Improving photovoltaics grid integration through short time forecasting and self-consumption

The uncertainty associated to the forecast of photovoltaic generation is a major drawback for the widespread introduction of this technology into electricity grids. This uncertainty is a challenge in the design and operation of electrical systems that include photovoltaic generation. Demand-Side Management (DSM) techniques are widely used to modify energy consumption. If local photovoltaic generation is available, DSM techniques can use generation forecast to schedule the local consumption. On the other hand, local storage systems can be used to separate electricity availability from instantaneous generation; therefore, the effects of forecast error in the electrical system are reduced. The effects of uncertainty associated to the forecast of photovoltaic generation in a residential electrical system equipped with DSM techniques and a local storage system are analyzed in this paper. The study has been performed in a solar house that is able to displace a residential user?s load pattern, manage local storage and estimate forecasts of electricity generation. A series of real experiments and simulations have carried out on the house. The results of this experiments show that the use of Demand Side Management (DSM) and local storage reduces to 2% the uncertainty on the energy exchanged with the grid. In the case that the photovoltaic system would operate as a pure electricity generator feeding all generated electricity into grid, the uncertainty would raise to around 40%.

Estrategia de desarrollo de negocio para el producto Atos RTTF (Real Time Traffic Forecast)

El objetivo del presente proyecto de fin de máster es desplegar la estrategia de negocio completa, desde las declaraciones y premisas hasta la implantación y ejecución, para una solución novedosa de la compañía AtoS. Esta solución se denomina RTTF (Real Time Traffic Forecast), y sus objetivos principales, a alto nivel, son los siguientes: a) Conseguir unas mejores ciudades en la que vivir y trabajar. b) Realizar una gestión de tráfico proactiva para un uso de recursos de las ciudades optimizado. Nuestro planteamiento en este trabajo es, basado en las el módulo de estrategia del máster, diseñar un plan de negocio para desarrollar y potenciar la anterior solución. Para ello también necesitaremos herramientas de otros módulos del máster, como el de marketing, operaciones, o finanzas. Para ello, comenzaremos analizando el entorno desde el punto de vista de la posible receptividad al producto, así como de los posibles competidores, con objeto de posicionar de manera inicial nuestra solución, y reflexionar sobre si ese posicionamiento es el adecuado. Añadiendo también el estudio interno de la compañía y de la propia solución sobre la que versa el proyecto. El principal entregable del presente trabajo será un plan de negocio, con fechas, objetivos y un listado de clientes por orden de prioridad, con el objetivo final de desarrollar la solución.

Simulación de mercado diario y previsión a 20 años del sector eléctrico peninsular

En este proyecto se crea un modelo de casación de ofertas de venta y de adquisición de energía eléctrica. Este modelo sirve para simular, de manera simplificada, el proceso de casación que tiene lugar en el mercado Diario peninsular (España y Portugal). Con el fin de averiguar el comportamiento del sector eléctrico, en este aspecto, en el futuro, se extrapolan las ofertas de adquisición según una evolución prevista de demanda y se utiliza el modelo creado para prever el mix energético y los precios de la electricidad. Esta previsión se hace en base a tres escenarios. Uno en el que hay un importante autoabastecimiento de energía eléctrica en los puntos de consumo residenciales; otro en el que el vehículo eléctrico entra de manera significativa en el parque automovilístico peninsular; y el tercero en el que las energías renovables asumen el principal peso de la cobertura de energía eléctrica. Abstract In this project a model for matching sale and purchase bids of electricity power is created. The model simulates, simplified, the process of setting energy and prices in the Daily Market of the Iberian Peninsula (Spain and Portugal). In order to determine the electricity sector behavior in the future, purchase bids are extrapolated following a prevision of demand and the model is used to predict the generation technologies mix and electricity prices. This forecast is based on three possible scenarios. The first one assumes significant self-supply of electricity in residential areas; the second one considers that the electric vehicle relevantly enters the peninsular fleet; the third one supposes that renewable energies cover the majority of electric energy.

A swarm intelligence approach based on coupled oscillators: an application in demand side management with photovoltaic distributed generation

Esta Tesis aborda los problemas de eficiencia de las redes eléctrica desde el punto de vista del consumo. En particular, dicha eficiencia es mejorada mediante el suavizado de la curva de consumo agregado. Este objetivo de suavizado de consumo implica dos grandes mejoras en el uso de las redes eléctricas: i) a corto plazo, un mejor uso de la infraestructura existente y ii) a largo plazo, la reducción de la infraestructura necesaria para suplir las mismas necesidades energéticas. Además, esta Tesis se enfrenta a un nuevo paradigma energético, donde la presencia de generación distribuida está muy extendida en las redes eléctricas, en particular, la generación fotovoltaica (FV). Este tipo de fuente energética afecta al funcionamiento de la red, incrementando su variabilidad. Esto implica que altas tasas de penetración de electricidad de origen fotovoltaico es perjudicial para la estabilidad de la red eléctrica. Esta Tesis trata de suavizar la curva de consumo agregado considerando esta fuente energética. Por lo tanto, no sólo se mejora la eficiencia de la red eléctrica, sino que también puede ser aumentada la penetración de electricidad de origen fotovoltaico en la red. Esta propuesta conlleva grandes beneficios en los campos económicos, social y ambiental. Las acciones que influyen en el modo en que los consumidores hacen uso de la electricidad con el objetivo producir un ahorro energético o un aumento de eficiencia son llamadas Gestión de la Demanda Eléctrica (GDE). Esta Tesis propone dos algoritmos de GDE diferentes para cumplir con el objetivo de suavizado de la curva de consumo agregado. La diferencia entre ambos algoritmos de GDE reside en el marco en el cual estos tienen lugar: el marco local y el marco de red. Dependiendo de este marco de GDE, el objetivo energético y la forma en la que se alcanza este objetivo son diferentes. En el marco local, el algoritmo de GDE sólo usa información local. Este no tiene en cuenta a otros consumidores o a la curva de consumo agregado de la red eléctrica. Aunque esta afirmación pueda diferir de la definición general de GDE, esta vuelve a tomar sentido en instalaciones locales equipadas con Recursos Energéticos Distribuidos (REDs). En este caso, la GDE está enfocada en la maximización del uso de la energía local, reduciéndose la dependencia con la red. El algoritmo de GDE propuesto mejora significativamente el auto-consumo del generador FV local. Experimentos simulados y reales muestran que el auto-consumo es una importante estrategia de gestión energética, reduciendo el transporte de electricidad y alentando al usuario a controlar su comportamiento energético. Sin embargo, a pesar de todas las ventajas del aumento de auto-consumo, éstas no contribuyen al suavizado del consumo agregado. Se han estudiado los efectos de las instalaciones locales en la red eléctrica cuando el algoritmo de GDE está enfocado en el aumento del auto-consumo. Este enfoque puede tener efectos no deseados, incrementando la variabilidad en el consumo agregado en vez de reducirlo. Este efecto se produce porque el algoritmo de GDE sólo considera variables locales en el marco local. Los resultados sugieren que se requiere una coordinación entre las instalaciones. A través de esta coordinación, el consumo debe ser modificado teniendo en cuenta otros elementos de la red y buscando el suavizado del consumo agregado. En el marco de la red, el algoritmo de GDE tiene en cuenta tanto información local como de la red eléctrica. En esta Tesis se ha desarrollado un algoritmo autoorganizado para controlar el consumo de la red eléctrica de manera distribuida. El objetivo de este algoritmo es el suavizado del consumo agregado, como en las implementaciones clásicas de GDE. El enfoque distribuido significa que la GDE se realiza desde el lado de los consumidores sin seguir órdenes directas emitidas por una entidad central. Por lo tanto, esta Tesis propone una estructura de gestión paralela en lugar de una jerárquica como en las redes eléctricas clásicas. Esto implica que se requiere un mecanismo de coordinación entre instalaciones. Esta Tesis pretende minimizar la cantidad de información necesaria para esta coordinación. Para lograr este objetivo, se han utilizado dos técnicas de coordinación colectiva: osciladores acoplados e inteligencia de enjambre. La combinación de estas técnicas para llevar a cabo la coordinación de un sistema con las características de la red eléctrica es en sí mismo un enfoque novedoso. Por lo tanto, este objetivo de coordinación no es sólo una contribución en el campo de la gestión energética, sino también en el campo de los sistemas colectivos. Los resultados muestran que el algoritmo de GDE propuesto reduce la diferencia entre máximos y mínimos de la red eléctrica en proporción a la cantidad de energía controlada por el algoritmo. Por lo tanto, conforme mayor es la cantidad de energía controlada por el algoritmo, mayor es la mejora de eficiencia en la red eléctrica. Además de las ventajas resultantes del suavizado del consumo agregado, otras ventajas surgen de la solución distribuida seguida en esta Tesis. Estas ventajas se resumen en las siguientes características del algoritmo de GDE propuesto: • Robustez: en un sistema centralizado, un fallo o rotura del nodo central provoca un mal funcionamiento de todo el sistema. La gestión de una red desde un punto de vista distribuido implica que no existe un nodo de control central. Un fallo en cualquier instalación no afecta el funcionamiento global de la red. • Privacidad de datos: el uso de una topología distribuida causa de que no hay un nodo central con información sensible de todos los consumidores. Esta Tesis va más allá y el algoritmo propuesto de GDE no utiliza información específica acerca de los comportamientos de los consumidores, siendo la coordinación entre las instalaciones completamente anónimos. • Escalabilidad: el algoritmo propuesto de GDE opera con cualquier número de instalaciones. Esto implica que se permite la incorporación de nuevas instalaciones sin afectar a su funcionamiento. • Bajo coste: el algoritmo de GDE propuesto se adapta a las redes actuales sin requisitos topológicos. Además, todas las instalaciones calculan su propia gestión con un bajo requerimiento computacional. Por lo tanto, no se requiere un nodo central con un alto poder de cómputo. • Rápido despliegue: las características de escalabilidad y bajo coste de los algoritmos de GDE propuestos permiten una implementación rápida. No se requiere una planificación compleja para el despliegue de este sistema. ABSTRACT This Thesis addresses the efficiency problems of the electrical grids from the consumption point of view. In particular, such efficiency is improved by means of the aggregated consumption smoothing. This objective of consumption smoothing entails two major improvements in the use of electrical grids: i) in the short term, a better use of the existing infrastructure and ii) in long term, the reduction of the required infrastructure to supply the same energy needs. In addition, this Thesis faces a new energy paradigm, where the presence of distributed generation is widespread over the electrical grids, in particular, the Photovoltaic (PV) generation. This kind of energy source affects to the operation of the grid by increasing its variability. This implies that a high penetration rate of photovoltaic electricity is pernicious for the electrical grid stability. This Thesis seeks to smooth the aggregated consumption considering this energy source. Therefore, not only the efficiency of the electrical grid is improved, but also the penetration of photovoltaic electricity into the grid can be increased. This proposal brings great benefits in the economic, social and environmental fields. The actions that influence the way that consumers use electricity in order to achieve energy savings or higher efficiency in energy use are called Demand-Side Management (DSM). This Thesis proposes two different DSM algorithms to meet the aggregated consumption smoothing objective. The difference between both DSM algorithms lie in the framework in which they take place: the local framework and the grid framework. Depending on the DSM framework, the energy goal and the procedure to reach this goal are different. In the local framework, the DSM algorithm only uses local information. It does not take into account other consumers or the aggregated consumption of the electrical grid. Although this statement may differ from the general definition of DSM, it makes sense in local facilities equipped with Distributed Energy Resources (DERs). In this case, the DSM is focused on the maximization of the local energy use, reducing the grid dependence. The proposed DSM algorithm significantly improves the self-consumption of the local PV generator. Simulated and real experiments show that self-consumption serves as an important energy management strategy, reducing the electricity transport and encouraging the user to control his energy behavior. However, despite all the advantages of the self-consumption increase, they do not contribute to the smooth of the aggregated consumption. The effects of the local facilities on the electrical grid are studied when the DSM algorithm is focused on self-consumption maximization. This approach may have undesirable effects, increasing the variability in the aggregated consumption instead of reducing it. This effect occurs because the algorithm only considers local variables in the local framework. The results suggest that coordination between these facilities is required. Through this coordination, the consumption should be modified by taking into account other elements of the grid and seeking for an aggregated consumption smoothing. In the grid framework, the DSM algorithm takes into account both local and grid information. This Thesis develops a self-organized algorithm to manage the consumption of an electrical grid in a distributed way. The goal of this algorithm is the aggregated consumption smoothing, as the classical DSM implementations. The distributed approach means that the DSM is performed from the consumers side without following direct commands issued by a central entity. Therefore, this Thesis proposes a parallel management structure rather than a hierarchical one as in the classical electrical grids. This implies that a coordination mechanism between facilities is required. This Thesis seeks for minimizing the amount of information necessary for this coordination. To achieve this objective, two collective coordination techniques have been used: coupled oscillators and swarm intelligence. The combination of these techniques to perform the coordination of a system with the characteristics of the electric grid is itself a novel approach. Therefore, this coordination objective is not only a contribution in the energy management field, but in the collective systems too. Results show that the proposed DSM algorithm reduces the difference between the maximums and minimums of the electrical grid proportionally to the amount of energy controlled by the system. Thus, the greater the amount of energy controlled by the algorithm, the greater the improvement of the efficiency of the electrical grid. In addition to the advantages resulting from the smoothing of the aggregated consumption, other advantages arise from the distributed approach followed in this Thesis. These advantages are summarized in the following features of the proposed DSM algorithm: • Robustness: in a centralized system, a failure or breakage of the central node causes a malfunction of the whole system. The management of a grid from a distributed point of view implies that there is not a central control node. A failure in any facility does not affect the overall operation of the grid. • Data privacy: the use of a distributed topology causes that there is not a central node with sensitive information of all consumers. This Thesis goes a step further and the proposed DSM algorithm does not use specific information about the consumer behaviors, being the coordination between facilities completely anonymous. • Scalability: the proposed DSM algorithm operates with any number of facilities. This implies that it allows the incorporation of new facilities without affecting its operation. • Low cost: the proposed DSM algorithm adapts to the current grids without any topological requirements. In addition, every facility calculates its own management with low computational requirements. Thus, a central computational node with a high computational power is not required. • Quick deployment: the scalability and low cost features of the proposed DSM algorithms allow a quick deployment. A complex schedule of the deployment of this system is not required.

PV power forecast using a nonparametric PV model

Forecasting the AC power output of a PV plant accurately is important both for plant owners and electric system operators. Two main categories of PV modeling are available: the parametric and the nonparametric. In this paper, a methodology using a nonparametric PV model is proposed, using as inputs several forecasts of meteorological variables from a Numerical Weather Forecast model, and actual AC power measurements of PV plants. The methodology was built upon the R environment and uses Quantile Regression Forests as machine learning tool to forecast AC power with a confidence interval. Real data from five PV plants was used to validate the methodology, and results show that daily production is predicted with an absolute cvMBE lower than 1.3%.

Railway Rapid Transit timetables with variable and elastic demand.

This paper focuses on the design of railway timetables considering a variable elastic demand profile along a whole design day. Timetabling is the third stage in the classical hierarchical railway planning process. Most of previous works on this topic consider a uniform demand behavior for short planning intervals. In this paper, we propose a MINLP model for designing non-periodic timetables on a railway corridor where demand is dependent on waiting times. In the elastic demand case, long waiting times lead to a loss of passengers, who may select an alternative transportation mode. The mode choice is modeled using two alternative methods. The first one is based on a sigmoid function and can be used in case of absence of information for competitor modes. In the second one, the mode choice probability is obtained using a Logit model that explicitly considers the existence of a main alternative mode. With the purpose of obtaining optimal departure times, in both cases, a minimization of the loss of passengers is used as objective function. Finally, as illustration, the timetabling MINLP model with both mode choice methods is applied to a real case and computational results are shown.

Explaining light vehicle demand evolution in interurban toll roads: a dynamic panel data analysis in Spain

Tolls have increasingly become a common mechanism to fund road projects in recent decades. Therefore, improving knowledge of demand behavior constitutes a key aspect for stakeholders dealing with the management of toll roads. However, the literature concerning demand elasticity estimates for interurban toll roads is still limited due to their relatively scarce number in the international context. Furthermore, existing research has left some aspects to be investigated, among others, the choice of GDP as the most common socioeconomic variable to explain traffic growth over time. This paper intends to determine the variables that better explain the evolution of light vehicle demand in toll roads throughout the years. To that end, we establish a dynamic panel data methodology aimed at identifying the key socioeconomic variables explaining changes in light vehicle demand over time. The results show that, despite some usefulness, GDP does not constitute the most appropriate explanatory variable, while other parameters such as employment or GDP per capita lead to more stable and consistent results. The methodology is applied to Spanish toll roads for the 1990?2011 period, which constitutes a very interesting case on variations in toll road use, as road demand has experienced a significant decrease since the beginning of the economic crisis in 2008.

An integrated modeling approach to assess the impact on road freight transport demand of allowing longer and heavier vehicles (LHVs) in Spain

The assessment on introducing Longer and Heavier Vehicles (LHVs) on the road freight transport demand is performed in this paper by applying an integrated modeling approach composed of a Random Utility-Based Multiregional Input-Output model (RUBMRIO) and a road transport network model. The approach strongly supports the concept that changes in transport costs derived from the LHVs allowance as well as the economic structure of regions have both direct and indirect effects on the road freight transport system. In addition, we estimate the magnitude and extent of demand changes in the road freight transportation system by using the commodity-based structure of the approach to identify the effect on traffic flows and on pollutant emissions over the whole network of Spain by considering a sensitivity analysis of the main parameters which determine the share of Heavy-Goods Vehicles (HGVs) and LHVs. The results show that the introduction of LHVs will strengthen the competitiveness of the road haulage sector by reducing costs, emissions, and the total freight vehicles required.

Análisis sectorial y posicionamiento estratégico: el caso de la industria naval hacia el 2050

El motivo de abordar esta Tesis responde al hecho personal de haber vivido históricamente momentos cumbre de la Construcción Naval en España y no dejar de plantearme, a pesar de mi distancia del sector desde el punto de vista profesional, en las opciones de futuro para volver a ser competitivos en un sector que ha tenido un peso tan importante en la economía española, y que tanto ha ilusionado a centenares de profesionales y compañeros a lo largo de muchas décadas con el optimismo de estar aportando valor para que España fuera competitiva. A lo largo de los últimos años, y la relación con el ámbito de la dirección de Empresas desde el punto de vista de una Escuela de Negocios, así como el contacto con enfoques estratégicos en sectores muy diversos me animó a plantearme la Tesis con el objetivo de reflejar el estado actual del sector y poder valorar alternativas de futuro para la Construcción Naval española, aun sabiendo que son muchos los “maestros” realmente autorizados en nuestros país, con amplios conocimientos y experiencia, que muchas veces, a pesar de las propuestas y de los esfuerzos que han realizado para impulsar el sector, se han encontrado con situaciones adversas, bien de tipo económico, social‐laboral, político ‐a nivel nacional, europeo o global‐, etc., que han impedido un fortalecimiento del sector como todos hubiéramos deseado. La presión histórica ejercida por los países competidores en Construcción naval del ámbito asiático y lejano oriente, así como los compromisos derivados de las Directivas europeas, han obligado al sector de la Construcción Naval en España a buscar unos nuevos posicionamientos estratégicos presentes y, sobre todo, de futuro. Partiendo de un análisis del sector naval, tanto del mercado nacional como del internacional, con especial foco en los países líderes, se plantea investigar, siguiendo el modelo de Porter, las fuerzas competitivas que han influido en estas últimas décadas y que han conducido a la situación actual, valorando la estructura competitiva, el entorno relevante y los efectos de la globalización, con las amenazas de los nuevos y actuales competidores y las barreras existentes. Para abordar esta investigación se ha realizado un análisis del sector naval con la siguiente metodología: 1. Análisis del estado actual de la construcción naval en España. 2. Análisis del estado actual de la construcción naval en el mundo. 3. Estudio de la demanda en el mercado y evolución de la misma en los últimos años: muy centrada en los países líderes y más competitivos. 4. Estudio de las perspectivas de negocio en el sector marítimo y oceánico: estudio particular del transporte marítimo y una comparativa con la explotación de recursos oceánicos. Finalmente se decidió no abordar por falta de datos de futuro las construcciones militares. 5. Estudio de características de la industria naval española y capacidad de los astilleros. Se ha focalizado especialmente en la construcción para valorar la capacidad de futuro. 6. Análisis de fuerzas competitivas de la industria naval española a partir del modelo de Porter. En esta parte se incluyen alguno de los factores críticos externos e internos que ayudan a identificar barreras y estrategias en el entorno de la construcción naval como sector global. 7. Identificación de las oportunidades de negocio hacia el 2050. 8. Alternativas para una estrategia competitiva de actuación frente a las oportunidades de futuro en el 2050. Con esta Tesis se aporta un estudio competitivo actualizado, de acuerdo con el modelo de Porter, con el fin de proponer una posible estrategia competitiva de futuro, que posicione competitivamente la industria naval y el sector marítimo en España en las próximas décadas. ABSTRACT The reason for addressing this thesis responds to my personal experience about having lived historical moments summit Shipbuilding in Spain. Despite my distance from this industry from a professional point of view, I have never stopped wonder myself which are the options for the future to become competitive in an industry that has had such an important weight in the Spanish economy, which has excited so hundreds of professionals and peers through many decades with optimism to be adding value to Spain in order to be competitive again. Over recent years, and the relationship with the field of business management from the point of view of a business school, as well as contact with strategic approaches in diverse sectors encouraged me to wonder Thesis order to reflect the current state of the sector and to evaluate future alternatives for the Spanish Shipbuilding, knowing that many "teachers" really allowed in our country, with extensive knowledge and experience that often, despite proposals and the efforts that have been made to boost the sector, have met with adverse situations, whether economic, social and labor, political kind ‐at national, European or global‐level, etc., that have prevented a strengthening of all sectors we wished. The historical pressure from competing countries in Shipbuilding Asian area and Far East, as well as commitments arising from EU directives, have forced the shipbuilding industry in Spain to seek a new strategic positions present and, above all, future. Starting from an analysis of the shipbuilding sector, both national and international market, with special focus on the leading countries, we propose to investigate, following the model of Porter, the competitive forces that have influenced recent decades and have led to the current situation, assessing the competitive structure of the relevant environment and the effects of globalization, with the threat of new and existing competitors and barriers. To address this research has analyzed the naval sector with the following methodology: 1. Analysis of the current state of shipbuilding in Spain. 2. Analysis of the current state of shipbuilding in the world. 3. Study of the demand in the market and evolution of the same in recent years: very focused on the leading and most competitive countries. 4. Study of business prospects in the maritime and oceanic sector: private study of maritime transport and a comparison with the exploitation of ocean resources. Finally it was decided not to address a lack of data future military construction. 5. Study of characteristics of the Spanish shipbuilding and shipyard capacity. It is particularly focused on building the capacity to assess future. 6. Analysis of competitive forces of the Spanish shipbuilding industry from the model of Porter. In this part they include some critics of the external and internal factors that help identify barriers and strategies in the environment of global shipbuilding sector. 7. Identification of business opportunities by 2050. 8. Alternatives to a competitive strategy of action against future opportunities in 2050. This thesis has sought to provide a competitive study updated according to Porter's model, in order to propose a possible future competitive strategy to reach a competitive position at the shipbuilding industry and the maritime sector in Spain in the coming decades. The historical pressure from competing countries in the Asian sphere Shipbuilding and Far East, as well as commitments arising from EU directives have forced the shipbuilding industry in Spain to seek a new strategic positioning. Starting from an analysis of the shipbuilding sector, both national and international market, with a special focus on the leading countries, it is proposed to analyze, following the model of Porter, the competitive forces that have influenced in recent decades and have led to the current situation, studying the competitive structure of the relevant environment and the effects of globalization, with the threat of new and existing competitors and barriers. It concludes with a forecast of future market and business opportunities arising in the global environment of maritime and naval Industry, in order to propose a possible competitive strategy for the near future, which could help to achieve a competitive position on the shipbuilding and maritime sector in Spain for the coming decades.

Nepfix: on-demand cloud elastic simulation of networks of evolutionary processors

Una Red de Procesadores Evolutivos o NEP (por sus siglas en ingles), es un modelo computacional inspirado por el modelo evolutivo de las celulas, específicamente por las reglas de multiplicación de las mismas. Esta inspiración hace que el modelo sea una abstracción sintactica de la manipulation de information de las celulas. En particu¬lar, una NEP define una maquina de cómputo teorica capaz de resolver problemas NP completos de manera eficiente en tóerminos de tiempo. En la praóctica, se espera que las NEP simuladas en móaquinas computacionales convencionales puedan resolver prob¬lemas reales complejos (que requieran ser altamente escalables) a cambio de una alta complejidad espacial. En el modelo NEP, las cóelulas estóan representadas por palabras que codifican sus secuencias de ADN. Informalmente, en cualquier momento de cómputo del sistema, su estado evolutivo se describe como un coleccion de palabras, donde cada una de ellas representa una celula. Estos momentos fijos de evolucion se denominan configuraciones. De manera similar al modelo biologico, las palabras (celulas) mutan y se dividen en base a bio-operaciones sencillas, pero solo aquellas palabras aptas (como ocurre de forma parecida en proceso de selection natural) seran conservadas para la siguiente configuracióon. Una NEP como herramienta de computation, define una arquitectura paralela y distribuida de procesamiento simbolico, en otras palabras, una red de procesadores de lenguajes. Desde el momento en que el modelo fue propuesto a la comunidad científica en el año 2001, múltiples variantes se han desarrollado y sus propiedades respecto a la completitud computacional, eficiencia y universalidad han sido ampliamente estudiadas y demostradas. En la actualidad, por tanto, podemos considerar que el modelo teórico NEP se encuentra en el estadio de la madurez. La motivación principal de este Proyecto de Fin de Grado, es proponer una aproxi-mación práctica que permita dar un salto del modelo teórico NEP a una implantación real que permita su ejecucion en plataformas computacionales de alto rendimiento, con el fin de solucionar problemas complejos que demanda la sociedad actual. Hasta el momento, las herramientas desarrolladas para la simulation del modelo NEP, si bien correctas y con resultados satisfactorios, normalmente estón atadas a su entorno de ejecucion, ya sea el uso de hardware específico o implementaciones particulares de un problema. En este contexto, el propósito fundamental de este trabajo es el desarrollo de Nepfix, una herramienta generica y extensible para la ejecucion de cualquier algo¬ritmo de un modelo NEP (o alguna de sus variantes), ya sea de forma local, como una aplicación tradicional, o distribuida utilizando los servicios de la nube. Nepfix es una aplicacion software desarrollada durante 7 meses y que actualmente se encuentra en su segunda iteration, una vez abandonada la fase de prototipo. Nepfix ha sido disenada como una aplicacion modular escrita en Java 8 y autocontenida, es decir, no requiere de un entorno de ejecucion específico (cualquier maquina virtual de Java es un contenedor vólido). Nepfix contiene dos componentes o móodulos. El primer móodulo corresponde a la ejecución de una NEP y es por lo tanto, el simulador. Para su desarrollo, se ha tenido en cuenta el estado actual del modelo, es decir, las definiciones de los procesadores y filtros mas comunes que conforman la familia del modelo NEP. Adicionalmente, este componente ofrece flexibilidad en la ejecucion, pudiendo ampliar las capacidades del simulador sin modificar Nepfix, usando para ello un lenguaje de scripting. Dentro del desarrollo de este componente, tambióen se ha definido un estóandar de representacióon del modelo NEP basado en el formato JSON y se propone una forma de representation y codificación de las palabras, necesaria para la comunicación entre servidores. Adicional-mente, una característica importante de este componente, es que se puede considerar una aplicacion aislada y por tanto, la estrategia de distribution y ejecución son total-mente independientes. El segundo moódulo, corresponde a la distribucióon de Nepfix en la nube. Este de-sarrollo es el resultado de un proceso de i+D, que tiene una componente científica considerable. Vale la pena resaltar el desarrollo de este modulo no solo por los resul-tados prócticos esperados, sino por el proceso de investigation que se se debe abordar con esta nueva perspectiva para la ejecución de sistemas de computación natural. La principal característica de las aplicaciones que se ejecutan en la nube es que son gestionadas por la plataforma y normalmente se encapsulan en un contenedor. En el caso de Nepfix, este contenedor es una aplicacion Spring que utiliza el protocolo HTTP o AMQP para comunicarse con el resto de instancias. Como valor añadido, Nepfix aborda dos perspectivas de implementation distintas (que han sido desarrolladas en dos iteraciones diferentes) del modelo de distribution y ejecucion, que tienen un impacto muy significativo en las capacidades y restricciones del simulador. En concreto, la primera iteration utiliza un modelo de ejecucion asincrono. En esta perspectiva asincrona, los componentes de la red NEP (procesadores y filtros) son considerados como elementos reactivos a la necesidad de procesar una palabra. Esta implementation es una optimization de una topologia comun en el modelo NEP que permite utilizar herramientas de la nube para lograr un escalado transparente (en lo ref¬erente al balance de carga entre procesadores) pero produce efectos no deseados como indeterminacion en el orden de los resultados o imposibilidad de distribuir eficiente-mente redes fuertemente interconectadas. Por otro lado, la segunda iteration corresponde al modelo de ejecucion sincrono. Los elementos de una red NEP siguen un ciclo inicio-computo-sincronizacion hasta que el problema se ha resuelto. Esta perspectiva sincrona representa fielmente al modelo teórico NEP pero el proceso de sincronizacion es costoso y requiere de infraestructura adicional. En concreto, se requiere un servidor de colas de mensajes RabbitMQ. Sin embargo, en esta perspectiva los beneficios para problemas suficientemente grandes superan a los inconvenientes, ya que la distribuciín es inmediata (no hay restricciones), aunque el proceso de escalado no es trivial. En definitiva, el concepto de Nepfix como marco computacional se puede considerar satisfactorio: la tecnología es viable y los primeros resultados confirman que las carac-terísticas que se buscaban originalmente se han conseguido. Muchos frentes quedan abiertos para futuras investigaciones. En este documento se proponen algunas aproxi-maciones a la solucion de los problemas identificados como la recuperacion de errores y la division dinamica de una NEP en diferentes subdominios. Por otra parte, otros prob-lemas, lejos del alcance de este proyecto, quedan abiertos a un futuro desarrollo como por ejemplo, la estandarización de la representación de las palabras y optimizaciones en la ejecucion del modelo síncrono. Finalmente, algunos resultados preliminares de este Proyecto de Fin de Grado han sido presentados recientemente en formato de artículo científico en la "International Work-Conference on Artificial Neural Networks (IWANN)-2015" y publicados en "Ad-vances in Computational Intelligence" volumen 9094 de "Lecture Notes in Computer Science" de Springer International Publishing. Lo anterior, es una confirmation de que este trabajo mas que un Proyecto de Fin de Grado, es solo el inicio de un trabajo que puede tener mayor repercusion en la comunidad científica. Abstract Network of Evolutionary Processors -NEP is a computational model inspired by the evolution of cell populations, which might model some properties of evolving cell communities at the syntactical level. NEP defines theoretical computing devices able to solve NP complete problems in an efficient manner. In this model, cells are represented by words which encode their DNA sequences. Informally, at any moment of time, the evolutionary system is described by a collection of words, where each word represents one cell. Cells belong to species and their community evolves according to mutations and division which are defined by operations on words. Only those cells are accepted as surviving (correct) ones which are represented by a word in a given set of words, called the genotype space of the species. This feature is analogous with the natural process of evolution. Formally, NEP is based on an architecture for parallel and distributed processing, in other words, a network of language processors. Since the date when NEP was pro¬posed, several extensions and variants have appeared engendering a new set of models named Networks of Bio-inspired Processors (NBP). During this time, several works have proved the computational power of NBP. Specifically, their efficiency, universality, and computational completeness have been thoroughly investigated. Therefore, we can say that the NEP model has reached its maturity. The main motivation for this End of Grade project (EOG project in short) is to propose a practical approximation that allows to close the gap between theoretical NEP model and a practical implementation in high performing computational platforms in order to solve some of high the high complexity problems society requires today. Up until now tools developed to simulate NEPs, while correct and successful, are usu¬ally tightly coupled to the execution environment, using specific software frameworks (Hadoop) or direct hardware usage (GPUs). Within this context the main purpose of this work is the development of Nepfix, a generic and extensible tool that aims to execute algorithms based on NEP model and compatible variants in a local way, similar to a traditional application or in a distributed cloud environment. Nepfix as an application was developed during a 7 month cycle and is undergoing its second iteration once the prototype period was abandoned. Nepfix is designed as a modular self-contained application written in Java 8, that is, no additional external dependencies are required and it does not rely on an specific execution environment, any JVM is a valid container. Nepfix is made of two components or modules. The first module corresponds to the NEP execution and therefore simulation. During the development the current state of the theoretical model was used as a reference including most common filters and processors. Additionally extensibility is provided by the use of Python as a scripting language to run custom logic. Along with the simulation a definition language for NEP has been defined based on JSON as well as a mechanisms to represent words and their possible manipulations. NEP simulator is isolated from distribution and as mentioned before different applications that include it as a dependency are possible, the distribution of NEPs is an example of this. The second module corresponds to executing Nepfix in the cloud. The development carried a heavy R&D process since this front was not explored by other research groups until now. It's important to point out that the development of this module is not focused on results at this point in time, instead we focus on feasibility and discovery of this new perspective to execute natural computing systems and NEPs specifically. The main properties of cloud applications is that they are managed by the platform and are encapsulated in a container. For Nepfix a Spring application becomes the container and the HTTP or AMQP protocols are used for communication with the rest of the instances. Different execution perspectives were studied, namely asynchronous and synchronous models were developed for solving different kind of problems using NEPs. Different limitations and restrictions manifest in both models and are explored in detail in the respective chapters. In conclusion we can consider that Nepfix as a computational framework is suc-cessful: Cloud technology is ready for the challenge and the first results reassure that the properties Nepfix project pursued were met. Many investigation branches are left open for future investigations. In this EOG implementation guidelines are proposed for some of them like error recovery or dynamic NEP splitting. On the other hand other interesting problems that were not in the scope of this project were identified during development like word representation standardization or NEP model optimizations. As a confirmation that the results of this work can be useful to the scientific com-munity a preliminary version of this project was published in The International Work- Conference on Artificial Neural Networks (IWANN) in May 2015. Development has not stopped since that point and while Nepfix in it's current state can not be consid¬ered a final product the most relevant ideas, possible problems and solutions that were produced during the seven months development cycle are worthy to be gathered and presented giving a meaning to this EOG work.

Applications of Formal Languages to Management of Manned and Unmanned Aircraft

En el futuro, la gestión del tráfico aéreo (ATM, del inglés air traffic management) requerirá un cambio de paradigma, de la gestión principalmente táctica de hoy, a las denominadas operaciones basadas en trayectoria. Un incremento en el nivel de automatización liberará al personal de ATM —controladores, tripulación, etc.— de muchas de las tareas que realizan hoy. Las personas seguirán siendo el elemento central en la gestión del tráfico aéreo del futuro, pero lo serán mediante la gestión y toma de decisiones. Se espera que estas dos mejoras traigan un incremento en la eficiencia de la gestión del tráfico aéreo que permita hacer frente al incremento previsto en la demanda de transporte aéreo. Para aplicar el concepto de operaciones basadas en trayectoria, el usuario del espacio aéreo (la aerolínea, piloto, u operador) y el proveedor del servicio de navegación aérea deben negociar las trayectorias mediante un proceso de toma de decisiones colaborativo. En esta negociación, es necesaria una forma adecuada de compartir dichas trayectorias. Compartir la trayectoria completa requeriría un gran ancho de banda, y la trayectoria compartida podría invalidarse si cambiase la predicción meteorológica. En su lugar, podría compartirse una descripción de la trayectoria independiente de las condiciones meteorológicas, de manera que la trayectoria real se pudiese calcular a partir de dicha descripción. Esta descripción de la trayectoria debería ser fácil de procesar usando un programa de ordenador —ya que parte del proceso de toma de decisiones estará automatizado—, pero también fácil de entender para un operador humano —que será el que supervise el proceso y tome las decisiones oportunas—. Esta tesis presenta una serie de lenguajes formales que pueden usarse para este propósito. Estos lenguajes proporcionan los medios para describir trayectorias de aviones durante todas las fases de vuelo, desde la maniobra de push-back (remolcado hasta la calle de rodaje), hasta la llegada a la terminal del aeropuerto de destino. También permiten describir trayectorias tanto de aeronaves tripuladas como no tripuladas, incluyendo aviones de ala fija y cuadricópteros. Algunos de estos lenguajes están estrechamente relacionados entre sí, y organizados en una jerarquía. Uno de los lenguajes fundamentales de esta jerarquía, llamado aircraft intent description language (AIDL), ya había sido desarrollado con anterioridad a esta tesis. Este lenguaje fue derivado de las ecuaciones del movimiento de los aviones de ala fija, y puede utilizarse para describir sin ambigüedad trayectorias de este tipo de aeronaves. Una variante de este lenguaje, denominada quadrotor AIDL (QR-AIDL), ha sido desarrollada en esta tesis para permitir describir trayectorias de cuadricópteros con el mismo nivel de detalle. Seguidamente, otro lenguaje, denominado intent composite description language (ICDL), se apoya en los dos lenguajes anteriores, ofreciendo más flexibilidad para describir algunas partes de la trayectoria y dejar otras sin especificar. El ICDL se usa para proporcionar descripciones genéricas de maniobras comunes, que después se particularizan y combinan para formar descripciones complejas de un vuelo. Otro lenguaje puede construirse a partir del ICDL, denominado flight intent description language (FIDL). El FIDL especifica requisitos de alto nivel sobre las trayectorias —incluyendo restricciones y objetivos—, pero puede utilizar características del ICDL para proporcionar niveles de detalle arbitrarios en las distintas partes de un vuelo. Tanto el ICDL como el FIDL han sido desarrollados en colaboración con Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). También se ha desarrollado un lenguaje para definir misiones en las que interactúan varias aeronaves, el mission intent description language (MIDL). Este lenguaje se basa en el FIDL y mantiene todo su poder expresivo, a la vez que proporciona nuevas semánticas para describir tareas, restricciones y objetivos relacionados con la misión. En ATM, los movimientos de un avión en la superficie de aeropuerto también tienen que ser monitorizados y gestionados. Otro lenguaje formal ha sido diseñado con este propósito, llamado surface movement description language (SMDL). Este lenguaje no pertenece a la jerarquía de lenguajes descrita en el párrafo anterior, y se basa en las clearances (autorizaciones del controlador) utilizadas durante las operaciones en superficie de aeropuerto. También proporciona medios para expresar incertidumbre y posibilidad de cambios en las distintas partes de la trayectoria. Finalmente, esta tesis explora las aplicaciones de estos lenguajes a la predicción de trayectorias y a la planificación de misiones. El concepto de trajectory language processing engine (TLPE) se usa en ambas aplicaciones. Un TLPE es una función de ATM cuya principal entrada y salida se expresan en cualquiera de los lenguajes incluidos en la jerarquía descrita en esta tesis. El proceso de predicción de trayectorias puede definirse como una combinación de TLPEs, cada uno de los cuales realiza una pequeña sub-tarea. Se le ha dado especial importancia a uno de estos TLPEs, que se encarga de generar el perfil horizontal, vertical y de configuración de la trayectoria. En particular, esta tesis presenta un método novedoso para la generación del perfil vertical. El proceso de planificar una misión también se puede ver como un TLPE donde la entrada se expresa en MIDL y la salida consiste en cierto número de trayectorias —una por cada aeronave disponible— descritas utilizando FIDL. Se ha formulado este problema utilizando programación entera mixta. Además, dado que encontrar caminos óptimos entre distintos puntos es un problema fundamental en la planificación de misiones, también se propone un algoritmo de búsqueda de caminos. Este algoritmo permite calcular rápidamente caminos cuasi-óptimos que esquivan todos los obstáculos en un entorno urbano. Los diferentes lenguajes formales definidos en esta tesis pueden utilizarse como una especificación estándar para la difusión de información entre distintos actores de la gestión del tráfico aéreo. En conjunto, estos lenguajes permiten describir trayectorias con el nivel de detalle necesario en cada aplicación, y se pueden utilizar para aumentar el nivel de automatización explotando esta información utilizando sistemas de soporte a la toma de decisiones. La aplicación de estos lenguajes a algunas funciones básicas de estos sistemas, como la predicción de trayectorias, han sido analizadas. ABSTRACT Future air traffic management (ATM) will require a paradigm shift from today’s mainly tactical ATM to trajectory-based operations (TBOs). An increase in the level of automation will also relieve humans —air traffic control officers (ATCOs), flight crew, etc.— from many of the tasks they perform today. Humans will still be central in this future ATM, as decision-makers and managers. These two improvements (TBOs and increased automation) are expected to provide the increase in ATM performance that will allow coping with the expected increase in air transport demand. Under TBOs, trajectories are negotiated between the airspace user (an airline, pilot, or operator) and the air navigation service provider (ANSP) using a collaborative decision making (CDM) process. A suitable method for sharing aircraft trajectories is necessary for this negotiation. Sharing a whole trajectory would require a high amount of bandwidth, and the shared trajectory might become invalid if the weather forecast changed. Instead, a description of the trajectory, decoupled from the weather conditions, could be shared, so that the actual trajectory could be computed from this trajectory description. This trajectory description should be easy to process using a computing program —as some of the CDM processes will be automated— but also easy to understand for a human operator —who will be supervising the process and making decisions. This thesis presents a series of formal languages that can be used for this purpose. These languages provide the means to describe aircraft trajectories during all phases of flight, from push back to arrival at the gate. They can also describe trajectories of both manned and unmanned aircraft, including fixedwing and some rotary-wing aircraft (quadrotors). Some of these languages are tightly interrelated and organized in a language hierarchy. One of the key languages in this hierarchy, the aircraft intent description language (AIDL), had already been developed prior to this thesis. This language was derived from the equations of motion of fixed-wing aircraft, and can provide an unambiguous description of fixed-wing aircraft trajectories. A variant of this language, the quadrotor AIDL (QR-AIDL), is developed in this thesis to allow describing a quadrotor aircraft trajectory with the same level of detail. Then, the intent composite description language (ICDL) is built on top of these two languages, providing more flexibility to describe some parts of the trajectory while leaving others unspecified. The ICDL is used to provide generic descriptions of common aircraft manoeuvres, which can be particularized and combined to form complex descriptions of flight. Another language is built on top of the ICDL, the flight intent description language (FIDL). The FIDL specifies high-level requirements on trajectories —including constraints and objectives—, but can use features of the ICDL to provide arbitrary levels of detail in different parts of the flight. The ICDL and FIDL have been developed in collaboration with Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). Also, the mission intent description language (MIDL) has been developed to allow describing missions involving multiple aircraft. This language is based on the FIDL and keeps all its expressive power, while it also provides new semantics for describing mission tasks, mission objectives, and constraints involving several aircraft. In ATM, the movement of aircraft while on the airport surface also has to be monitored and managed. Another formal language has been designed for this purpose, denoted surface movement description language (SMDL). This language does not belong to the language hierarchy described above, and it is based on the clearances used in airport surface operations. Means to express uncertainty and mutability of different parts of the trajectory are also provided. Finally, the applications of these languages to trajectory prediction and mission planning are explored in this thesis. The concept of trajectory language processing engine (TLPE) is used in these two applications. A TLPE is an ATM function whose main input and output are expressed in any of the languages in the hierarchy described in this thesis. A modular trajectory predictor is defined as a combination of multiple TLPEs, each of them performing a small subtask. Special attention is given to the TLPE that builds the horizontal, vertical, and configuration profiles of the trajectory. In particular, a novel method for the generation of the vertical profile is presented. The process of planning a mission can also be seen as a TLPE, where the main input is expressed in the MIDL and the output consists of a number of trajectory descriptions —one for each aircraft available in the mission— expressed in the FIDL. A mixed integer linear programming (MILP) formulation for the problem of assigning mission tasks to the available aircraft is provided. In addition, since finding optimal paths between locations is a key problem to mission planning, a novel path finding algorithm is presented. This algorithm can compute near-shortest paths avoiding all obstacles in an urban environment in very short times. The several formal languages described in this thesis can serve as a standard specification to share trajectory information among different actors in ATM. In combination, these languages can describe trajectories with the necessary level of detail for any application, and can be used to increase automation by exploiting this information using decision support tools (DSTs). Their applications to some basic functions of DSTs, such as trajectory prediction, have been analized.

The growth of demand will limit output growth for food over the next quarter century

The rate of growth of world food demand will be much slower for 1990–2010 than it was for the prior three decades. The major factor determining the increase in food demand is population growth. Income growth has a much smaller effect. From 1960 to 1990, population growth accounted for approximately three fourths of the growth in demand or use of grain. For 1990–2010, it is anticipated that population growth will account for nearly all of the increase in world demand for grain. The rate of population growth from 1990 to 2020 is projected to be at an annual rate of 1.3% compared with 1.9% for 1960 to 1990—a decline of more than 30%. World per capita use of grain will increase very little—perhaps by 4%. The increase in grain use is projected to be 40% less than in 1960–1990. It is anticipated that real grain prices will decline during the period, although not nearly as much as the 40% decline in the previous three decades. Concern has been expressed concerning the deterioration of the quality and productivity of the world’s farmland. A study for China and Indonesia indicates that there has been no significant change in the productive capacity of the land over the past 50 years. Contrary to numerous claims, the depth of the topsoil has not changed, indicating that erosion has had little or no impact.