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.

Fundamentos de la narrativa transmedia para el desarrollo del periodismo de datos

En la actualidad, estudiar comunicación y, específicamente, periodismo es una necesidad, aunque, al mismo tiempo, es un desafío. Esto se justifica por el dinamismo del ecosistema mediático contemporáneo, que corresponde a los medios, a las tecnologías emergentes y a la sociedad, cada vez más participante de los procesos comunicacionales. De hecho, estas transformaciones han cambiado no sólo los procesos, sino, también, las componentes de los grupos profesionales que trabajan en la construcción de la noticia contemporánea, ahora convertida en multilenguaje y pensada para dispositivos antes no pensados, como los teléfonos móviles y las tabletas. Entre los cambios, se destaca el periodismo de datos que tiene en cuenta el fenómeno big data y los contenidos de información disponibles en la nube, informaciones muchas veces disfrazadas o desapercibidas entre contenidos no tan importantes. Para trabajar con estos contenidos y en escenarios emergentes binarios, se justifica la creciente participación de profesionales de las ciencias exactas y de las ingenierías en las salas de redacción de los medios, pues ahora es necesario pensar en la selección, limpieza y comprensión, además de construir el espacio de publicación bajo conceptos digitales para lo multiplataforma. Complementariamente, encontramos una sociedad cada vez más constructora de espacios y caminos para la circulación y retroalimentación de contenidos a través de los medios sociales, posicionándose estos como productores de contenido, es decir, en fuentes activas. Esta investigación de tesis doctoral se ha desarrollado con el objetivo de crear un medio social para el desarrollo del periodismo de datos que tiene como base conceptual la narrativa transmedia, los contenidos multiplataforma y el conectivismo, elementos clave para comprender las posibilidades y aprovechar el conocimiento colectivo disponible en la nube. Por tanto, se han compartido conocimientos y metodologías apropiadas para la investigación en los campos del periodismo y de la ingeniería, tornándose necesaria la inmersión en conceptos relacionados del periodismo, el periodismo de datos, lenguajes y la sociedad mediática para, al final, desarrollar un algoritmo bajo formato de diagrama de flujo, y sus respectivas interfaces, del medio social thirdnews, que sirviera como modelo de ejecución de programación del producto. Entre las metodologías adoptadas, se destacan la investigación bibliográfica y la investigación cuasi-experimental, que empieza a ser común en tesis sobre comunicación aplicada, además del concepto de modelaje de producto y el método Roadmap, utilizados con frecuencia en tesis de ingeniería de producción. Con las conclusiones de la tesis, se espera no sólo poner en práctica el desarrollo del medio social, sino, también, presentar reflexiones teóricas y prácticas sobre el periodismo de datos en las redacciones de los medios actuales.

Programación y simulación de un PLC

Manual de la Práctica 1. Programación y Simulación de un PLC

Ejercicio de programación con GRAFCET de un PLC

Ejercicios de la práctica 2. Programación con GRAFCET de un PLC.

Unidad 5. Herencia (curso 2011-2012)

Unidad 5. Herencia.

Tema 2, parte 1: Lenguajes de marcado: HTML y XHTML

En esta presentación se ven los fundamentos de los diferentes lenguajes de marcado empleados comúnmente en la web actual: HTML4, HTML5 y XHTML.

Colección de exámenes de la asignatura Aplicación de Ordenadores 2005 – 2011: fundamentos de programación y algoritmia

Esta divulgación docente recoge los ejercicios resueltos de aquellos exámenes realizados durante los curso 2005-2011, correspondientes a la asignatura Aplicación de Ordenadores de 3º curso de la titulación de Ingeniería Técnica de Obras Públicas de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Alicante. El contenido de esta colección de exámenes versa sobre fundamentos de programación y algoritmos.

Uso de redes sociales para mejorar el rendimiento de los alumnos con diferentes estilos de aprendizaje

Debido a los cambios que el Espacio Europeo de Educación Superior introduce al potenciar las horas de trabajo no presencial, se hacen necesarios nuevos mecanismos para posibilitar una mejor comunicación y cooperación en el proceso de aprendizaje. Las redes sociales, como Facebook, pueden suministrar estos mecanismos, pero su uso satisfactorio para la docencia puede verse afectado en gran medida por el estilo de aprendizaje de los alumnos. Este artículo plantea la necesidad de estudiar la influencia de los diferentes estilos de aprendizaje en la docencia no presencial mediante el uso de redes sociales con el fin de incrementar el rendimiento de los alumnos. Cabe destacar que este artículo describe el proyecto “Las redes sociales y su relación con los estilos de aprendizaje” a realizar dentro del programa de Redes de Investigación en Docencia Universitaria del Instituto de Ciencias de la Educación de la Universidad de Alicante.

Influencia de los estilos de aprendizaje en el uso de redes sociales para docencia

Comunicación presentada en las IX Jornadas de Redes de Investigación en Docencia Universitaria, Alicante, 16-17 junio 2011.

Influencia de los estilos de aprendizaje en el uso de redes sociales para docencia [póster]

Póster presentado en las IX Jornadas de Redes de Investigación en Docencia Universitaria, Alicante, 16-17 junio 2011.

Las redes sociales y su relación con los estilos de aprendizaje

Memoria Redes ICE 2011

Enseñando a programar: un camino directo para desarrollar el pensamiento computacional

Está ampliamente aceptado que es fundamental desarrollar la habilidad de resolver problemas. El pensamiento computacional se basa en resolver problemas haciendo uso de conceptos fundamentales de la informática. Nada mejor para desarrollar la habilidad de resolver problemas usando conceptos informáticos que una asignatura de introducción a la programación. Este trabajo presenta nuestras reflexiones acerca de cómo iniciar a un estudiante en el campo de la programación de computadores. El trabajo no detalla los contenidos a impartir, sino que se centra en aspectos metodológicos, con la inclusión de experiencias y ejemplos concretos, a la vez que generales, extensibles a cualquier enseñanza de programación. En general, aunque se van desarrollado lenguajes cada vez más cercanos al lenguaje humano, la programación de ordenadores utilizando lenguajes formales no es una materia intuitiva y de fácil comprensión por parte de los estudiantes. A la persona que ya sabe programar le parece una tarea sencilla, pero al neófito no. Es más, dominar el arte de la programación es complejo. Por esta razón es indispensable utilizar todas las técnicas y herramientas posibles que faciliten dicha labor.

Entornos de programación no mediados simbólicamente para el desarrollo del pensamiento computacional. Una experiencia en la formación de profesores de Informática de la Universidad Central del Ecuador

Este artículo aborda la investigación, realizada con los estudiantes del primer semestre de la titulación de Informática de la Facultad de Filosofía, Letras y Ciencias de la Educación de la Universidad Central del Ecuador, cuyo propósito ha sido analizar el uso de entornos de programación no mediados simbólicamente como herramienta didáctica para el desarrollo del pensamiento computacional. Se pretende establecer las posibles ventajas de aplicar este tipo de entorno para que los estudiantes desarrollen habilidades del pensamiento computacional tales como la creatividad, modelación y abstracción, entre otras, consideradas relevantes dentro de la programación. La metodología en que se apoyó la investigación es mixta, con investigación de campo y documental a nivel descriptivo. Se utilizó como instrumento un cuestionario para la recolección de datos entre el alumnado de la titulación. Finalmente, con la información recopilada se procedió al procesamiento de datos a partir de la estadística descriptiva para, así, obtener resultados que permitiesen alcanzar las pertinentes conclusiones y recomendaciones.