processor with two ARMv7 cores. This platform allows us to obtain the desired tests, get as much improvement results from the execution on a single core, and contrast both with a PC-based multiprocessor system. Las posibilidades ofrecidas por el aumento de la velocidad de la frecuencia de reloj de sistemas de un solo procesador están siendo agotadas. Las nuevas arquitecturas multiprocesador proporcionan una vía de desarrollo alternativa en este sentido. El diseño y optimización de aplicaciones de descodificación de video que se ejecuten sobre las nuevas arquitecturas permiten un mejor aprovechamiento y favorecen la obtención de mayores rendimientos. Hoy en día muchos de los dispositivos comerciales que se están lanzando al mercado están integrados por sistemas embebidos, que recientemente están basados en arquitecturas multinúcleo. El manejo de las tareas de ejecución sobre este tipo de arquitecturas no es una tarea trivial, y una buena planificación de los actores que implementan las funcionalidades puede proporcionar importantes mejoras en términos de eficiencia en el uso de la capacidad de los procesadores y, por ende, del consumo de energía. Por otro lado, el reciente desarrollo del estándar de Codificación de Video Reconfigurable (RVC), permite la reconfiguración de los descodificadores de video. RVC es un estándar flexible y compatible con anteriores codecs desarrollados por MPEG. Esto hace de RVC el estándar ideal para ser incorporado en los nuevos terminales multimedia que se están comercializando. Con el desarrollo de las nuevas versiones del compilador específico para el desarrollo de lenguaje RVC-CAL (Orcc), en el que se basa MPEG RVC, el mapeo estático, para entornos basados en multiprocesador, de los actores que integran un descodificador es posible. Se ha elegido un sistema embebido con un procesador con dos núcleos ARMv7. Esta plataforma nos permitirá llevar a cabo las pruebas de verificación y contraste de los conceptos estudiados en este trabajo, en el sentido del desarrollo de descodificadores de video basados en MPEG RVC y del estudio de la planificación y mapeo estático de los mismos.

Criterios de calidad del servicio prestado en el ámbito de la línea de atraque de las terminales portuarias de contenedores

Esta Tesis Doctoral evalúa empíricamente la calidad del servicio en la línea de atraque de las terminales portuarias de contenedores. La metodología propuesta utiliza indicadores de calidad y se basa en el concepto de la segmentación de servicio. Para ello se desarrolla la teoría del Control Estadístico de Procesos (CEP) y se utilizan los gráficos de control para clasificar el servicio en las terminales de contenedores. El propósito de la Tesis es proporcionar una metodología basada en el Control Estadístico de Procesos (CEP) para evaluar la calidad del servicio y detectar las escalas de un servicio regular de línea que se encuentran fuera de control. Por tanto, la metodología se puede utilizar para detectar eventos que son indicativos de cambio real del proceso en la línea de atraque. Esta detección puede ser compleja pues las características de los procesos en terminales de contenedores son variables. La metodología proporciona mediante los gráficos de control criterios estadísticamente objetivos de cambio. Cuando el cambio es detectado y considerado bueno sus causas deben ser identificadas y posiblemente convertirse en la nueva forma de trabajar, cuando el cambio es negativo, entonces sus causas deberían ser identificadas y eliminadas. La Tesis Doctoral está organizado de la siguiente manera: La primera parte es la introducción, e incluye los capítulos 1 al 4, la segunda parte presenta el Estado del Arte (capítulo 5) y algunos de los estudios que han inspirado esta investigación, la tercera parte se centra en la metodología utilizada (capítulo 6) y su aplicación sobre un caso de estudio (capítulo 7). Finalmente, en la cuarta parte se presentan las conclusiones y se proponen algunas de las nuevas líneas de investigación que quedan abiertas (capítulo 8). This Thesis empirically evaluates the quality of service in the berthing face of container terminals. The methodology proposed is focused on quality of service indicators and is based on the concept of service segmentation. The Statistical Process Control (SPC) theory and the control charts are used to classify container terminal service. The aim of this Thesis is to provide a methodology based on Statistical Process Control that can evaluate the quality of service and also can detect scales of shipping liner service that are out of control. Therefore, the methodology can be used to detect events that are indicative of real change in the berthing process of container vessels. The methodology proposed allows simple detection of events that are indicative of actual process change in container terminals. This detection is complex because the characteristics of the processes are variable in the container terminals; the control chart provides statistically objective criteria of change. When change is detected and considered good its cause should be identified and possibly become the new way of working, where the change is bad then its cause should be identified and eliminated. This Thesis is organized as follows: The first part is the introduction (includes Chapters 1 to 4), the second part presents the State of the Art (Chapter 5) and some of the studies that have inspired this research. The third part focuses on the methodology used (Chapter 6) and its application to a case study (Chapter 7). Finally, Part 4 presents the conclusions and suggests future research (Chapter 8).

Container Terminal Simulation. A case study: port of Valencia.

This paper is concerned with the study of non-Markovian queuing systems in container terminals. The methodology presented has been applied to analyze the ship traffic in the port of Valencia located in the Western Mediterranean. Two container terminals have been studied: the public container terminal of NOATUM and the dedicated container terminal of MSC. This paper contains the results of a simulation model based on queuing theory. The methodology presented is found to be effective in replicating realistic ship traffic operations in port as well as in conducting capacity evaluations. Thus the methodology can be used for capacity planning (long term), tactical planning (medium term) and even for the container terminal design (port enlargement purposes).

Análisis de las diversas metodologías para el estudio del sistema de atraque en terminales portuarias

This paper is concerned with the study of the berth system in port terminals. The main objective is to present the management methodologies, which include empirical methods, analytical methods and simulation methods The comparison shows that these three methods are not independent, but they are complementary. Each method has advantages and limitations and these depend on the type of study performed.

Wireless Optical Communications for Intra-Spacecraft Networks Based on OCDMA with Random Optical Codes

In recent years, spacial agencies have shown a growing interest in optical wireless as an alternative to wired and radio-frequency communications. The use of these techniques for intra-spacecraft communications reduces the effect of take-off acceleration and vibrations on the systems by avoiding the need for rugged connectors and provides a significant mass reduction. Diffuse transmission also eases the design process as terminals can be placed almost anywhere without a tight planification to ensure the proper system behaviour. Previous studies have compared the performance of radio-frequency and infrared optical communications. In an intra-satellite environment optical techniques help reduce EMI related problems, and their main disadvantages - multipath dispersion and the need for line-of-sight - can be neglected due to the reduced cavity size. Channel studies demonstrate that the effect of the channel can be neglected in small environments if data bandwidth is lower than some hundreds of MHz.

Metodología para maximizar la rentabilidad de una terminal marítima de contenedores a través de la optimización de su grado de automatización

Son generalmente aceptadas las tendencias actuales de maximización de la automatización para la adaptación de las terminales marítimas de contenedores a las cada vez mayores exigencias competitivas del negocio de transporte de contenedores. En esta investigación, se somete a consideración dichas tendencias a través de un análisis que tenga en cuenta la realidad global de la terminal pero también su propia realidad local que le permita aprovechar sus fortalezas y minimizar sus debilidades en un mercado continuamente en crecimiento y cambio. Para lo cual se ha desarrollado un modelo de análisis en el que se tengan en cuenta los parámetros técnicos, operativos, económicos y financieros que influyen en el diseño de una terminal marítima de contenedores, desde su concepción como ente dependiente para generar negocio, todos ellos dentro de un perímetro definido por el mercado del tráfico de contenedores así como las limitaciones físicas introducidas por la propia terminal. Para la obtención de dicho modelo ha sido necesario llevar a cabo un proceso de estudio del contexto actual del tráfico de contenedores y su relación con el diseño de las terminales marítimas, así como de las metodologías propuestas hasta ahora por los diferentes autores para abordar el proceso de dimensionamiento y diseño de la terminal. Una vez definido el modelo que ha de servir de base para el diseño de una terminal marítima de contenedores desde un planteamiento multicriterio, se analiza la influencia de las diversas variables explicativas de dicho modelo y se cuantifica su impacto en los resultados económicos, financieros y operativos de la terminal. Un paso siguiente consiste en definir un modelo simplificado que vincule la rentabilidad de una concesión de terminal con el tráfico esperado en función del grado de automatización y del tipo de terminal. Esta investigación es el fruto del objetivo ambicioso de aportar una metodología que defina la opción óptima de diseño de una terminal marítima de contenedores apoyada en los pilares de la optimización del grado de automatización y de la maximización de la rentabilidad del negocio que en ella se desarrolla. It is generally accepted current trends in automation to maximize the adaptation of maritime container terminals to the growing competitive demands of the business of container shipping. In this research, is submitted to these trends through an analysis taking into account the global reality of the terminal but also their own local reality it could exploit its strengths and minimize their weaknesses in a market continuously growing and changing. For which we have developed a model analysis that takes into account the technical, operational, financial and economic influence in the design of a container shipping terminal, from its conception as being dependent to generate business, all within a perimeter defined by the market of container traffic and the physical constraints introduced by the terminal. To obtain this model has been necessary to conduct a study process in the current context of container traffic and its relation to the design of marine terminals, as well as the methodologies proposed so far by different authors to address the process sizing and design of the terminal. Having defined the model that will serve as the basis for the design for a container shipping terminal from a multi-criteria approach, we analyze the influence of various explanatory variables of the model and quantify their impact on economic performance, financial and operational of the terminal. A next step is to define a simplified model that links the profitability of a terminal concession with traffic expected on the basis of the degree of automation and the kind of terminal. This research is the result of the ambitious target of providing a methodology to define the optimal choice of designing a container shipping terminal on the pillars of automation optimizing and maximizing the profitability of the business that it develops.

Practical Characterization of Input-Parallel-Connected Converters with a Common Input Filter

The paper presents a method to analyze robust stability and transient performance of a distributed power system consisting of commercial converter modules interconnected through a common input filter. The method is based on the use of four transfer functions, which are measurable from the converter input and output terminals. It is shown that these parameters provide important information on the power module sensitivity to the interactions caused by the external impedances. Practical characterization for the described system structure is performed introducing special transfer functions utilized for the interactions assessment. Experimental results are provided to support the presented analysis procedure.

Adaptación de un reproductor de contenidos multimedia para la recepción de vídeo escalable sobre un protocolo de tiempo real

En los últimos años, debido al notable desarrollo de los terminales portátiles, que han pasado de ser “simples” teléfonos o reproductores a puros ordenadores, ha crecido el número de servicios que ofrecen cada vez mayor cantidad de contenido multimedia a través de internet. Además, la distinta evolución de estos terminales hace que nos encontremos en el mercado con una amplísima gama de productos de diferentes tamaños y capacidades de procesamiento, lo que hace necesario encontrar una fórmula que permita satisfacer la demanda de dichos servicios sea cual sea la naturaleza de nuestro dispositivo. Para poder ofrecer una solución adecuada se ha optado por la integración de un protocolo como RTP y un estándar de video como SVC. RTP (Real-time Transport Protocol), en contraposición a los protocolos de propósito general fue diseñado para aplicaciones de tiempo real por lo que es ideal para el streaming de contenido multimedia. Por su parte, SVC es un estándar de video escalable que permite transmitir en un mismo stream una capa base y múltiples capas de mejora, por lo que podremos adaptar la calidad y tamaño del contenido a la capacidad y tamaño de nuestro dispositivo. El objetivo de este proyecto consiste en integrar y modificar tanto el reproductor MPlayer como la librería RTP live555 de tal forma que sean capaces de soportar el formato SVC sobre el protocolo RTP y montar un sistema servidorcliente para comprobar su funcionamiento. Aunque este proceso esté orientado a llevarse a cabo en un dispositivo móvil, para este proyecto se ha optado por realizarlo en el escenario más sencillo posible, para lo cual, se emitirán secuencias a una máquina virtual alojada en el mismo ordenador que el servidor. ABSTRACT In recent years, due to the remarkable development of mobile devices, which have evolved from "simple" phones or players to computers, the amount of services that offer multimedia content over the internet have shot up. Furthermore, the different evolution of these terminals causes that we can find in the market a wide range of different sizes and processing capabilities, making necessary to find a formula that will satisfy the demand for such services regardless of the nature of our device. In order to provide a suitable solution we have chosen to integrate a protocol as RTP and a video standard as SVC. RTP (Real-time Transport Protocol), in opposition to general purpose protocols was designed for real-time applications making it ideal for media streaming. Meanwhile, SVC is a scalable video standard which can transmit a single stream in a base layer and multiple enhancement layers, so that we can adapt the quality and size of the content to the capacity and size of our device. The objective of this project is to integrate and modify both MPlayer and RTP library live555 so that they support the SVC format over RTP protocol and set up a client-server system to check its behavior. Although this process has been designed to be done on a mobile device, for this project we have chosen to do it in the simplest possible scenario so we will stream to a virtual machine hosted on the same computer where we have the server.

Sistema de medida de mapa de electroluminiscencia para células solares de concentración

En este Trabajo Fin de Master se desarrolla una aplicación basada en Labview diseñada para la adquisición automática de mapas de electroluminiscencia de células solares en general y células solares multiunión de concentración como caso particular, para diferentes condiciones de polarización. Este sistema permitirá la adquisición de mapas de electroluminescencia de cada una de las sub-células de una célula multiunión. Las variaciones espaciales en la intensidad de electroluminescencia medida podrán ser analizadas y correlacionadas con defectos de distintos tipos en la estructura semiconductora o en los contactos metálicos que forman el dispositivo de célula solar. En la parte teórica se presenta el estado del arte referente a la caracterización de células solares basada en la técnica de electroluminiscencia, así como los antecedentes del Instituto de Energía Solar (IES) referidos a este tema. Para el desarrollo de la parte práctica ha sido necesario diseñar dos drivers en Labview. El primer driver controla una fuente-medidor, que inyecta corriente a la célula solar y recoge datos de la tensión asociada. El segundo driver se utiliza para controlar y automatizar el proceso de adquisición, mediante sensor CCD, de la imagen electroluminiscente de la célula solar sometida a unas condiciones de polarización determinadas. Estos drivers se incluyen dentro de la aplicación final desarrollada, que ofrece al usuario una interfaz para la aplicación de diferentes condiciones de polarización a la célula solar y la adquisición de los mapas de electroluminescencia. La utilización de este sistema es fundamental en los estudios de degradación de células solares que se llevan a cabo actualmente en el Instituto de Energía Solar. De hecho, en este Trabajo Fin de Máster se han realizado las primeras medidas al respecto, cuyos resultados se presentan en la parte final de esta memoria. SUMMARY. This Master Final Project develops a Labview application designed to perform the automatic acquisition of solar cell electroluminescence maps in general, and concentrator multijunction solar cells as a special case, under forward biased conditions. This system allows the acquisition of electroluminescence maps of each of the sub-cells in a multijunction cell. The spatial variations in the intensity of the electroluminescence measured can be analyzed and correlated with defects in the semiconductor structure or in the metal contacts of the solar cell. In the theory section of this memory, the state of the art of the electroluminescence-based characterization techniques for solar cells is presented, and the previous work carried out at I.E.S. is summarized. For the development of the practice part it has been necessary to design two drivers using Labview software. The first driver handles the source-meter injecting current in the solar cell and measuring voltage between its terminals. The second driver is used to handle and automate the acquisition of the solar cell electroluminescence image under forward biased conditions, using a CCD sensor. These drivers are included in the final application, which offers the user an interface to apply different bias conditions to the solar cell and for the acquisition of electroluminescence maps. The use of this system is essential in the studies of degradation of solar cells which is currently underway at the I.E.S. – U.P.M. In this Master Final Project the results of the first measurements are carried out which are presented in the final part of this memory.

Estudio de la viabilidad técnica y económica del establecimiento de una terminal de contenedores automatizada en el Mediterráneo español

Esta Tesis analiza, en primer lugar, las posibilidades y condiciones de los puertos españoles de Algeciras, Valencia y Barcelona para acoger en el futuro una terminal totalmente automatizada (robotizada) de contenedores con una capacidad aproximada de 1,3-1,4 millones de contenedores/año o 2 millones de TEU/año. Entre las posibles amenazas y oportunidades que pueden afectar al actual tráfico de esos puertos, la Tesis se centra en el desvío del tráfico de contenedores de transbordo, la sustitución de los tráficos marinos por tráficos ferroviarios, la posibilidad de convertir al Mediterráneo español en la puerta de entrada de productos asiáticos, el cambio de la ruta Asia-Europa a través del Canal de Suez por la ruta Asia-Europa a través del Ártico, la posibilidad de circunvalar África para evitar el Canal de Suez y la próxima apertura de nuevo Canal de Panamá ampliado. La Tesis describe el Estado del Arte de la tecnología para las terminales de contenedores automatizadas que pudiera ser aplicada en nuestro país y desarrolla una terminal automatizada con la capacidad ya mencionada de 2 millones de TEU/año. El tema del ferrocarril en las terminales de contenedores, como futura lanzadera para la proyección de la influencia de los puertos, está desarrollado como una parte esencial de una terminal de contenedores. Se investiga, también, la automatización total o parcial en la transferencia de mercancía buque-ferrocarril La Tesis también desarrolla una metodología para desglosar los costes e ingresos de una terminal automatizada. A través de esos costes e ingresos se va desarrollando, mediante la utilización de hojas Excel relacionadas, el método para mostrar la estructuración de los hitos económicos fundamentales hasta llegar al VAN, TIR y Periodo de Retorno de la Inversión como elementos clave para la calificación de la terminal como proyecto de inversión. La Tesis realiza la misma metodología para la terminal convencional de contenedores más habitual en el Mediterráneo español: la terminal que utiliza sistemas de grúas sobre ruedas (RTG) en el patio de contenedores. Por último, la Tesis establece la comparativa entre los dos tipos de terminales analizadas: la convencional y la automatizada, basándose en el coste de la mano de obra portuaria como elemento clave para dicha comparativa. Se establece la frontera que determina en qué niveles de coste del personal portuario la terminal automatizada es mejor proyecto de inversión que la terminal convencional con RTG. Mediante la creación de la metodología descrita, la Tesis permite: - La comparativa entre diferentes tipos de terminales - La posibilidad de analizar un modelo de terminal variando sus parámetros fundamentales: costes de los estibadores, nuevas tecnologías de manipulación, diferentes rendimientos, variación de los ingresos, etc. - Descubrir el modelo más rentable de una futura terminal mediante la comparación de las diferentes tecnologías que se puedan emplear para la construcción de dicha terminal ABSTRACT This Thesis examines, first, the possibilities and conditions of the Spanish ports of Algeciras, Valencia and Barcelona to host in the future a fully automated container terminal (robotized) with a capacity of approximately 1.3-1.4 million containers/year or 2 million TEU/year. Among the potential threats and opportunities that may affect the current traffic of these ports, the thesis focuses on the diversion of container transhipment traffic, the replacing of marine traffic by rail traffic, the possibility of converting the Spanish Mediterranean in the door input of Asian products, the changing of the Asia-Europe route through the Suez Canal by the Asia-Europe route through the Arctic, the possibility of circumnavigating Africa to avoid the Suez Canal and the upcoming opening of the new expanded Canal of Panama. The Thesis describes the state-of-the-art technology for automated container terminals that could be applied in our country and develops an automated terminal with the listed capacity of 2 million TEUs / year. The use of the railway system in container terminals to be used as future shuttle to the projection of the influence of the ports is developed as an essential part of a container terminal. We also investigate the total or partial automation in transferring goods from ship to rail. The Thesis also develops a methodology to break down the costs and revenues of an automated terminal. Through these costs and revenues is developed, using linked Excel sheets, the method to show the formation of structured key economic milestones until the NPV, IRR and Period of Return of Investment as key to determining the terminal as an investment project. The Thesis takes the same methodology for the conventional container terminal more common in the Spanish Mediterranean: the terminal using rubber tyred cranes (RTG) in the container yard. Finally, the Thesis provides a comparison between the two types of analyzed terminals: conventional and automated, based on the cost of stevedores labor as a key point for that comparison. It establishes the boundary that determines what levels of stevedore costs make automated terminal to be better investment project than a conventional terminal using RTG. By creating the above methodology, the Thesis allows: - The comparison between different types of terminals - The possibility of analyzing a model of terminal varying its key parameters: stevedores costs, new technologies of container handling, different loading/unloading rates, changes in incomes and so on - Unveil the most profitable model for a future terminal by comparing the different technologies that can be employed for the construction of that terminal

Contributions to Bayesian network learning with applications to neuroscience

Neuronal morphology is a key feature in the study of brain circuits, as it is highly related to information processing and functional identification. Neuronal morphology affects the process of integration of inputs from other neurons and determines the neurons which receive the output of the neurons. Different parts of the neurons can operate semi-independently according to the spatial location of the synaptic connections. As a result, there is considerable interest in the analysis of the microanatomy of nervous cells since it constitutes an excellent tool for better understanding cortical function. However, the morphologies, molecular features and electrophysiological properties of neuronal cells are extremely variable. Except for some special cases, this variability makes it hard to find a set of features that unambiguously define a neuronal type. In addition, there are distinct types of neurons in particular regions of the brain. This morphological variability makes the analysis and modeling of neuronal morphology a challenge. Uncertainty is a key feature in many complex real-world problems. Probability theory provides a framework for modeling and reasoning with uncertainty. Probabilistic graphical models combine statistical theory and graph theory to provide a tool for managing domains with uncertainty. In particular, we focus on Bayesian networks, the most commonly used probabilistic graphical model. In this dissertation, we design new methods for learning Bayesian networks and apply them to the problem of modeling and analyzing morphological data from neurons. The morphology of a neuron can be quantified using a number of measurements, e.g., the length of the dendrites and the axon, the number of bifurcations, the direction of the dendrites and the axon, etc. These measurements can be modeled as discrete or continuous data. The continuous data can be linear (e.g., the length or the width of a dendrite) or directional (e.g., the direction of the axon). These data may follow complex probability distributions and may not fit any known parametric distribution. Modeling this kind of problems using hybrid Bayesian networks with discrete, linear and directional variables poses a number of challenges regarding learning from data, inference, etc. In this dissertation, we propose a method for modeling and simulating basal dendritic trees from pyramidal neurons using Bayesian networks to capture the interactions between the variables in the problem domain. A complete set of variables is measured from the dendrites, and a learning algorithm is applied to find the structure and estimate the parameters of the probability distributions included in the Bayesian networks. Then, a simulation algorithm is used to build the virtual dendrites by sampling values from the Bayesian networks, and a thorough evaluation is performed to show the model’s ability to generate realistic dendrites. In this first approach, the variables are discretized so that discrete Bayesian networks can be learned and simulated. Then, we address the problem of learning hybrid Bayesian networks with different kinds of variables. Mixtures of polynomials have been proposed as a way of representing probability densities in hybrid Bayesian networks. We present a method for learning mixtures of polynomials approximations of one-dimensional, multidimensional and conditional probability densities from data. The method is based on basis spline interpolation, where a density is approximated as a linear combination of basis splines. The proposed algorithms are evaluated using artificial datasets. We also use the proposed methods as a non-parametric density estimation technique in Bayesian network classifiers. Next, we address the problem of including directional data in Bayesian networks. These data have some special properties that rule out the use of classical statistics. Therefore, different distributions and statistics, such as the univariate von Mises and the multivariate von Mises–Fisher distributions, should be used to deal with this kind of information. In particular, we extend the naive Bayes classifier to the case where the conditional probability distributions of the predictive variables given the class follow either of these distributions. We consider the simple scenario, where only directional predictive variables are used, and the hybrid case, where discrete, Gaussian and directional distributions are mixed. The classifier decision functions and their decision surfaces are studied at length. Artificial examples are used to illustrate the behavior of the classifiers. The proposed classifiers are empirically evaluated over real datasets. We also study the problem of interneuron classification. An extensive group of experts is asked to classify a set of neurons according to their most prominent anatomical features. A web application is developed to retrieve the experts’ classifications. We compute agreement measures to analyze the consensus between the experts when classifying the neurons. Using Bayesian networks and clustering algorithms on the resulting data, we investigate the suitability of the anatomical terms and neuron types commonly used in the literature. Additionally, we apply supervised learning approaches to automatically classify interneurons using the values of their morphological measurements. Then, a methodology for building a model which captures the opinions of all the experts is presented. First, one Bayesian network is learned for each expert, and we propose an algorithm for clustering Bayesian networks corresponding to experts with similar behaviors. Then, a Bayesian network which represents the opinions of each group of experts is induced. Finally, a consensus Bayesian multinet which models the opinions of the whole group of experts is built. A thorough analysis of the consensus model identifies different behaviors between the experts when classifying the interneurons in the experiment. A set of characterizing morphological traits for the neuronal types can be defined by performing inference in the Bayesian multinet. These findings are used to validate the model and to gain some insights into neuron morphology. Finally, we study a classification problem where the true class label of the training instances is not known. Instead, a set of class labels is available for each instance. This is inspired by the neuron classification problem, where a group of experts is asked to individually provide a class label for each instance. We propose a novel approach for learning Bayesian networks using count vectors which represent the number of experts who selected each class label for each instance. These Bayesian networks are evaluated using artificial datasets from supervised learning problems. Resumen La morfología neuronal es una característica clave en el estudio de los circuitos cerebrales, ya que está altamente relacionada con el procesado de información y con los roles funcionales. La morfología neuronal afecta al proceso de integración de las señales de entrada y determina las neuronas que reciben las salidas de otras neuronas. Las diferentes partes de la neurona pueden operar de forma semi-independiente de acuerdo a la localización espacial de las conexiones sinápticas. Por tanto, existe un interés considerable en el análisis de la microanatomía de las células nerviosas, ya que constituye una excelente herramienta para comprender mejor el funcionamiento de la corteza cerebral. Sin embargo, las propiedades morfológicas, moleculares y electrofisiológicas de las células neuronales son extremadamente variables. Excepto en algunos casos especiales, esta variabilidad morfológica dificulta la definición de un conjunto de características que distingan claramente un tipo neuronal. Además, existen diferentes tipos de neuronas en regiones particulares del cerebro. La variabilidad neuronal hace que el análisis y el modelado de la morfología neuronal sean un importante reto científico. La incertidumbre es una propiedad clave en muchos problemas reales. La teoría de la probabilidad proporciona un marco para modelar y razonar bajo incertidumbre. Los modelos gráficos probabilísticos combinan la teoría estadística y la teoría de grafos con el objetivo de proporcionar una herramienta con la que trabajar bajo incertidumbre. En particular, nos centraremos en las redes bayesianas, el modelo más utilizado dentro de los modelos gráficos probabilísticos. En esta tesis hemos diseñado nuevos métodos para aprender redes bayesianas, inspirados por y aplicados al problema del modelado y análisis de datos morfológicos de neuronas. La morfología de una neurona puede ser cuantificada usando una serie de medidas, por ejemplo, la longitud de las dendritas y el axón, el número de bifurcaciones, la dirección de las dendritas y el axón, etc. Estas medidas pueden ser modeladas como datos continuos o discretos. A su vez, los datos continuos pueden ser lineales (por ejemplo, la longitud o la anchura de una dendrita) o direccionales (por ejemplo, la dirección del axón). Estos datos pueden llegar a seguir distribuciones de probabilidad muy complejas y pueden no ajustarse a ninguna distribución paramétrica conocida. El modelado de este tipo de problemas con redes bayesianas híbridas incluyendo variables discretas, lineales y direccionales presenta una serie de retos en relación al aprendizaje a partir de datos, la inferencia, etc. En esta tesis se propone un método para modelar y simular árboles dendríticos basales de neuronas piramidales usando redes bayesianas para capturar las interacciones entre las variables del problema. Para ello, se mide un amplio conjunto de variables de las dendritas y se aplica un algoritmo de aprendizaje con el que se aprende la estructura y se estiman los parámetros de las distribuciones de probabilidad que constituyen las redes bayesianas. Después, se usa un algoritmo de simulación para construir dendritas virtuales mediante el muestreo de valores de las redes bayesianas. Finalmente, se lleva a cabo una profunda evaluaci ón para verificar la capacidad del modelo a la hora de generar dendritas realistas. En esta primera aproximación, las variables fueron discretizadas para poder aprender y muestrear las redes bayesianas. A continuación, se aborda el problema del aprendizaje de redes bayesianas con diferentes tipos de variables. Las mixturas de polinomios constituyen un método para representar densidades de probabilidad en redes bayesianas híbridas. Presentamos un método para aprender aproximaciones de densidades unidimensionales, multidimensionales y condicionales a partir de datos utilizando mixturas de polinomios. El método se basa en interpolación con splines, que aproxima una densidad como una combinación lineal de splines. Los algoritmos propuestos se evalúan utilizando bases de datos artificiales. Además, las mixturas de polinomios son utilizadas como un método no paramétrico de estimación de densidades para clasificadores basados en redes bayesianas. Después, se estudia el problema de incluir información direccional en redes bayesianas. Este tipo de datos presenta una serie de características especiales que impiden el uso de las técnicas estadísticas clásicas. Por ello, para manejar este tipo de información se deben usar estadísticos y distribuciones de probabilidad específicos, como la distribución univariante von Mises y la distribución multivariante von Mises–Fisher. En concreto, en esta tesis extendemos el clasificador naive Bayes al caso en el que las distribuciones de probabilidad condicionada de las variables predictoras dada la clase siguen alguna de estas distribuciones. Se estudia el caso base, en el que sólo se utilizan variables direccionales, y el caso híbrido, en el que variables discretas, lineales y direccionales aparecen mezcladas. También se estudian los clasificadores desde un punto de vista teórico, derivando sus funciones de decisión y las superficies de decisión asociadas. El comportamiento de los clasificadores se ilustra utilizando bases de datos artificiales. Además, los clasificadores son evaluados empíricamente utilizando bases de datos reales. También se estudia el problema de la clasificación de interneuronas. Desarrollamos una aplicación web que permite a un grupo de expertos clasificar un conjunto de neuronas de acuerdo a sus características morfológicas más destacadas. Se utilizan medidas de concordancia para analizar el consenso entre los expertos a la hora de clasificar las neuronas. Se investiga la idoneidad de los términos anatómicos y de los tipos neuronales utilizados frecuentemente en la literatura a través del análisis de redes bayesianas y la aplicación de algoritmos de clustering. Además, se aplican técnicas de aprendizaje supervisado con el objetivo de clasificar de forma automática las interneuronas a partir de sus valores morfológicos. A continuación, se presenta una metodología para construir un modelo que captura las opiniones de todos los expertos. Primero, se genera una red bayesiana para cada experto y se propone un algoritmo para agrupar las redes bayesianas que se corresponden con expertos con comportamientos similares. Después, se induce una red bayesiana que modela la opinión de cada grupo de expertos. Por último, se construye una multired bayesiana que modela las opiniones del conjunto completo de expertos. El análisis del modelo consensuado permite identificar diferentes comportamientos entre los expertos a la hora de clasificar las neuronas. Además, permite extraer un conjunto de características morfológicas relevantes para cada uno de los tipos neuronales mediante inferencia con la multired bayesiana. Estos descubrimientos se utilizan para validar el modelo y constituyen información relevante acerca de la morfología neuronal. Por último, se estudia un problema de clasificación en el que la etiqueta de clase de los datos de entrenamiento es incierta. En cambio, disponemos de un conjunto de etiquetas para cada instancia. Este problema está inspirado en el problema de la clasificación de neuronas, en el que un grupo de expertos proporciona una etiqueta de clase para cada instancia de manera individual. Se propone un método para aprender redes bayesianas utilizando vectores de cuentas, que representan el número de expertos que seleccionan cada etiqueta de clase para cada instancia. Estas redes bayesianas se evalúan utilizando bases de datos artificiales de problemas de aprendizaje supervisado.

Aplicación móvil para el acceso a juego de naipes sobre el desarrollo humano

Este Proyecto Fin de Carrera (PFC) tiene como objetivo el análisis, diseño e implementación de un videojuego móvil multijugador, con un enfoque educativo, para la sensibilización sobre el Índice de Desarrollo Humano (IDH). El sistema resultante se ha desarrollado para la Plataforma Android, utilizando el Framework AndEngine, que utiliza aceleración hardware de la GPU para garantizar un buen rendimiento en terminales de gama baja, de modo que pueda utilizarse en un amplio número de terminales móviles disponibles en el mercado. La aplicación se presenta como un juego de cartas con los diferentes países y sus datos humanitarios, los jugadores deben conocer el peso de los índices de desarrollo (esperanza de vida, renta, educación) de los países en comparación con los países de los otros jugadores. El sistema de juego premia a los jugadores con mayores conocimientos sobre los datos humanos de los diferentes países del mundo, de ese modo los mejores jugadores serán los que tengan más conocimientos de estos datos. El juego permite jugar partidas en solitario utilizando jugadores manejados por la CPU, o multijugador mediante WIFI o 3G. La actualización de la información y de los datos de las partidas se realiza a través de la comunicación con un servidor web ya implementado de forma complementaria a la realización de este proyecto. El sistema ha sido integrado y validado satisfactoriamente con diferentes terminales móviles y usuarios de diferente perfil de edad y uso. El videojuego se puede descargar de la página web creada en un proyecto complementario a éste (pendiente de publicación web), y ya se encuentra también disponible en Google Play. https://play.google.com/store/apps/details?id=xnetcom.pro.cartas&hl=es_419 ABSTRACT. This Project End of Career (PFC) takes as an aim the analysis, design and implementation of a multiplayer mobile videogame, with an educational approach, for the awareness on the Human Development Index (HDI). The resultant system has been developed for the Platform Android, using the AndEngine Framework, which uses hardware acceleration of the GPU to ensure a good performance on low-end terminals, so that it can be used in a wide range of mobile handsets available in the market. The application is presented as a card game with the different countries and his humanitarian information, the players must know the weight of the indexes of development (life expectancy, revenue, education) of the countries in comparison with the countries of other players. The game system rewards players with more knowledge on human information of different countries, thus the best players will be those with more knowledge of these information. The game allows to play items in solitarily using players handled by the CPU, or multiplayer by means of WIFI or 3G. The update of the information and data of the online games is done through communication with a web server implemented as a complement to the realization of this project. The system has been built and successfully validated with different mobile terminals and users of different age and usage profile. The game can be downloaded from the website created in a complementary project to this (web publication pending), and is now also available on Google Play https://play.google.com/store/apps/details?id=xnetcom.pro.cartas&hl=es_419