Hardening digital systems with distributed functionality: robust networks

Collaborative hardening and hardware redundancy are nowadays the most interesting solutions in terms of fault tolerance achieved and low extra cost imposed to the project budget. Thanks to the powerful and cheap digital devices that are available in the market, extra processing capabilities can be used for redundant tasks, not only in early data processing (sensed data) but also in routing and interfacing1

Route-back delivery protocol for collection tree protocol-based applications

We propose the Route-back Delivery (RBD) protocol; a routing mechanism to create reverse routes exploiting the Collection Tree Protocol to allow unicast data dissemination from the sink. The main goal of this work is to provide a mechanism to enable bi-directional communications among the root(s) and specific sensor nodes in data gathering applications that does not use broadcast only mechanisms. The main objective of the root-to-remote-nodes route creation is to disseminate short messages to change application parameters in a unicast fashion. This facilitates remote configurability in heterogeneous WSN deployments.

Quantum metropolitan optical network based on wavelength division multiplexing

Quantum Key Distribution (QKD) is maturing quickly. However, the current approaches to its application in optical networks make it an expensive technology. QKD networks deployed to date are designed as a collection of point-to-point, dedicated QKD links where non-neighboring nodes communicate using the trusted repeater paradigm. We propose a novel optical network model in which QKD systems share the communication infrastructure by wavelength multiplexing their quantum and classical signals. The routing is done using optical components within a metropolitan area which allows for a dynamically any-to-any communication scheme. Moreover, it resembles a commercial telecom network, takes advantage of existing infrastructure and utilizes commercial components, allowing for an easy, cost-effective and reliable deployment.

Creación y automatización de laboratorios configurables CCNA Cisco para la realización de prácticas de networking

El presente trabajo está enfocado a facilitar la realización de prácticas con equipamiento de laboratorio físico, permitiendo que se tenga acceso a diferentes escenarios virtuales (topologías de ejercicios) sin necesidad de variar la configuración física (conexionado) de dos kits de laboratorio oficial para CCNA Routing & Switching[1] y CCNA Security[2]. Para ello se plantea la creación de diferentes escenarios o topologías virtuales que puedan montarse sobre el mismo escenario de conexionado físico. Es necesario revisar y seleccionar los ejercicios prácticos más destacados en términos de importancia de las curriculas de CCNA Routing & Switching y CCNA Security. Naturalmente, estos ejercicios han de variar en sus interfaces, nomenclatura y documentación para que cuadren con las especificaciones disponibles del laboratorio físico, todo ello sin perder nada de su fundamento. Los escenarios físicos deben de ser lo más versátiles posibles para dar soporte a las topologías requeridas en los ejercicios prácticos de los cursos oficiales de CISCO CCNA Routing & Switching y CCNA Security, con el objetivo de realizar los mínimos cambios de configuración física posibles, y poder simultanear la realización de diferentes prácticas y entre alumnos de diferentes asignaturas. También se pretende posibilitar que los profesores desarrollen sus propios ejercicios prácticos compatibles con el conexionado físico escogido. Para ello se utilizará un servidor de acceso (Access Server) para que los alumnos puedan configurar de forma remota los diferentes equipos sin necesidad de acudir en persona al laboratorio, aunque esta también sea una opción más que viable. Los dos escenarios contarán con tres routers, tres switches y un firewall, de forma que han sido montados en su respectivo armario, al igual que sus conexiones y cableado. La deshabilitación de puertos en los diferentes equipos de red que forman el kit de laboratorio (routers, switches y firewalls) dará lugar a los diferentes escenarios virtuales. Se crearán VLANs en los switches para establecer diferentes conexiones. Estos escenarios deberán ofrecer la variedad necesaria para realizar las diferentes prácticas necesarias en las asignaturas “Tecnologías de Red CISCO: CCNA” [3], “Redes y Comunicaciones” [4] y “Diseño y Seguridad de Redes” [5]. Además, para facilitar y agilizar el cambio entre topologías, se debe automatizar la configuración básica de cada escenario virtual (activación/desactivación de puertos) en base a la topología deseada, y el establecimiento de una configuración inicial. De forma que los alumnos puedan comenzar los ejercicios de igual forma a lo que ven en los documentos explicativos, y en el caso de terminar su sesión (o cerrarla voluntariamente) que sus progresos en el mismo se guarden para posteriores sesiones de forma que puedan proseguir su tarea cuando deseen.---ABSTRACT---The present work is aimed at facilitating the experiments with equipment Physical Laboratory, allowing access to different virtual scenarios (topologies exercises) without changing the physical configuration (connection) with two kits of official laboratory for CCNA Routing & Switching[1] and CCNA Security[2]. This requires the creation of different scenarios or virtual topologies that can be mounted on the same physical connection scenario arises. It is necessary to review and select the most prominent practical exercises in terms of importance of curricula of CCNA Routing and Switching, and CCNA Security. Naturally, these exercises must vary in their interfaces, nomenclature and documentation available that fit the specifications of the physical laboratory, all without losing any of its foundation. The physical setting should be as versatile as possible to support topologies required in the practical exercises of official courses CISCO Routing and Switching CCNA, and CCNA Security, in order to make the minimum possible changes in physical configuration, and can simultaneous realization of different practices, and between students of different subjects. It also aims to enable teachers to develop their own practical exercises compatible with the physical connection chosen. For this, we will use an Access Server will be used by the students to access remotely to configure different computers without having to go in person to the laboratory, but this is also an other viable option. The two scenarios have three routers, three switches and a firewall, so that have been mounted in their respective rack, as well as their connections and wiring. Disabling ports on different network equipment that make up the lab kit (routers, switches and firewalls) will lead to different virtual scenarios. These scenarios should provide the variety needed to perform the necessary practices in different subjects "Network Technologies CISCO: CCNA"[3], "Networking and Communications"[4] and "Design and Network Security." [5] Moreover, to facilitate and expedite the exchange topologies, it was necessary to automate the basic configuration of each virtual setting (on/off ports) based on the desired topology, and the establishment of an initial configuration. So that, the students can begin the exercises equally to what they see on explanatory documents, and if they finish their session (or close voluntarily) their progress on the exercise will be saved for future sessions so that they can continue their work when they want.

Flood frequency analysis by a bivariate model based on copulas

La adecuada estimación de avenidas de diseño asociadas a altos periodos de retorno es necesaria para el diseño y gestión de estructuras hidráulicas como presas. En la práctica, la estimación de estos cuantiles se realiza normalmente a través de análisis de frecuencia univariados, basados en su mayoría en el estudio de caudales punta. Sin embargo, la naturaleza de las avenidas es multivariada, siendo esencial tener en cuenta características representativas de las avenidas, tales como caudal punta, volumen y duración del hidrograma, con el fin de llevar a cabo un análisis apropiado; especialmente cuando el caudal de entrada se transforma en un caudal de salida diferente durante el proceso de laminación en un embalse o llanura de inundación. Los análisis de frecuencia de avenidas multivariados han sido tradicionalmente llevados a cabo mediante el uso de distribuciones bivariadas estándar con el fin de modelar variables correlacionadas. Sin embargo, su uso conlleva limitaciones como la necesidad de usar el mismo tipo de distribuciones marginales para todas las variables y la existencia de una relación de dependencia lineal entre ellas. Recientemente, el uso de cópulas se ha extendido en hidrología debido a sus beneficios en relación al contexto multivariado, permitiendo superar los inconvenientes de las técnicas tradicionales. Una copula es una función que representa la estructura de dependencia de las variables de estudio, y permite obtener la distribución de frecuencia multivariada de dichas variables mediante sus distribuciones marginales, sin importar el tipo de distribución marginal utilizada. La estimación de periodos de retorno multivariados, y por lo tanto, de cuantiles multivariados, también se facilita debido a la manera en la que las cópulas están formuladas. La presente tesis doctoral busca proporcionar metodologías que mejoren las técnicas tradicionales usadas por profesionales para estimar cuantiles de avenida más adecuados para el diseño y la gestión de presas, así como para la evaluación del riesgo de avenida, mediante análisis de frecuencia de avenidas bivariados basados en cópulas. Las variables consideradas para ello son el caudal punta y el volumen del hidrograma. Con el objetivo de llevar a cabo un estudio completo, la presente investigación abarca: (i) el análisis de frecuencia de avenidas local bivariado centrado en examinar y comparar los periodos de retorno teóricos basados en la probabilidad natural de ocurrencia de una avenida, con el periodo de retorno asociado al riesgo de sobrevertido de la presa bajo análisis, con el fin de proporcionar cuantiles en una estación de aforo determinada; (ii) la extensión del enfoque local al regional, proporcionando un procedimiento completo para llevar a cabo un análisis de frecuencia de avenidas regional bivariado para proporcionar cuantiles en estaciones sin aforar o para mejorar la estimación de dichos cuantiles en estaciones aforadas; (iii) el uso de cópulas para investigar tendencias bivariadas en avenidas debido al aumento de los niveles de urbanización en una cuenca; y (iv) la extensión de series de avenida observadas mediante la combinación de los beneficios de un modelo basado en cópulas y de un modelo hidrometeorológico. Accurate design flood estimates associated with high return periods are necessary to design and manage hydraulic structures such as dams. In practice, the estimate of such quantiles is usually done via univariate flood frequency analyses, mostly based on the study of peak flows. Nevertheless, the nature of floods is multivariate, being essential to consider representative flood characteristics, such as flood peak, hydrograph volume and hydrograph duration to carry out an appropriate analysis; especially when the inflow peak is transformed into a different outflow peak during the routing process in a reservoir or floodplain. Multivariate flood frequency analyses have been traditionally performed by using standard bivariate distributions to model correlated variables, yet they entail some shortcomings such as the need of using the same kind of marginal distribution for all variables and the assumption of a linear dependence relation between them. Recently, the use of copulas has been extended in hydrology because of their benefits regarding dealing with the multivariate context, as they overcome the drawbacks of the traditional approach. A copula is a function that represents the dependence structure of the studied variables, and allows obtaining the multivariate frequency distribution of them by using their marginal distributions, regardless of the kind of marginal distributions considered. The estimate of multivariate return periods, and therefore multivariate quantiles, is also facilitated by the way in which copulas are formulated. The present doctoral thesis seeks to provide methodologies that improve traditional techniques used by practitioners, in order to estimate more appropriate flood quantiles for dam design, dam management and flood risk assessment, through bivariate flood frequency analyses based on the copula approach. The flood variables considered for that goal are peak flow and hydrograph volume. In order to accomplish a complete study, the present research addresses: (i) a bivariate local flood frequency analysis focused on examining and comparing theoretical return periods based on the natural probability of occurrence of a flood, with the return period associated with the risk of dam overtopping, to estimate quantiles at a given gauged site; (ii) the extension of the local to the regional approach, supplying a complete procedure for performing a bivariate regional flood frequency analysis to either estimate quantiles at ungauged sites or improve at-site estimates at gauged sites; (iii) the use of copulas to investigate bivariate flood trends due to increasing urbanisation levels in a catchment; and (iv) the extension of observed flood series by combining the benefits of a copula-based model and a hydro-meteorological model.

Fault management techniques for systems with SRAM-based FPGAs

Las Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) SRAM se construyen sobre una memoria de configuración de tecnología RAM Estática (SRAM). Presentan múltiples características que las hacen muy interesantes para diseñar sistemas empotrados complejos. En primer lugar presentan un coste no-recurrente de ingeniería (NRE) bajo, ya que los elementos lógicos y de enrutado están pre-implementados (el diseño de usuario define su conexionado). También, a diferencia de otras tecnologías de FPGA, pueden ser reconfiguradas (incluso en campo) un número ilimitado de veces. Es más, las FPGAs SRAM de Xilinx soportan Reconfiguración Parcial Dinámica (DPR), la cual permite reconfigurar la FPGA sin interrumpir la aplicación. Finalmente, presentan una alta densidad de lógica, una alta capacidad de procesamiento y un rico juego de macro-bloques. Sin embargo, un inconveniente de esta tecnología es su susceptibilidad a la radiación ionizante, la cual aumenta con el grado de integración (geometrías más pequeñas, menores tensiones y mayores frecuencias). Esta es una precupación de primer nivel para aplicaciones en entornos altamente radiativos y con requisitos de alta confiabilidad. Este fenómeno conlleva una degradación a largo plazo y también puede inducir fallos instantáneos, los cuales pueden ser reversibles o producir daños irreversibles. En las FPGAs SRAM, los fallos inducidos por radiación pueden aparecer en en dos capas de arquitectura diferentes, que están físicamente superpuestas en el dado de silicio. La Capa de Aplicación (o A-Layer) contiene el hardware definido por el usuario, y la Capa de Configuración contiene la memoria de configuración y la circuitería de soporte. Los fallos en cualquiera de estas capas pueden hacer fracasar el sistema, lo cual puede ser ás o menos tolerable dependiendo de los requisitos de confiabilidad del sistema. En el caso general, estos fallos deben gestionados de alguna manera. Esta tesis trata sobre la gestión de fallos en FPGAs SRAM a nivel de sistema, en el contexto de sistemas empotrados autónomos y confiables operando en un entorno radiativo. La tesis se centra principalmente en aplicaciones espaciales, pero los mismos principios pueden aplicarse a aplicaciones terrenas. Las principales diferencias entre ambas son el nivel de radiación y la posibilidad de mantenimiento. Las diferentes técnicas para la gestión de fallos en A-Layer y C-Layer son clasificados, y sus implicaciones en la confiabilidad del sistema son analizados. Se proponen varias arquitecturas tanto para Gestores de Fallos de una capa como de doble-capa. Para estos últimos se propone una arquitectura novedosa, flexible y versátil. Gestiona las dos capas concurrentemente de manera coordinada, y permite equilibrar el nivel de redundancia y la confiabilidad. Con el objeto de validar técnicas de gestión de fallos dinámicas, se desarrollan dos diferentes soluciones. La primera es un entorno de simulación para Gestores de Fallos de C-Layer, basado en SystemC como lenguaje de modelado y como simulador basado en eventos. Este entorno y su metodología asociada permite explorar el espacio de diseño del Gestor de Fallos, desacoplando su diseño del desarrollo de la FPGA objetivo. El entorno incluye modelos tanto para la C-Layer de la FPGA como para el Gestor de Fallos, los cuales pueden interactuar a diferentes niveles de abstracción (a nivel de configuration frames y a nivel físico JTAG o SelectMAP). El entorno es configurable, escalable y versátil, e incluye capacidades de inyección de fallos. Los resultados de simulación para algunos escenarios son presentados y comentados. La segunda es una plataforma de validación para Gestores de Fallos de FPGAs Xilinx Virtex. La plataforma hardware aloja tres Módulos de FPGA Xilinx Virtex-4 FX12 y dos Módulos de Unidad de Microcontrolador (MCUs) de 32-bits de propósito general. Los Módulos MCU permiten prototipar Gestores de Fallos de C-Layer y A-Layer basados en software. Cada Módulo FPGA implementa un enlace de A-Layer Ethernet (a través de un switch Ethernet) con uno de los Módulos MCU, y un enlace de C-Layer JTAG con el otro. Además, ambos Módulos MCU intercambian comandos y datos a través de un enlace interno tipo UART. Al igual que para el entorno de simulación, se incluyen capacidades de inyección de fallos. Los resultados de pruebas para algunos escenarios son también presentados y comentados. En resumen, esta tesis cubre el proceso completo desde la descripción de los fallos FPGAs SRAM inducidos por radiación, pasando por la identificación y clasificación de técnicas de gestión de fallos, y por la propuesta de arquitecturas de Gestores de Fallos, para finalmente validarlas por simulación y pruebas. El trabajo futuro está relacionado sobre todo con la implementación de Gestores de Fallos de Sistema endurecidos para radiación. ABSTRACT SRAM-based Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are built on Static RAM (SRAM) technology configuration memory. They present a number of features that make them very convenient for building complex embedded systems. First of all, they benefit from low Non-Recurrent Engineering (NRE) costs, as the logic and routing elements are pre-implemented (user design defines their connection). Also, as opposed to other FPGA technologies, they can be reconfigured (even in the field) an unlimited number of times. Moreover, Xilinx SRAM-based FPGAs feature Dynamic Partial Reconfiguration (DPR), which allows to partially reconfigure the FPGA without disrupting de application. Finally, they feature a high logic density, high processing capability and a rich set of hard macros. However, one limitation of this technology is its susceptibility to ionizing radiation, which increases with technology scaling (smaller geometries, lower voltages and higher frequencies). This is a first order concern for applications in harsh radiation environments and requiring high dependability. Ionizing radiation leads to long term degradation as well as instantaneous faults, which can in turn be reversible or produce irreversible damage. In SRAM-based FPGAs, radiation-induced faults can appear at two architectural layers, which are physically overlaid on the silicon die. The Application Layer (or A-Layer) contains the user-defined hardware, and the Configuration Layer (or C-Layer) contains the (volatile) configuration memory and its support circuitry. Faults at either layers can imply a system failure, which may be more ore less tolerated depending on the dependability requirements. In the general case, such faults must be managed in some way. This thesis is about managing SRAM-based FPGA faults at system level, in the context of autonomous and dependable embedded systems operating in a radiative environment. The focus is mainly on space applications, but the same principles can be applied to ground applications. The main differences between them are the radiation level and the possibility for maintenance. The different techniques for A-Layer and C-Layer fault management are classified and their implications in system dependability are assessed. Several architectures are proposed, both for single-layer and dual-layer Fault Managers. For the latter, a novel, flexible and versatile architecture is proposed. It manages both layers concurrently in a coordinated way, and allows balancing redundancy level and dependability. For the purpose of validating dynamic fault management techniques, two different solutions are developed. The first one is a simulation framework for C-Layer Fault Managers, based on SystemC as modeling language and event-driven simulator. This framework and its associated methodology allows exploring the Fault Manager design space, decoupling its design from the target FPGA development. The framework includes models for both the FPGA C-Layer and for the Fault Manager, which can interact at different abstraction levels (at configuration frame level and at JTAG or SelectMAP physical level). The framework is configurable, scalable and versatile, and includes fault injection capabilities. Simulation results for some scenarios are presented and discussed. The second one is a validation platform for Xilinx Virtex FPGA Fault Managers. The platform hosts three Xilinx Virtex-4 FX12 FPGA Modules and two general-purpose 32-bit Microcontroller Unit (MCU) Modules. The MCU Modules allow prototyping software-based CLayer and A-Layer Fault Managers. Each FPGA Module implements one A-Layer Ethernet link (through an Ethernet switch) with one of the MCU Modules, and one C-Layer JTAG link with the other. In addition, both MCU Modules exchange commands and data over an internal UART link. Similarly to the simulation framework, fault injection capabilities are implemented. Test results for some scenarios are also presented and discussed. In summary, this thesis covers the whole process from describing the problem of radiationinduced faults in SRAM-based FPGAs, then identifying and classifying fault management techniques, then proposing Fault Manager architectures and finally validating them by simulation and test. The proposed future work is mainly related to the implementation of radiation-hardened System Fault Managers.

New QR Survey Methodologies to Analyze User Perception of Service Quality in Public Transport: The Experience of Madrid

Customer Satisfaction Surveys (CSS) have become an important tool for public transport planners, as improvements in the perceived quality of service lead to greater use of public transport and lower traffic pollution. Until now, Intelligent Transportation System (ITS) enhancements in public transport have traditionally included fleet management systems based on Automatic Vehicle Location (AVL) technologies, which can be used to optimize routing and scheduling, and to feed real-time information into passenger information channels. However, surveys of public transport users could also benefit from the new information technologies. As most customers carry their smartphones when traveling, Quick Response (QR) codes open up the possibility of conducting these surveys at a lower cost.This paper contributes to the limited existing literature by developing the analysis of QR codes applied to CSS in public transport and highlighting their importance in reducing the cost of data collection and processing. The added value of this research is that it provides the first assessment of a real case study in Madrid (Spain) using QR codes for this purpose. This pilot experience was part of a research project analyzing bus service quality in the same case study, so the QR code survey (155 valid questionnaires) was validated using a conventional face-to-face survey (520 valid questionnaires). The results show clearly that, after overcoming a few teething troubles, this QR code application will ultimately provide transport management with a useful tool to reduce survey costs

Ypres rally network

Along of this document the reader could find a suitable network design and solution for the Rally Championship of Ypres meeting all the requirements set by the organization of the rally. These requirements have brought many problems in accordance with the network standards, because the area where the boxes are located is pretty large nevertheless technologies to solve those problems are detailed in the project. It has been included different designs in the project, each one of them based on distinct characteristic as they could be efficient, performance… , and the most important, since the organization of the rally is non-profit , the budget. Nevertheless we didn’t dismiss the use of long-lasting devices, as CISCO devices, despite their price. Furthermore a configuration of routing/switching devices has been explained for those who will be commanded to implement this solution. This solution is design to supply internet access as well as video streaming to all boxes for what teams can follow the championship in live time. The maximum connection of internet service provider (ISP) is 160Mbps, this bandwidth has to be distributed for the boxes dynamically. Finally to ensure the network works out it has to be monitored, this is reachable by using network analysis tools which in this project Wireshark has been chosen. RESUMEN. A lo largo de este documento, el lector encontrara un posible diseño y una posible solución para la red local del circuito de Rally celebrado en Ypres, cumpliendo con todos los requisitos y especificaciones establecidos por la organización. Estos requisitos han causado problemas de conformidad con los estándares de la red, debido a que la zona donde se encuentran los Boxes de los equipos es bastante larga, sin embargo las tecnologías para resolver esos problemas se detallan en este proyecto. Se han incluido diferentes diseños, cada uno de ellos centrado en aspectos diferentes así como la eficacia, el rendimiento, el presupuesto, etc... Esta solución está diseñada para suministrar acceso a Internet, así como la transmisión dinámica de video a todos los equipos para que puedan seguir la competición en tiempo real. Finalmente para controlar y asegurar que la red funciona, será monitorizada mediante herramientas de análisis de redes (Wireshark).

Metodología para la gestión integral de las presas de laminación de avenidas y su aplicación a la cuenca hidrográfica del Segura

En el levante español se producen periódicamente intensos aguaceros (gota fría), que generan grandes riadas, desbordándose los cauces y asolando los campos y las ciudades, ocasionando graves daños en la economía local y con frecuencia, por desgracia, víctimas personales. La Confederación Hidrográfica del Segura ha puesto en marcha un vasto sistema de protección, conocido como Plan de Defensa contra Avenidas, del que ya se encuentran en explotación un conjunto de presas cuyo objetivo prioritario es la laminación de las avenidas. Las presas de laminación ubicadas en esta área mediterránea son estructuras muy singulares, al estar ubicadas en cuencas extremadamente secas, con alta pendiente, rápida respuesta, picos altos de caudal, y gran poder erosivo del flujo. Las aguas arrastran en suspensión un alto porcentaje de aporte sólido y flotantes, que quedan retenidos en el embalse, aterrándolo e inutilizando los desagües. En esta tesis doctoral se analizan los criterios de actuación para la gestión de estas presas de laminación, con objeto de que se puedan introducir en las Normas de Explotación innovaciones destinadas a mejorar la eficiencia del conjunto, de manera que se consiga la máxima protección posible y al mismo tiempo se puedan aprovechar las aguas, sin menoscabo de su objetivo prioritario, para otros fines complementarios. Como consecuencia del trabajo realizado se indica la conveniencia de establecer un conjunto de normas de actuación comunes a todas las presas del sistema, como es la estrategia de recibir siempre a los hidrogramas de la riada con las compuertas de los desagües de fondo cerrados, o la conveniencia de que en todas las presas se dispongan compuertas en estos órganos. También se dictan recomendaciones en la gestión del vaciado, para conseguir el máximo aprovechamiento del agua, introduciendo el concepto innovador de los trasvases virtuales. Asimismo, se analiza la conveniencia de fijar normas diferenciales específicas atendiendo a las peculiaridades de cada presa, en cuanto se refiere al nivel máximo de explotación, al cumplimiento de los condicionantes ambientales, al mantenimiento de la calidad del agua, y a otros aspectos singulares que caracterizan a cada uno de estos embalses. The Spanish Mediterranean region hydrology is characterised by low rainfall, but concentrated in extreme convective events. Those heavy rains and storms lead to large, flash-floods which cause devastation of fields, villages and, unfortunately, loss of lives. Segura River Basin Authority has developed an ambitious plan for flood protection and control that is constituted by a system of flood protection dams, river channelling, river diversions diversions and levees. Flood protection dams placed on this area, are distinct structures, as they are located on extremely dry basins, with high slopes and limited vegetal covering. These facts, along with the very high rainfall intensity, are determinants of a rapid response and a very erosive flow. The flow transports a large rate of solids in suspension, and also debris, which many times block and clog the outlets intakes, disabling them. In such a case, the dam would be inoperative, in an emergency state and remedial measures should be taken. This PhD thesis analyses the flood protection dams operation criteria, for providing managers a methodology to analyse each individual case and also the flood protection system as a whole. Additionally practical rules and recommendations, to cope with the objectives of dam safety, flood protection and water resources use, are given. The rules consider the specific differences and risks that may be faced by the dams. To that end, they were grouped, depending on their characteristics: allowance for permanent water storage, environmental restrictions, water quality, geotechnical problems, type of structure, etc. As a result of this research, it is recommended to design these dams with valves for regulating the bottom outlets. The availability of valves is linked with the routing strategy of receiving flood with the outlets closed. This has been shown as the best measure to prevent clogging and opens the possibility of storing temporarily the water, making then a scheduled emptying of the reservoir, which could be computed as a virtual transfer to the regulating dams. Emptying should be done in accordance with the situation of the other dams of the system and of the rivers downstream. This detention time would make possible also the beginning of the sedimentation process which is necessary for using the water with the modern irrigation systems that are in use in this area.

Análisis del efecto laminador del cauce utilizando modelos fluviales bidimensionales

El método de Muskingum-Cunge, con más de 45 años de historia, sigue siendo uno de los más empleados a la hora de calcular el tránsito en un cauce. Una vez calibrado, permite realizar cálculos precisos, siendo asimismo mucho más rápido que los métodos que consideran las ecuaciones completas. Por esta razón, en el presente trabajo de investigación se llevó a cabo un análisis de su precisión, comparándolo con los resultados de un modelo hidráulico bidimensional. En paralelo se llevó a cabo un análisis de sus limitaciones y se ensayó una metodología práctica de aplicación. Con esta motivación se llevaron a cabo más de 200 simulaciones de tránsito en cauces prismáticos y naturales. Los cálculos se realizaron empleando el programa HEC-HMS con el método de Muskingum-Cunge de sección de 8 puntos, así como con la herramienta de cálculo hidráulico bidimensional InfoWorks ICM. Se eligieron HEC-HMS por su gran difusión e InfoWorks ICM por su rapidez de cálculo, pues emplea la tecnología CUDA (Arquitectura Unificada de Dispositivos de Cálculo). Inicialmente se validó el modelo hidráulico bidimensional contrastándolo con la formulación unidimensional en régimen uniforme y variado, así como con fórmulas analíticas de régimen variable, consiguiéndose resultados muy satisfactorios. También se llevó a cabo un análisis de la sensibilidad al mallado del modelo bidimensional aplicado a tránsitos, obteniéndose unos ábacos con tamaños recomendados de los elementos 2D que cuantifican el error cometido. Con la técnica del análisis dimensional se revisó una correlación de los resultados obtenidos entre ambos métodos, ponderando su precisión y definiendo intervalos de validez para la mejor utilización del método de Muskingum-Cunge. Simultáneamente se desarrolló una metodología que permite obtener la sección característica media de 8 puntos para el cálculo de un tránsito, basándose en una serie de simulaciones bidimensionales simplificadas. De este modo se pretende facilitar el uso y la correcta definición de los modelos hidrológicos. The Muskingum-Cunge methodology, which has been used for more 45 than years, is still one of the main procedures to calculate stream routing. Once calibrated, it gives precise results, and it is also much faster than other methods that consider the full hydraulic equations. Therefore, in the present investigation an analysis of its accuracy was carried out by comparing it with the results of a two-dimensional hydraulic model. At the same time, reasonable ranges of applicability as well as an iterative method for its adequate use were defined. With this motivation more than 200 simulations of stream routing were conducted in both synthetic and natural waterways. Calculations were performed with the aid of HEC-HMS choosing the Muskingum-Cunge 8 point cross-section method and in InfoWorks ICM, a two-dimensional hydraulic calculation software. HEC-HMS was chosen because its extensive use and InfoWorks ICM for its calculation speed as it takes advantage of the CUDA technology (Compute Unified Device Architecture). Initially, the two-dimensional hydraulic engine was compared to one-dimensional formulation in both uniform and varied flow. Then it was contrasted to variable flow analytical formulae, achieving most satisfactory results. A sensitivity size analysis of the two-dimensional rooting model mesh was also conduced, obtaining charts with suggested 2D element sizes to narrow the committed error. With the technique of dimensional analysis a correlation of results between the two methods was reviewed, assessing their accuracy and defining valid intervals for improved use of the Muskingum-Cunge method. Simultaneously, a methodology to draw a representative 8 point cross-section was developed, based on a sequence of simplified two-dimensional simulations. This procedure is intended to provide a simplified approach and accurate definition of hydrological models.

Parametric and structural self-adaptation of embedded systems using evolvable hardware

Los sistemas empotrados han sido concebidos tradicionalmente como sistemas de procesamiento específicos que realizan una tarea fija durante toda su vida útil. Para cumplir con requisitos estrictos de coste, tamaño y peso, el equipo de diseño debe optimizar su funcionamiento para condiciones muy específicas. Sin embargo, la demanda de mayor versatilidad, un funcionamiento más inteligente y, en definitiva, una mayor capacidad de procesamiento comenzaron a chocar con estas limitaciones, agravado por la incertidumbre asociada a entornos de operación cada vez más dinámicos donde comenzaban a ser desplegados progresivamente. Esto trajo como resultado una necesidad creciente de que los sistemas pudieran responder por si solos a eventos inesperados en tiempo diseño tales como: cambios en las características de los datos de entrada y el entorno del sistema en general; cambios en la propia plataforma de cómputo, por ejemplo debido a fallos o defectos de fabricación; y cambios en las propias especificaciones funcionales causados por unos objetivos del sistema dinámicos y cambiantes. Como consecuencia, la complejidad del sistema aumenta, pero a cambio se habilita progresivamente una capacidad de adaptación autónoma sin intervención humana a lo largo de la vida útil, permitiendo que tomen sus propias decisiones en tiempo de ejecución. Éstos sistemas se conocen, en general, como sistemas auto-adaptativos y tienen, entre otras características, las de auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación. Típicamente, la parte soft de un sistema es mayoritariamente la única utilizada para proporcionar algunas capacidades de adaptación a un sistema. Sin embargo, la proporción rendimiento/potencia en dispositivos software como microprocesadores en muchas ocasiones no es adecuada para sistemas empotrados. En este escenario, el aumento resultante en la complejidad de las aplicaciones está siendo abordado parcialmente mediante un aumento en la complejidad de los dispositivos en forma de multi/many-cores; pero desafortunadamente, esto hace que el consumo de potencia también aumente. Además, la mejora en metodologías de diseño no ha sido acorde como para poder utilizar toda la capacidad de cómputo disponible proporcionada por los núcleos. Por todo ello, no se están satisfaciendo adecuadamente las demandas de cómputo que imponen las nuevas aplicaciones. La solución tradicional para mejorar la proporción rendimiento/potencia ha sido el cambio a unas especificaciones hardware, principalmente usando ASICs. Sin embargo, los costes de un ASIC son altamente prohibitivos excepto en algunos casos de producción en masa y además la naturaleza estática de su estructura complica la solución a las necesidades de adaptación. Los avances en tecnologías de fabricación han hecho que la FPGA, una vez lenta y pequeña, usada como glue logic en sistemas mayores, haya crecido hasta convertirse en un dispositivo de cómputo reconfigurable de gran potencia, con una cantidad enorme de recursos lógicos computacionales y cores hardware empotrados de procesamiento de señal y de propósito general. Sus capacidades de reconfiguración han permitido combinar la flexibilidad propia del software con el rendimiento del procesamiento en hardware, lo que tiene la potencialidad de provocar un cambio de paradigma en arquitectura de computadores, pues el hardware no puede ya ser considerado más como estático. El motivo es que como en el caso de las FPGAs basadas en tecnología SRAM, la reconfiguración parcial dinámica (DPR, Dynamic Partial Reconfiguration) es posible. Esto significa que se puede modificar (reconfigurar) un subconjunto de los recursos computacionales en tiempo de ejecución mientras el resto permanecen activos. Además, este proceso de reconfiguración puede ser ejecutado internamente por el propio dispositivo. El avance tecnológico en dispositivos hardware reconfigurables se encuentra recogido bajo el campo conocido como Computación Reconfigurable (RC, Reconfigurable Computing). Uno de los campos de aplicación más exóticos y menos convencionales que ha posibilitado la computación reconfigurable es el conocido como Hardware Evolutivo (EHW, Evolvable Hardware), en el cual se encuentra enmarcada esta tesis. La idea principal del concepto consiste en convertir hardware que es adaptable a través de reconfiguración en una entidad evolutiva sujeta a las fuerzas de un proceso evolutivo inspirado en el de las especies biológicas naturales, que guía la dirección del cambio. Es una aplicación más del campo de la Computación Evolutiva (EC, Evolutionary Computation), que comprende una serie de algoritmos de optimización global conocidos como Algoritmos Evolutivos (EA, Evolutionary Algorithms), y que son considerados como algoritmos universales de resolución de problemas. En analogía al proceso biológico de la evolución, en el hardware evolutivo el sujeto de la evolución es una población de circuitos que intenta adaptarse a su entorno mediante una adecuación progresiva generación tras generación. Los individuos pasan a ser configuraciones de circuitos en forma de bitstreams caracterizados por descripciones de circuitos reconfigurables. Seleccionando aquellos que se comportan mejor, es decir, que tienen una mejor adecuación (o fitness) después de ser evaluados, y usándolos como padres de la siguiente generación, el algoritmo evolutivo crea una nueva población hija usando operadores genéticos como la mutación y la recombinación. Según se van sucediendo generaciones, se espera que la población en conjunto se aproxime a la solución óptima al problema de encontrar una configuración del circuito adecuada que satisfaga las especificaciones. El estado de la tecnología de reconfiguración después de que la familia de FPGAs XC6200 de Xilinx fuera retirada y reemplazada por las familias Virtex a finales de los 90, supuso un gran obstáculo para el avance en hardware evolutivo; formatos de bitstream cerrados (no conocidos públicamente); dependencia de herramientas del fabricante con soporte limitado de DPR; una velocidad de reconfiguración lenta; y el hecho de que modificaciones aleatorias del bitstream pudieran resultar peligrosas para la integridad del dispositivo, son algunas de estas razones. Sin embargo, una propuesta a principios de los años 2000 permitió mantener la investigación en el campo mientras la tecnología de DPR continuaba madurando, el Circuito Virtual Reconfigurable (VRC, Virtual Reconfigurable Circuit). En esencia, un VRC en una FPGA es una capa virtual que actúa como un circuito reconfigurable de aplicación específica sobre la estructura nativa de la FPGA que reduce la complejidad del proceso reconfiguración y aumenta su velocidad (comparada con la reconfiguración nativa). Es un array de nodos computacionales especificados usando descripciones HDL estándar que define recursos reconfigurables ad-hoc: multiplexores de rutado y un conjunto de elementos de procesamiento configurables, cada uno de los cuales tiene implementadas todas las funciones requeridas, que pueden seleccionarse a través de multiplexores tal y como ocurre en una ALU de un microprocesador. Un registro grande actúa como memoria de configuración, por lo que la reconfiguración del VRC es muy rápida ya que tan sólo implica la escritura de este registro, el cual controla las señales de selección del conjunto de multiplexores. Sin embargo, esta capa virtual provoca: un incremento de área debido a la implementación simultánea de cada función en cada nodo del array más los multiplexores y un aumento del retardo debido a los multiplexores, reduciendo la frecuencia de funcionamiento máxima. La naturaleza del hardware evolutivo, capaz de optimizar su propio comportamiento computacional, le convierten en un buen candidato para avanzar en la investigación sobre sistemas auto-adaptativos. Combinar un sustrato de cómputo auto-reconfigurable capaz de ser modificado dinámicamente en tiempo de ejecución con un algoritmo empotrado que proporcione una dirección de cambio, puede ayudar a satisfacer los requisitos de adaptación autónoma de sistemas empotrados basados en FPGA. La propuesta principal de esta tesis está por tanto dirigida a contribuir a la auto-adaptación del hardware de procesamiento de sistemas empotrados basados en FPGA mediante hardware evolutivo. Esto se ha abordado considerando que el comportamiento computacional de un sistema puede ser modificado cambiando cualquiera de sus dos partes constitutivas: una estructura hard subyacente y un conjunto de parámetros soft. De esta distinción, se derivan dos lineas de trabajo. Por un lado, auto-adaptación paramétrica, y por otro auto-adaptación estructural. El objetivo perseguido en el caso de la auto-adaptación paramétrica es la implementación de técnicas de optimización evolutiva complejas en sistemas empotrados con recursos limitados para la adaptación paramétrica online de circuitos de procesamiento de señal. La aplicación seleccionada como prueba de concepto es la optimización para tipos muy específicos de imágenes de los coeficientes de los filtros de transformadas wavelet discretas (DWT, DiscreteWavelet Transform), orientada a la compresión de imágenes. Por tanto, el objetivo requerido de la evolución es una compresión adaptativa y más eficiente comparada con los procedimientos estándar. El principal reto radica en reducir la necesidad de recursos de supercomputación para el proceso de optimización propuesto en trabajos previos, de modo que se adecúe para la ejecución en sistemas empotrados. En cuanto a la auto-adaptación estructural, el objetivo de la tesis es la implementación de circuitos auto-adaptativos en sistemas evolutivos basados en FPGA mediante un uso eficiente de sus capacidades de reconfiguración nativas. En este caso, la prueba de concepto es la evolución de tareas de procesamiento de imagen tales como el filtrado de tipos desconocidos y cambiantes de ruido y la detección de bordes en la imagen. En general, el objetivo es la evolución en tiempo de ejecución de tareas de procesamiento de imagen desconocidas en tiempo de diseño (dentro de un cierto grado de complejidad). En este caso, el objetivo de la propuesta es la incorporación de DPR en EHW para evolucionar la arquitectura de un array sistólico adaptable mediante reconfiguración cuya capacidad de evolución no había sido estudiada previamente. Para conseguir los dos objetivos mencionados, esta tesis propone originalmente una plataforma evolutiva que integra un motor de adaptación (AE, Adaptation Engine), un motor de reconfiguración (RE, Reconfiguration Engine) y un motor computacional (CE, Computing Engine) adaptable. El el caso de adaptación paramétrica, la plataforma propuesta está caracterizada por: • un CE caracterizado por un núcleo de procesamiento hardware de DWT adaptable mediante registros reconfigurables que contienen los coeficientes de los filtros wavelet • un algoritmo evolutivo como AE que busca filtros wavelet candidatos a través de un proceso de optimización paramétrica desarrollado específicamente para sistemas caracterizados por recursos de procesamiento limitados • un nuevo operador de mutación simplificado para el algoritmo evolutivo utilizado, que junto con un mecanismo de evaluación rápida de filtros wavelet candidatos derivado de la literatura actual, asegura la viabilidad de la búsqueda evolutiva asociada a la adaptación de wavelets. En el caso de adaptación estructural, la plataforma propuesta toma la forma de: • un CE basado en una plantilla de array sistólico reconfigurable de 2 dimensiones compuesto de nodos de procesamiento reconfigurables • un algoritmo evolutivo como AE que busca configuraciones candidatas del array usando un conjunto de funcionalidades de procesamiento para los nodos disponible en una biblioteca accesible en tiempo de ejecución • un RE hardware que explota la capacidad de reconfiguración nativa de las FPGAs haciendo un uso eficiente de los recursos reconfigurables del dispositivo para cambiar el comportamiento del CE en tiempo de ejecución • una biblioteca de elementos de procesamiento reconfigurables caracterizada por bitstreams parciales independientes de la posición, usados como el conjunto de configuraciones disponibles para los nodos de procesamiento del array Las contribuciones principales de esta tesis se pueden resumir en la siguiente lista: • Una plataforma evolutiva basada en FPGA para la auto-adaptación paramétrica y estructural de sistemas empotrados compuesta por un motor computacional (CE), un motor de adaptación (AE) evolutivo y un motor de reconfiguración (RE). Esta plataforma se ha desarrollado y particularizado para los casos de auto-adaptación paramétrica y estructural. • En cuanto a la auto-adaptación paramétrica, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante registros que permite la adaptación paramétrica de los coeficientes de una implementación hardware adaptativa de un núcleo de DWT. – Un motor de adaptación basado en un algoritmo evolutivo desarrollado específicamente para optimización numérica, aplicada a los coeficientes de filtros wavelet en sistemas empotrados con recursos limitados. – Un núcleo IP de DWT auto-adaptativo en tiempo de ejecución para sistemas empotrados que permite la optimización online del rendimiento de la transformada para compresión de imágenes en entornos específicos de despliegue, caracterizados por tipos diferentes de señal de entrada. – Un modelo software y una implementación hardware de una herramienta para la construcción evolutiva automática de transformadas wavelet específicas. • Por último, en cuanto a la auto-adaptación estructural, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante reconfiguración nativa de FPGAs caracterizado por una plantilla de array sistólico en dos dimensiones de nodos de procesamiento reconfigurables. Es posible mapear diferentes tareas de cómputo en el array usando una biblioteca de elementos sencillos de procesamiento reconfigurables. – Definición de una biblioteca de elementos de procesamiento apropiada para la síntesis autónoma en tiempo de ejecución de diferentes tareas de procesamiento de imagen. – Incorporación eficiente de la reconfiguración parcial dinámica (DPR) en sistemas de hardware evolutivo, superando los principales inconvenientes de propuestas previas como los circuitos reconfigurables virtuales (VRCs). En este trabajo también se comparan originalmente los detalles de implementación de ambas propuestas. – Una plataforma tolerante a fallos, auto-curativa, que permite la recuperación funcional online en entornos peligrosos. La plataforma ha sido caracterizada desde una perspectiva de tolerancia a fallos: se proponen modelos de fallo a nivel de CLB y de elemento de procesamiento, y usando el motor de reconfiguración, se hace un análisis sistemático de fallos para un fallo en cada elemento de procesamiento y para dos fallos acumulados. – Una plataforma con calidad de filtrado dinámica que permite la adaptación online a tipos de ruido diferentes y diferentes comportamientos computacionales teniendo en cuenta los recursos de procesamiento disponibles. Por un lado, se evolucionan filtros con comportamientos no destructivos, que permiten esquemas de filtrado en cascada escalables; y por otro, también se evolucionan filtros escalables teniendo en cuenta requisitos computacionales de filtrado cambiantes dinámicamente. Este documento está organizado en cuatro partes y nueve capítulos. La primera parte contiene el capítulo 1, una introducción y motivación sobre este trabajo de tesis. A continuación, el marco de referencia en el que se enmarca esta tesis se analiza en la segunda parte: el capítulo 2 contiene una introducción a los conceptos de auto-adaptación y computación autonómica (autonomic computing) como un campo de investigación más general que el muy específico de este trabajo; el capítulo 3 introduce la computación evolutiva como la técnica para dirigir la adaptación; el capítulo 4 analiza las plataformas de computación reconfigurables como la tecnología para albergar hardware auto-adaptativo; y finalmente, el capítulo 5 define, clasifica y hace un sondeo del campo del hardware evolutivo. Seguidamente, la tercera parte de este trabajo contiene la propuesta, desarrollo y resultados obtenidos: mientras que el capítulo 6 contiene una declaración de los objetivos de la tesis y la descripción de la propuesta en su conjunto, los capítulos 7 y 8 abordan la auto-adaptación paramétrica y estructural, respectivamente. Finalmente, el capítulo 9 de la parte 4 concluye el trabajo y describe caminos de investigación futuros. ABSTRACT Embedded systems have traditionally been conceived to be specific-purpose computers with one, fixed computational task for their whole lifetime. Stringent requirements in terms of cost, size and weight forced designers to highly optimise their operation for very specific conditions. However, demands for versatility, more intelligent behaviour and, in summary, an increased computing capability began to clash with these limitations, intensified by the uncertainty associated to the more dynamic operating environments where they were progressively being deployed. This brought as a result an increasing need for systems to respond by themselves to unexpected events at design time, such as: changes in input data characteristics and system environment in general; changes in the computing platform itself, e.g., due to faults and fabrication defects; and changes in functional specifications caused by dynamically changing system objectives. As a consequence, systems complexity is increasing, but in turn, autonomous lifetime adaptation without human intervention is being progressively enabled, allowing them to take their own decisions at run-time. This type of systems is known, in general, as selfadaptive, and are able, among others, of self-configuration, self-optimisation and self-repair. Traditionally, the soft part of a system has mostly been so far the only place to provide systems with some degree of adaptation capabilities. However, the performance to power ratios of software driven devices like microprocessors are not adequate for embedded systems in many situations. In this scenario, the resulting rise in applications complexity is being partly addressed by rising devices complexity in the form of multi and many core devices; but sadly, this keeps on increasing power consumption. Besides, design methodologies have not been improved accordingly to completely leverage the available computational power from all these cores. Altogether, these factors make that the computing demands new applications pose are not being wholly satisfied. The traditional solution to improve performance to power ratios has been the switch to hardware driven specifications, mainly using ASICs. However, their costs are highly prohibitive except for some mass production cases and besidesthe static nature of its structure complicates the solution to the adaptation needs. The advancements in fabrication technologies have made that the once slow, small FPGA used as glue logic in bigger systems, had grown to be a very powerful, reconfigurable computing device with a vast amount of computational logic resources and embedded, hardened signal and general purpose processing cores. Its reconfiguration capabilities have enabled software-like flexibility to be combined with hardware-like computing performance, which has the potential to cause a paradigm shift in computer architecture since hardware cannot be considered as static anymore. This is so, since, as is the case with SRAMbased FPGAs, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is possible. This means that subsets of the FPGA computational resources can now be changed (reconfigured) at run-time while the rest remains active. Besides, this reconfiguration process can be triggered internally by the device itself. This technological boost in reconfigurable hardware devices is actually covered under the field known as Reconfigurable Computing. One of the most exotic fields of application that Reconfigurable Computing has enabled is the known as Evolvable Hardware (EHW), in which this dissertation is framed. The main idea behind the concept is turning hardware that is adaptable through reconfiguration into an evolvable entity subject to the forces of an evolutionary process, inspired by that of natural, biological species, that guides the direction of change. It is yet another application of the field of Evolutionary Computation (EC), which comprises a set of global optimisation algorithms known as Evolutionary Algorithms (EAs), considered as universal problem solvers. In analogy to the biological process of evolution, in EHW the subject of evolution is a population of circuits that tries to get adapted to its surrounding environment by progressively getting better fitted to it generation after generation. Individuals become circuit configurations representing bitstreams that feature reconfigurable circuit descriptions. By selecting those that behave better, i.e., with a higher fitness value after being evaluated, and using them as parents of the following generation, the EA creates a new offspring population by using so called genetic operators like mutation and recombination. As generations succeed one another, the whole population is expected to approach to the optimum solution to the problem of finding an adequate circuit configuration that fulfils system objectives. The state of reconfiguration technology after Xilinx XC6200 FPGA family was discontinued and replaced by Virtex families in the late 90s, was a major obstacle for advancements in EHW; closed (non publicly known) bitstream formats; dependence on manufacturer tools with highly limiting support of DPR; slow speed of reconfiguration; and random bitstream modifications being potentially hazardous for device integrity, are some of these reasons. However, a proposal in the first 2000s allowed to keep investigating in this field while DPR technology kept maturing, the Virtual Reconfigurable Circuit (VRC). In essence, a VRC in an FPGA is a virtual layer acting as an application specific reconfigurable circuit on top of an FPGA fabric that reduces the complexity of the reconfiguration process and increases its speed (compared to native reconfiguration). It is an array of computational nodes specified using standard HDL descriptions that define ad-hoc reconfigurable resources; routing multiplexers and a set of configurable processing elements, each one containing all the required functions, which are selectable through functionality multiplexers as in microprocessor ALUs. A large register acts as configuration memory, so VRC reconfiguration is very fast given it only involves writing this register, which drives the selection signals of the set of multiplexers. However, large overheads are introduced by this virtual layer; an area overhead due to the simultaneous implementation of every function in every node of the array plus the multiplexers, and a delay overhead due to the multiplexers, which also reduces maximum frequency of operation. The very nature of Evolvable Hardware, able to optimise its own computational behaviour, makes it a good candidate to advance research in self-adaptive systems. Combining a selfreconfigurable computing substrate able to be dynamically changed at run-time with an embedded algorithm that provides a direction for change, can help fulfilling requirements for autonomous lifetime adaptation of FPGA-based embedded systems. The main proposal of this thesis is hence directed to contribute to autonomous self-adaptation of the underlying computational hardware of FPGA-based embedded systems by means of Evolvable Hardware. This is tackled by considering that the computational behaviour of a system can be modified by changing any of its two constituent parts: an underlying hard structure and a set of soft parameters. Two main lines of work derive from this distinction. On one side, parametric self-adaptation and, on the other side, structural self-adaptation. The goal pursued in the case of parametric self-adaptation is the implementation of complex evolutionary optimisation techniques in resource constrained embedded systems for online parameter adaptation of signal processing circuits. The application selected as proof of concept is the optimisation of Discrete Wavelet Transforms (DWT) filters coefficients for very specific types of images, oriented to image compression. Hence, adaptive and improved compression efficiency, as compared to standard techniques, is the required goal of evolution. The main quest lies in reducing the supercomputing resources reported in previous works for the optimisation process in order to make it suitable for embedded systems. Regarding structural self-adaptation, the thesis goal is the implementation of self-adaptive circuits in FPGA-based evolvable systems through an efficient use of native reconfiguration capabilities. In this case, evolution of image processing tasks such as filtering of unknown and changing types of noise and edge detection are the selected proofs of concept. In general, evolving unknown image processing behaviours (within a certain complexity range) at design time is the required goal. In this case, the mission of the proposal is the incorporation of DPR in EHW to evolve a systolic array architecture adaptable through reconfiguration whose evolvability had not been previously checked. In order to achieve the two stated goals, this thesis originally proposes an evolvable platform that integrates an Adaptation Engine (AE), a Reconfiguration Engine (RE) and an adaptable Computing Engine (CE). In the case of parametric adaptation, the proposed platform is characterised by: • a CE featuring a DWT hardware processing core adaptable through reconfigurable registers that holds wavelet filters coefficients • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate wavelet filters through a parametric optimisation process specifically developed for systems featured by scarce computing resources • a new, simplified mutation operator for the selected EA, that together with a fast evaluation mechanism of candidate wavelet filters derived from existing literature, assures the feasibility of the evolutionary search involved in wavelets adaptation In the case of structural adaptation, the platform proposal takes the form of: • a CE based on a reconfigurable 2D systolic array template composed of reconfigurable processing nodes • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate configurations of the array using a set of computational functionalities for the nodes available in a run time accessible library • a hardware RE that exploits native DPR capabilities of FPGAs and makes an efficient use of the available reconfigurable resources of the device to change the behaviour of the CE at run time • a library of reconfigurable processing elements featured by position-independent partial bitstreams used as the set of available configurations for the processing nodes of the array Main contributions of this thesis can be summarised in the following list. • An FPGA-based evolvable platform for parametric and structural self-adaptation of embedded systems composed of a Computing Engine, an evolutionary Adaptation Engine and a Reconfiguration Engine. This platform is further developed and tailored for both parametric and structural self-adaptation. • Regarding parametric self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through reconfigurable registers that enables parametric adaptation of the coefficients of an adaptive hardware implementation of a DWT core. – An AE based on an Evolutionary Algorithm specifically developed for numerical optimisation applied to wavelet filter coefficients in resource constrained embedded systems. – A run-time self-adaptive DWT IP core for embedded systems that allows for online optimisation of transform performance for image compression for specific deployment environments characterised by different types of input signals. – A software model and hardware implementation of a tool for the automatic, evolutionary construction of custom wavelet transforms. • Lastly, regarding structural self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through native FPGA fabric reconfiguration featured by a two dimensional systolic array template of reconfigurable processing nodes. Different processing behaviours can be automatically mapped in the array by using a library of simple reconfigurable processing elements. – Definition of a library of such processing elements suited for autonomous runtime synthesis of different image processing tasks. – Efficient incorporation of DPR in EHW systems, overcoming main drawbacks from the previous approach of virtual reconfigurable circuits. Implementation details for both approaches are also originally compared in this work. – A fault tolerant, self-healing platform that enables online functional recovery in hazardous environments. The platform has been characterised from a fault tolerance perspective: fault models at FPGA CLB level and processing elements level are proposed, and using the RE, a systematic fault analysis for one fault in every processing element and for two accumulated faults is done. – A dynamic filtering quality platform that permits on-line adaptation to different types of noise and different computing behaviours considering the available computing resources. On one side, non-destructive filters are evolved, enabling scalable cascaded filtering schemes; and on the other, size-scalable filters are also evolved considering dynamically changing computational filtering requirements. This dissertation is organized in four parts and nine chapters. First part contains chapter 1, the introduction to and motivation of this PhD work. Following, the reference framework in which this dissertation is framed is analysed in the second part: chapter 2 features an introduction to the notions of self-adaptation and autonomic computing as a more general research field to the very specific one of this work; chapter 3 introduces evolutionary computation as the technique to drive adaptation; chapter 4 analyses platforms for reconfigurable computing as the technology to hold self-adaptive hardware; and finally chapter 5 defines, classifies and surveys the field of Evolvable Hardware. Third part of the work follows, which contains the proposal, development and results obtained: while chapter 6 contains an statement of the thesis goals and the description of the proposal as a whole, chapters 7 and 8 address parametric and structural self-adaptation, respectively. Finally, chapter 9 in part 4 concludes the work and describes future research paths.

Arquitectura de supercomputación en la nube para la resolución de problemas de optimización combinatoria

La tesis está focalizada en la resolución de problemas de optimización combinatoria, haciendo uso de las opciones tecnológicas actuales que ofrecen las tecnologías de la información y las comunicaciones, y la investigación operativa. Los problemas de optimización combinatoria se resuelven en general mediante programación lineal y metaheurísticas. La aplicación de las técnicas de resolución de los problemas de optimización combinatoria requiere de una elevada carga computacional, y los algoritmos deben diseñarse, por un lado pensando en la efectividad para encontrar buenas soluciones del problema, y por otro lado, pensando en un uso adecuado de los recursos informáticos disponibles. La programación lineal y las metaheurísticas son técnicas de resolución genéricas, que se pueden aplicar a diferentes problemas, partiendo de una base común que se particulariza para cada problema concreto. En el campo del desarrollo de software, los frameworks cumplen esa función de comenzar un proyecto con el trabajo general ya disponible, con la opción de cambiar o extender ese comportamiento base o genérico, para construir el sistema concreto, lo que permite reducir el tiempo de desarrollo, y amplía las posibilidades de éxito del proyecto. En esta tesis se han desarrollado dos frameworks de desarrollo. El framework ILP permite modelar y resolver problemas de programación lineal, de forma independiente al software de resolución de programación lineal que se utilice. El framework LME permite resolver problemas de optimización combinatoria mediante metaheurísticas. Tradicionalmente, las aplicaciones de resolución de problemas de optimización combinatoria son aplicaciones de escritorio que permiten gestionar toda la información de entrada del problema y resuelven el problema en local, con los recursos hardware disponibles. Recientemente ha aparecido un nuevo paradigma de despliegue y uso de aplicaciones que permite compartir recursos informáticos especializados por Internet. Esta nueva forma de uso de recursos informáticos es la computación en la nube, que presenta el modelo de software como servicio (SaaS). En esta tesis se ha construido una plataforma SaaS, para la resolución de problemas de optimización combinatoria, que se despliega sobre arquitecturas compuestas por procesadores multi-núcleo y tarjetas gráficas, y dispone de algoritmos de resolución basados en frameworks de programación lineal y metaheurísticas. Toda la infraestructura es independiente del problema de optimización combinatoria a resolver, y se han desarrollado tres problemas que están totalmente integrados en la plataforma SaaS. Estos problemas se han seleccionado por su importancia práctica. Uno de los problemas tratados en la tesis, es el problema de rutas de vehículos (VRP), que consiste en calcular las rutas de menor coste de una flota de vehículos, que reparte mercancías a todos los clientes. Se ha partido de la versión más clásica del problema y se han hecho estudios en dos direcciones. Por un lado se ha cuantificado el aumento en la velocidad de ejecución de la resolución del problema en tarjetas gráficas. Por otro lado, se ha estudiado el impacto en la velocidad de ejecución y en la calidad de soluciones, en la resolución por la metaheurística de colonias de hormigas (ACO), cuando se introduce la programación lineal para optimizar las rutas individuales de cada vehículo. Este problema se ha desarrollado con los frameworks ILP y LME, y está disponible en la plataforma SaaS. Otro de los problemas tratados en la tesis, es el problema de asignación de flotas (FAP), que consiste en crear las rutas de menor coste para la flota de vehículos de una empresa de transporte de viajeros. Se ha definido un nuevo modelo de problema, que engloba características de problemas presentados en la literatura, y añade nuevas características, lo que permite modelar los requerimientos de las empresas de transporte de viajeros actuales. Este nuevo modelo resuelve de forma integrada el problema de definir los horarios de los trayectos, el problema de asignación del tipo de vehículo, y el problema de crear las rotaciones de los vehículos. Se ha creado un modelo de programación lineal para el problema, y se ha resuelto por programación lineal y por colonias de hormigas (ACO). Este problema se ha desarrollado con los frameworks ILP y LME, y está disponible en la plataforma SaaS. El último problema tratado en la tesis es el problema de planificación táctica de personal (TWFP), que consiste en definir la configuración de una plantilla de trabajadores de menor coste, para cubrir una demanda de carga de trabajo variable. Se ha definido un modelo de problema muy flexible en la definición de contratos, que permite el uso del modelo en diversos sectores productivos. Se ha definido un modelo matemático de programación lineal para representar el problema. Se han definido una serie de casos de uso, que muestran la versatilidad del modelo de problema, y permiten simular el proceso de toma de decisiones de la configuración de una plantilla de trabajadores, cuantificando económicamente cada decisión que se toma. Este problema se ha desarrollado con el framework ILP, y está disponible en la plataforma SaaS. ABSTRACT The thesis is focused on solving combinatorial optimization problems, using current technology options offered by information technology and communications, and operations research. Combinatorial optimization problems are solved in general by linear programming and metaheuristics. The application of these techniques for solving combinatorial optimization problems requires a high computational load, and algorithms are designed, on the one hand thinking to find good solutions to the problem, and on the other hand, thinking about proper use of the available computing resources. Linear programming and metaheuristic are generic resolution techniques, which can be applied to different problems, beginning with a common base that is particularized for each specific problem. In the field of software development, frameworks fulfill this function that allows you to start a project with the overall work already available, with the option to change or extend the behavior or generic basis, to build the concrete system, thus reducing the time development, and expanding the possibilities of success of the project. In this thesis, two development frameworks have been designed and developed. The ILP framework allows to modeling and solving linear programming problems, regardless of the linear programming solver used. The LME framework is designed for solving combinatorial optimization problems using metaheuristics. Traditionally, applications for solving combinatorial optimization problems are desktop applications that allow the user to manage all the information input of the problem and solve the problem locally, using the available hardware resources. Recently, a new deployment paradigm has appeared, that lets to share hardware and software resources by the Internet. This new use of computer resources is cloud computing, which presents the model of software as a service (SaaS). In this thesis, a SaaS platform has been built for solving combinatorial optimization problems, which is deployed on architectures, composed of multi-core processors and graphics cards, and has algorithms based on metaheuristics and linear programming frameworks. The SaaS infrastructure is independent of the combinatorial optimization problem to solve, and three problems are fully integrated into the SaaS platform. These problems have been selected for their practical importance. One of the problems discussed in the thesis, is the vehicle routing problem (VRP), which goal is to calculate the least cost of a fleet of vehicles, which distributes goods to all customers. The VRP has been studied in two directions. On one hand, it has been quantified the increase in execution speed when the problem is solved on graphics cards. On the other hand, it has been studied the impact on execution speed and quality of solutions, when the problem is solved by ant colony optimization (ACO) metaheuristic, and linear programming is introduced to optimize the individual routes of each vehicle. This problem has been developed with the ILP and LME frameworks, and is available in the SaaS platform. Another problem addressed in the thesis, is the fleet assignment problem (FAP), which goal is to create lower cost routes for a fleet of a passenger transport company. It has been defined a new model of problem, which includes features of problems presented in the literature, and adds new features, allowing modeling the business requirements of today's transport companies. This new integrated model solves the problem of defining the flights timetable, the problem of assigning the type of vehicle, and the problem of creating aircraft rotations. The problem has been solved by linear programming and ACO. This problem has been developed with the ILP and LME frameworks, and is available in the SaaS platform. The last problem discussed in the thesis is the tactical planning staff problem (TWFP), which is to define the staff of lower cost, to cover a given work load. It has been defined a very rich problem model in the definition of contracts, allowing the use of the model in various productive sectors. It has been defined a linear programming mathematical model to represent the problem. Some use cases has been defined, to show the versatility of the model problem, and to simulate the decision making process of setting up a staff, economically quantifying every decision that is made. This problem has been developed with the ILP framework, and is available in the SaaS platform.

Analysing the complexity of the model-based decision making processes within the industrial management context

PURPOSE The decision-making process plays a key role in organizations. Every decision-making process produces a final choice that may or may not prompt action. Recurrently, decision makers find themselves in the dichotomous question of following a traditional sequence decision-making process where the output of a decision is used as the input of the next stage of the decision, or following a joint decision-making approach where several decisions are taken simultaneously. The implication of the decision-making process will impact different players of the organization. The choice of the decision- making approach becomes difficult to find, even with the current literature and practitioners’ knowledge. The pursuit of better ways for making decisions has been a common goal for academics and practitioners. Management scientists use different techniques and approaches to improve different types of decisions. The purpose of this decision is to use the available resources as well as possible (data and techniques) to achieve the objectives of the organization. The developing and applying of models and concepts may be helpful to solve managerial problems faced every day in different companies. As a result of this research different decision models are presented to contribute to the body of knowledge of management science. The first models are focused on the manufacturing industry and the second part of the models on the health care industry. Despite these models being case specific, they serve the purpose of exemplifying that different approaches to the problems and could provide interesting results. Unfortunately, there is no universal recipe that could be applied to all the problems. Furthermore, the same model could deliver good results with certain data and bad results for other data. A framework to analyse the data before selecting the model to be used is presented and tested in the models developed to exemplify the ideas. METHODOLOGY As the first step of the research a systematic literature review on the joint decision is presented, as are the different opinions and suggestions of different scholars. For the next stage of the thesis, the decision-making process of more than 50 companies was analysed in companies from different sectors in the production planning area at the Job Shop level. The data was obtained using surveys and face-to-face interviews. The following part of the research into the decision-making process was held in two application fields that are highly relevant for our society; manufacturing and health care. The first step was to study the interactions and develop a mathematical model for the replenishment of the car assembly where the problem of “Vehicle routing problem and Inventory” were combined. The next step was to add the scheduling or car production (car sequencing) decision and use some metaheuristics such as ant colony and genetic algorithms to measure if the behaviour is kept up with different case size problems. A similar approach is presented in a production of semiconductors and aviation parts, where a hoist has to change from one station to another to deal with the work, and a jobs schedule has to be done. However, for this problem simulation was used for experimentation. In parallel, the scheduling of operating rooms was studied. Surgeries were allocated to surgeons and the scheduling of operating rooms was analysed. The first part of the research was done in a Teaching hospital, and for the second part the interaction of uncertainty was added. Once the previous problem had been analysed a general framework to characterize the instance was built. In the final chapter a general conclusion is presented. FINDINGS AND PRACTICAL IMPLICATIONS The first part of the contributions is an update of the decision-making literature review. Also an analysis of the possible savings resulting from a change in the decision process is made. Then, the results of the survey, which present a lack of consistency between what the managers believe and the reality of the integration of their decisions. In the next stage of the thesis, a contribution to the body of knowledge of the operation research, with the joint solution of the replenishment, sequencing and inventory problem in the assembly line is made, together with a parallel work with the operating rooms scheduling where different solutions approaches are presented. In addition to the contribution of the solving methods, with the use of different techniques, the main contribution is the framework that is proposed to pre-evaluate the problem before thinking of the techniques to solve it. However, there is no straightforward answer as to whether it is better to have joint or sequential solutions. Following the proposed framework with the evaluation of factors such as the flexibility of the answer, the number of actors, and the tightness of the data, give us important hints as to the most suitable direction to take to tackle the problem. RESEARCH LIMITATIONS AND AVENUES FOR FUTURE RESEARCH In the first part of the work it was really complicated to calculate the possible savings of different projects, since in many papers these quantities are not reported or the impact is based on non-quantifiable benefits. The other issue is the confidentiality of many projects where the data cannot be presented. For the car assembly line problem more computational power would allow us to solve bigger instances. For the operation research problem there was a lack of historical data to perform a parallel analysis in the teaching hospital. In order to keep testing the decision framework it is necessary to keep applying more case studies in order to generalize the results and make them more evident and less ambiguous. The health care field offers great opportunities since despite the recent awareness of the need to improve the decision-making process there are many opportunities to improve. Another big difference with the automotive industry is that the last improvements are not spread among all the actors. Therefore, in the future this research will focus more on the collaboration between academia and the health care sector.

Definición e implantación de herramientas avanzadas 3D en el diseño integrado y eficiente de sistemas HVAC en buques, desde el proyecto conceptual hasta la producción

Uno de los aspectos más complicados del diseño de sistemas HVAC en buques es la correcta evaluación de las necesidades de aire fresco y el correcto dimensionado de los conductos que suministran dicho aire y evacuan el calor generado a bordo. Contrariamente a lo que sucede en los sistemas de tuberías, las características particulares del caudal de aire hacen que el dimensionado de los conductos sea muy sensible al trazado y geometría de los mismos, por lo que para obtener un buen diseño es necesaria una relación muy estrecha y una integración bidireccional entre los cálculos y el trazado de los propios conductos en el buque. Asumida la utilización de sistemas CAD/CAM para las tareas de diseño, históricamente, aquellos que permitían modelar conductos HVAC no incluían en su alcance de suministro los aspectos de cálculo, y como consecuencia de ello, el trazado de conductos se reducía a la inclusión en el modelo 3D de circuitos y sistemas previamente calculados y dimensionados, Así, servían únicamente para calcular interferencias con otros elementos del modelo 3D y para obtener posteriormente planos de fabricación y montaje. Esto, que por sí no es poco, dejaba el diseño de sistemas HVAC pendiente de una importante interacción manual y de habituales retrabajos, ya que cualquier modificación en el trazado de los conductos, consecuencia de otras necesidades del diseño, obligaba a los diseñadores a recalcular y redimensionar los conductos en un entorno diferente al del propio sistema CAD/CAM, y volver a realizar el modelado de los mismos, reduciendo significativamente las ventajas de la utilización de un modelo 3D. Partiendo de esta situación real, y con objeto de solucionar el problema que para el diseño y la propia producción del buque se creaba, se concibió una herramienta que permitiera la definición en el modelo 3D de diagramas de ventilación, el cálculo de pérdidas de presión, el dimensionado automático de los conductos, y que toda esta información pudiera estar disponible y reutilizarse en las etapas posteriores del diseño. Con ello, los diseñadores podrían realizar su trabajo en un entorno único, totalmente integrado con el resto de disciplinas. El objeto de esta Tesis Doctoral es analizar en detalle el problema y las ineficiencias actuales del diseño de HVAC, describir la innovadora herramienta concebida para paliar estas ineficiencias, detallando las bases sobre la que se construye, y destacar las ventajas que se obtienen de su uso. La herramienta en cuestión fue concebida como una funcionalidad adicional del sistema CAD/CAM naval FORAN, referente tecnológico en el mundo del diseño y la construcción navales, y como consecuencia de ellos se llevó a cabo el desarrollo correspondiente. En la actualidad, el sistema FORAN incluye en su alcance de suministro una primera versión de esta herramienta, cuya utilidad queda avalada por el uso que de la misma hacen astilleros y oficinas técnicas en todo el mundo. Esta Tesis Doctoral es eminentemente práctica. No es un estudio teórico de dudosa aplicación, sino que tiene por objeto aportar una solución eficiente a un problema real que muchos astilleros y oficinas técnicas, incluidas los más avanzados, padecen hoy en día. No tiene otra motivación que servir de ayuda para lograr diseñar y construir mejores barcos, en un plazo más corto, y a un coste menor. Nada más, pero nada menos. ABSTRACT One of the most complicated aspects of the design of HVAC systems in shipbuilding is the correct evaluation of the fresh air needs, the correct balancing of the ducts that supply this air and evacuate the existing heat on board. In opposition to piping systems, due to the particular characteristics of the air flow, the balancing of the ducts is very sensitive to the routing and the aspect of the ducts, so the correct design requires a close interconnectivity between calculations and routing. Already assumed the use of CAD/CAM systems for design tasks, historically, those CAD/CAM systems capable of modelling HVAC ducts did not cover calculation aspects, with the result that the routing of HVAC ducts was reduced solely to the input of previously balanced circuits into the 3D Product Model for the purpose of interference checking and generation of fabrication and assembly drawings. This situation, not negligible at all, put the design of HVAC ducts very dependent on manual operations and common rework task, as any modification in the routing of the HVAC ducts, derived from design needs, obliged engineers to re-balance the ducts and eventually to re-size them independently of the CAD-CAM environment, thus annulling the advantages of the 3D Product Model. With this situation in mind, and with the objective of filling the gap created in the design and construction of the ship, it was conceived a tool allowing the definition, within the 3D Product model, of HVAC diagrams, the calculation of pressure drops, the automatic dimensioning of ducts. With this, engineers could make the complete HVAC design in a single working environment, fully integrated with the rest of the disciplines. The present Ph. D. thesis analyses in deep the existing problem and the current lack of efficiency in HVAC design, describes the innovative tool conceived to minimize it, details the basis on which the tool is built, and highlights the advantages of its use. This tool was conceived as an additional functionality of the marine CAD/CAM system FORAN, a technological reference in the shipdesign and shipbuilding industry. As a consequence, it was developed, and nowadays FORAN System includes in its scope of supply a first version of the tool, with its usefulness endorsed by the fact that it is used by shipyards and shipdesign offices all over the world. This Ph. D. thesis is on top everything, of practical nature. It is not a theoretical study with doubtful application. On the contrary, its objective is to provide with an efficient solution for solving a real problem that many shipyards and shipdesign offices, including those more advanced, suffer nowadays. It has no other motivation that to help in the process of designing and building better and cheaper ships, within a shorter deliver time. Nothing more, but nothing less.

Resilient Wireless Sensor Networks Using Topology Control: A Review

Wireless sensor networks (WSNs) may be deployed in failure-prone environments, and WSNs nodes easily fail due to unreliable wireless connections, malicious attacks and resource-constrained features. Nevertheless, if WSNs can tolerate at most losing k − 1 nodes while the rest of nodes remain connected, the network is called k − connected. k is one of the most important indicators for WSNs’ self-healing capability. Following a WSN design flow, this paper surveys resilience issues from the topology control and multi-path routing point of view. This paper provides a discussion on transmission and failure models, which have an important impact on research results. Afterwards, this paper reviews theoretical results and representative topology control approaches to guarantee WSNs to be k − connected at three different network deployment stages: pre-deployment, post-deployment and re-deployment. Multi-path routing protocols are discussed, and many NP-complete or NP-hard problems regarding topology control are identified. The challenging open issues are discussed at the end. This paper can serve as a guideline to design resilient WSNs.