Application of the agency theory for the analysis of performance-based mechanisms in road management

El WCTR es un congreso de reconocido prestigio internacional en el ámbito de la investigación del transporte, y aunque las actas publicadas están en formato digital y sin ISSN ni ISBN, lo consideramos lo suficientemente importante como para que se considere en los indicadores. This paper develops a model based on agency theory to analyze road management systems (under the different contract forms available today) that employ a mechanism of performance indicators to establish the payment of the agent. The base assumption is that of asymmetric information between the principal (Public Authorities) and the agent (contractor) and the risk aversion of this latter. It is assumed that the principal may only measure the agent?s performance indirectly and by means of certain performance indicators that may be verified by the authorities. In this model there is presumed to be a relation between the efforts made by the agent and the performance level measured by the corresponding indicators, though it is also considered that there may be dispersion between both variables that gives rise to a certain degree of randomness in the contract. An analysis of the optimal contract has been made on the basis of this model and in accordance with a series of parameters that characterize the economic environment and the particular conditions of road infrastructure. As a result of the analysis made, it is considered that an optimal contract should generally combine a fixed component and a payment in accordance with the performance level obtained. The higher the risk aversion of the agent and the greater the marginal cost of public funds, the lower the impact of this performance-based payment. By way of conclusion, the system of performance indicators should be as broad as possible but should not overweight those indicators that encompass greater randomness in their results.

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.

MAIA: an event-based modular architecture for intelligent agents

Online services are no longer isolated. The release of public APIs and technologies such as web hooks are allowing users and developers to access their information easily. Intelligent agents could use this information to provide a better user experience across services, connecting services with smart automatic. behaviours or actions. However, agent platforms are not prepared to easily add external sources such as web services, which hinders the usage of agents in the so-called Evented or Live Web. As a solution, this paper introduces an event-based architecture for agent systems, in accordance with the new tendencies in web programming. In particular, it is focused on personal agents that interact with several web services. With this architecture, called MAIA, connecting to new web services does not involve any modification in the platform.

Integrated deterministic-probabilistic safety assessment methodologies

(ENG) IDPSA (Integrated Deterministic-Probabilistic Safety Assessment) is a family of methods which use tightly coupled probabilistic and deterministic approaches to address respective sources of uncertainties, enabling Risk informed decision making in a consistent manner. The starting point of the IDPSA framework is that safety justification must be based on the coupling of deterministic (consequences) and probabilistic (frequency) considerations to address the mutual interactions between stochastic disturbances (e.g. failures of the equipment, human actions, stochastic physical phenomena) and deterministic response of the plant (i.e. transients). This paper gives a general overview of some IDPSA methods as well as some possible applications to PWR safety analyses (SPA)DPSA (Metodologías Integradas de Análisis Determinista-Probabilista de Seguridad) es un conjunto de métodos que utilizan métodos probabilistas y deterministas estrechamente acoplados para abordar las respectivas fuentes de incertidumbre, permitiendo la toma de decisiones Informada por el Riesgo de forma consistente. El punto de inicio del marco IDPSA es que la justificación de seguridad debe estar basada en el acoplamiento entre consideraciones deterministas (consecuencias) y probabilistas (frecuencia) para abordar la interacción mutua entre perturbaciones estocásticas (como por ejemplo fallos de los equipos, acciones humanas, fenómenos físicos estocásticos) y la respuesta determinista de la planta (como por ejemplo los transitorios). Este artículo da una visión general de algunos métodos IDSPA así como posibles aplicaciones al análisis de seguridad de los PWR.

A simplified spectral approachfor impedance-based damage identification of frp-strengthened rc beams

Hoy en día, el refuerzo y reparación de estructuras de hormigón armado mediante el pegado de bandas de polímeros reforzados con fibras (FRP) se emplea cada vez con más frecuencia a causa de sus numerosas ventajas. Sin embargo, las vigas reforzadas con esta técnica pueden experimentar un modo de fallo frágil a causa del despegue repentino de la banda de FRP a partir de una fisura intermedia. A pesar de su importancia, el número de trabajos que abordan el estudio de este mecanismo de fallo y su monitorización es muy limitado. Por ello, el desarrollo de metodologías capaces de monitorizar a largo plazo la adherencia de este refuerzo a las estructuras de hormigón e identificar cuándo se inicia el despegue de la banda constituyen un importante desafío a abordar. El principal objetivo de esta tesis es la implementación de una metodología fiable y efectiva, capaz de detectar el despegue de una banda de FRP en una viga de hormigón armado a partir de una fisura intermedia. Para alcanzar este objetivo se ha implementado un procedimiento de calibración numérica a partir de ensayos experimentales. Para ello, en primer lugar, se ha desarrollado un modelo numérico unidimensional simple y no costoso representativo del comportamiento de este tipo vigas de hormigón reforzadas con FRP, basado en un modelo de fisura discreta para el hormigón y el método de elementos espectrales. La formación progresiva de fisuras a flexion y el consiguiente despegue en la interface entre el hormigón y el FRP se formulan mediante la introducción de un nuevo elemento capaz de representar ambos fenómenos simultáneamente sin afectar al procedimiento numérico. Además, con el modelo propuesto, se puede obtener de una forma sencilla la respuesta dinámica en altas frecuencias de este tipo de estructuras, lo cual puede hacer muy útil su uso como herramienta de diagnosis y detección del despegue en su fase inicial mediante una monitorización de la variación de las características dinámicas locales de la estructura. Un método de evaluación no destructivo muy prometedor para la monitorización local de las estructuras es el método de la impedancia usando sensores-actuadores piezoeléctricos (PZT). La impedancia eléctrica de los sensores PZT se puede relacionar con la impedancia mecánica de las estructuras donde se encuentran adheridos Ya que la impedancia mecánica de una estructura se verá afectada por su deterioro, se pueden implementar indicadores de daño mediante una comparación del espectro de admitancia (inversa de la impedancia) a lo largo de distintas etapas durante el periodo de servicio de una estructura. Cualquier cambio en el espectro se podría interpretar como una variación en la integridad de la estructura. La impedancia eléctrica se mide a altas frecuencias con lo cual esta metodología debería ser muy sensible a la detección de estados de daño incipiente local, tal como se desea en la aplicación de este trabajo. Se ha implementado un elemento espectral PZT-FRP como extensión del modelo previamente desarrollado, con el objetivo de poder calcular numéricamente la impedancia eléctrica de sensores PZT adheridos a bandas de FRP sobre una viga de hormigón armado. El modelo, combinado con medidas experimentales captadas mediante sensores PZT, se implementa en el marco de una metodología de calibración de modelos para detectar cuantitativamente el despegue en la interfase entre una banda de FRP y una viga de hormigón. El procedimiento de optimización se resuelve empleando el método del enjambre cooperativo con un algoritmo bagging. Los resultados muestran una gran aproximación en la estimación del daño para el problema propuesto. Adicionalmente, se ha desarrollado también un método adaptativo para el mallado de elementos espectrales con el objetivo de localizar las zonas dañadas a partir de los resultados experimentales, el cual contribuye a aumentar la robustez y efectividad del método propuesto a la hora de identificar daños incipientes en su aparición inicial. Finalmente, se ha llevado a cabo un procedimiento de optimización multi-objetivo para detectar el despegue inicial en una viga de hormigón a escala real reforzada con FRP a partir de las impedancias captadas con una red de sensores PZT instrumentada a lo largo de la longitud de la viga. Cada sensor aporta los datos para definir cada una de las funciones objetivo que definen el procedimiento. Combinando el modelo previo de elementos espectrales con un algoritmo PSO multi-objetivo el procedimiento de detección de daño resultante proporciona resultados satisfactorios considerando la escala de la estructura y todas las incertidumbres características ligadas a este proceso. Los resultados obtenidos prueban la viabilidad y capacidad de los métodos antes mencionados y también su potencial en aplicaciones reales. Abstract Nowadays, the external bonding of fibre reinforced polymer (FRP) plates or sheets is increasingly used for the strengthening and retrofitting of reinforced concrete (RC) structures due to its numerous advantages. However, this kind of strengthening often leads to brittle failure modes being the most dominant failure mode the debonding induced by an intermediate crack (IC). In spite of its importance, the number of studies regarding the IC debonding mechanism and bond health monitoring is very limited. Methodologies able to monitor the long-term efficiency of bonding and successfully identify the initiation of FRP debonding constitute a challenge to be met. The main purpose of this thesisis the implementation of a reliable and effective methodology of damage identification able to detect intermediate crack debonding in FRP-strengthened RC beams. To achieve this goal, a model updating procedure based on numerical simulations and experimental tests has been implemented. For it, firstly, a simple and non-expensive one-dimensional model based on the discrete crack approach for concrete and the spectral element method has been developed. The progressive formation of flexural cracks and subsequent concrete-FRP interfacial debonding is formulated by the introduction of a new element able to represent both phenomena simultaneously without perturbing the numerical procedure. Furthermore, with the proposed model, high frequency dynamic response for these kinds of structures can also be obtained in a very simple and non-expensive way, which makes this procedure very useful as a tool for diagnoses and detection of debonding in its initial stage by monitoring the change in local dynamic characteristics. One very promising active non-destructive evaluation method for local monitoring is impedance-based structural health monitoring(SHM)using piezoelectric ceramic (PZT) sensor-actuators. The electrical impedance of the PZT can be directly related to the mechanical impedance of the host structural component where the PZT transducers are attached. Since the structural mechanical impedance will be affected by the presence of structural damage, comparisons of admittance (inverse of impedance) spectra at various times during the service period of the structure can be used as damage indicator. Any change in the spectra might be an indication of a change in the structural integrity. The electrical impedance is measured at high frequencies with which this methodology appears to be very sensitive to incipient damage in structural systems as desired for our application. Abonded-PZT-FRP spectral beam element approach based on an extension of the previous discrete crack approach is implemented in the calculation of the electrical impedance of the PZT transducer bonded to the FRP plates of a RC beam. This approach in conjunction with the experimental measurements of PZT actuator-sensors mounted on the structure is used to present an updating methodology to quantitatively detect interfacial debonding between a FRP strip and the host RC structure. The updating procedure is solved by using an ensemble particle swarm optimization approach with abagging algorithm, and the results demonstrate a big improvement for the performance and accuracy of the damage detection in the proposed problem. Additionally, an adaptive strategy of spectral element mesh has been also developed to detect damage location with experimental results, which shows the robustness and effectiveness of the proposed method to identify initial and incipient damages at its early stage. Lastly, multi-objective optimization has been carried out to detect debonding damage in a real scale FRP-strengthened RC beam by using impedance signatures. A net of PZT sensors is distributed along the beam to construct impedance-based multiple objectives under gradually induced damage scenario. By combining the spectral element model presented previously and an ensemble multi-objective PSO algorithm, the implemented damage detection process yields satisfactory predictions considering the scale and uncertainties of the structure. The obtained results prove the feasibility and capability of the aforementioned methods and also their potentials in real engineering applications.

Thermoplastic Polymer Nanocomposites Based on Inorganic Fullerene-like Nanoparticles and Inorganic Nanotubes

Using inorganic fullerene-like (IF) nanoparticles and inorganic nanotubes (INT) in organic-inorganic hybrid composite, materials provide the potential for improving thermal, mechanical, and tribological properties of conventional composites. The processing of such high-performance hybrid thermoplastic polymer nanocomposites is achieved via melt-blending without the aid of any modifier or compatibilizing agent. The incorporation of small quantities (0.1-4 wt.%) of IF/INTs (tungsten disulfide, IF-WS2 or molybdenum disulfide, MoS2) generates notable performance enhancements through reinforcement effects and excellent lubricating ability in comparison with promising carbon nanotubes or other inorganic nanoscale fillers. It was shown that these IF/INT nanocomposites can provide an effective balance between performance, cost effectiveness, and processability, which is of significant importance for extending the practical applications of diverse hierarchical thermoplastic-based composites.

Methodologies for Collision Risk Computation = Metodologías para Cálculo de Riesgo de Colisión

Esta tesis aborda metodologías para el cálculo de riesgo de colisión de satélites. La minimización del riesgo de colisión se debe abordar desde dos puntos de vista distintos. Desde el punto de vista operacional, es necesario filtrar los objetos que pueden presentar un encuentro entre todos los objetos que comparten el espacio con un satélite operacional. Puesto que las órbitas, del objeto operacional y del objeto envuelto en la colisión, no se conocen perfectamente, la geometría del encuentro y el riesgo de colisión deben ser evaluados. De acuerdo con dicha geometría o riesgo, una maniobra evasiva puede ser necesaria para evitar la colisión. Dichas maniobras implican un consumo de combustible que impacta en la capacidad de mantenimiento orbital y por tanto de la visa útil del satélite. Por tanto, el combustible necesario a lo largo de la vida útil de un satélite debe ser estimado en fase de diseño de la misión para una correcta definición de su vida útil, especialmente para satélites orbitando en regímenes orbitales muy poblados. Los dos aspectos, diseño de misión y aspectos operacionales en relación con el riesgo de colisión están abordados en esta tesis y se resumen en la Figura 3. En relación con los aspectos relacionados con el diseño de misión (parte inferior de la figura), es necesario evaluar estadísticamente las características de de la población espacial y las teorías que permiten calcular el número medio de eventos encontrados por una misión y su capacidad de reducir riesgo de colisión. Estos dos aspectos definen los procedimientos más apropiados para reducir el riesgo de colisión en fase operacional. Este aspecto es abordado, comenzando por la teoría descrita en [Sánchez-Ortiz, 2006]T.14 e implementada por el autor de esta tesis en la herramienta ARES [Sánchez-Ortiz, 2004b]T.15 proporcionada por ESA para la evaluación de estrategias de evitación de colisión. Esta teoría es extendida en esta tesis para considerar las características de los datos orbitales disponibles en las fases operacionales de un satélite (sección 4.3.3). Además, esta teoría se ha extendido para considerar riesgo máximo de colisión cuando la incertidumbre de las órbitas de objetos catalogados no es conocida (como se da el caso para los TLE), y en el caso de querer sólo considerar riesgo de colisión catastrófico (sección 4.3.2.3). Dichas mejoras se han incluido en la nueva versión de ARES [Domínguez-González and Sánchez-Ortiz, 2012b]T.12 puesta a disposición a través de [SDUP,2014]R.60. En fase operacional, los catálogos que proporcionan datos orbitales de los objetos espaciales, son procesados rutinariamente, para identificar posibles encuentros que se analizan en base a algoritmos de cálculo de riesgo de colisión para proponer maniobras de evasión. Actualmente existe una única fuente de datos públicos, el catálogo TLE (de sus siglas en inglés, Two Line Elements). Además, el Joint Space Operation Center (JSpOC) Americano proporciona mensajes con alertas de colisión (CSM) cuando el sistema de vigilancia americano identifica un posible encuentro. En función de los datos usados en fase operacional (TLE o CSM), la estrategia de evitación puede ser diferente debido a las características de dicha información. Es preciso conocer las principales características de los datos disponibles (respecto a la precisión de los datos orbitales) para estimar los posibles eventos de colisión encontrados por un satélite a lo largo de su vida útil. En caso de los TLE, cuya precisión orbital no es proporcionada, la información de precisión orbital derivada de un análisis estadístico se puede usar también en el proceso operacional así como en el diseño de la misión. En caso de utilizar CSM como base de las operaciones de evitación de colisiones, se conoce la precisión orbital de los dos objetos involucrados. Estas características se han analizado en detalle, evaluando estadísticamente las características de ambos tipos de datos. Una vez concluido dicho análisis, se ha analizado el impacto de utilizar TLE o CSM en las operaciones del satélite (sección 5.1). Este análisis se ha publicado en una revista especializada [Sánchez-Ortiz, 2015b]T.3. En dicho análisis, se proporcionan recomendaciones para distintas misiones (tamaño del satélite y régimen orbital) en relación con las estrategias de evitación de colisión para reducir el riesgo de colisión de manera significativa. Por ejemplo, en el caso de un satélite en órbita heliosíncrona en régimen orbital LEO, el valor típico del ACPL que se usa de manera extendida es 10-4. Este valor no es adecuado cuando los esquemas de evitación de colisión se realizan sobre datos TLE. En este caso, la capacidad de reducción de riesgo es prácticamente nula (debido a las grandes incertidumbres de los datos TLE) incluso para tiempos cortos de predicción. Para conseguir una reducción significativa del riesgo, sería necesario usar un ACPL en torno a 10-6 o inferior, produciendo unas 10 alarmas al año por satélite (considerando predicciones a un día) o 100 alarmas al año (con predicciones a tres días). Por tanto, la principal conclusión es la falta de idoneidad de los datos TLE para el cálculo de eventos de colisión. Al contrario, usando los datos CSM, debido a su mejor precisión orbital, se puede obtener una reducción significativa del riesgo con ACPL en torno a 10-4 (considerando 3 días de predicción). Incluso 5 días de predicción pueden ser considerados con ACPL en torno a 10-5. Incluso tiempos de predicción más largos se pueden usar (7 días) con reducción del 90% del riesgo y unas 5 alarmas al año (en caso de predicciones de 5 días, el número de maniobras se mantiene en unas 2 al año). La dinámica en GEO es diferente al caso LEO y hace que el crecimiento de las incertidumbres orbitales con el tiempo de propagación sea menor. Por el contrario, las incertidumbres derivadas de la determinación orbital son peores que en LEO por las diferencias en las capacidades de observación de uno y otro régimen orbital. Además, se debe considerar que los tiempos de predicción considerados para LEO pueden no ser apropiados para el caso de un satélite GEO (puesto que tiene un periodo orbital mayor). En este caso usando datos TLE, una reducción significativa del riesgo sólo se consigue con valores pequeños de ACPL, produciendo una alarma por año cuando los eventos de colisión se predicen a un día vista (tiempo muy corto para implementar maniobras de evitación de colisión).Valores más adecuados de ACPL se encuentran entre 5•10-8 y 10-7, muy por debajo de los valores usados en las operaciones actuales de la mayoría de las misiones GEO (de nuevo, no se recomienda en este régimen orbital basar las estrategias de evitación de colisión en TLE). Los datos CSM permiten una reducción de riesgo apropiada con ACPL entre 10-5 y 10-4 con tiempos de predicción cortos y medios (10-5 se recomienda para predicciones a 5 o 7 días). El número de maniobras realizadas sería una en 10 años de misión. Se debe notar que estos cálculos están realizados para un satélite de unos 2 metros de radio. En el futuro, otros sistemas de vigilancia espacial (como el programa SSA de la ESA), proporcionarán catálogos adicionales de objetos espaciales con el objetivo de reducir el riesgo de colisión de los satélites. Para definir dichos sistemas de vigilancia, es necesario identificar las prestaciones del catalogo en función de la reducción de riesgo que se pretende conseguir. Las características del catálogo que afectan principalmente a dicha capacidad son la cobertura (número de objetos incluidos en el catalogo, limitado principalmente por el tamaño mínimo de los objetos en función de las limitaciones de los sensores utilizados) y la precisión de los datos orbitales (derivada de las prestaciones de los sensores en relación con la precisión de las medidas y la capacidad de re-observación de los objetos). El resultado de dicho análisis (sección 5.2) se ha publicado en una revista especializada [Sánchez-Ortiz, 2015a]T.2. Este análisis no estaba inicialmente previsto durante la tesis, y permite mostrar como la teoría descrita en esta tesis, inicialmente definida para facilitar el diseño de misiones (parte superior de la figura 1) se ha extendido y se puede aplicar para otros propósitos como el dimensionado de un sistema de vigilancia espacial (parte inferior de la figura 1). La principal diferencia de los dos análisis se basa en considerar las capacidades de catalogación (precisión y tamaño de objetos observados) como una variable a modificar en el caso de un diseño de un sistema de vigilancia), siendo fijas en el caso de un diseño de misión. En el caso de las salidas generadas en el análisis, todos los aspectos calculados en un análisis estadístico de riesgo de colisión son importantes para diseño de misión (con el objetivo de calcular la estrategia de evitación y la cantidad de combustible a utilizar), mientras que en el caso de un diseño de un sistema de vigilancia, los aspectos más importantes son el número de maniobras y falsas alarmas (fiabilidad del sistema) y la capacidad de reducción de riesgo (efectividad del sistema). Adicionalmente, un sistema de vigilancia espacial debe ser caracterizado por su capacidad de evitar colisiones catastróficas (evitando así in incremento dramático de la población de basura espacial), mientras que el diseño de una misión debe considerar todo tipo de encuentros, puesto que un operador está interesado en evitar tanto las colisiones catastróficas como las letales. Del análisis de las prestaciones (tamaño de objetos a catalogar y precisión orbital) requeridas a un sistema de vigilancia espacial se concluye que ambos aspectos han de ser fijados de manera diferente para los distintos regímenes orbitales. En el caso de LEO se hace necesario observar objetos de hasta 5cm de radio, mientras que en GEO se rebaja este requisito hasta los 100 cm para cubrir las colisiones catastróficas. La razón principal para esta diferencia viene de las diferentes velocidades relativas entre los objetos en ambos regímenes orbitales. En relación con la precisión orbital, ésta ha de ser muy buena en LEO para poder reducir el número de falsas alarmas, mientras que en regímenes orbitales más altos se pueden considerar precisiones medias. En relación con los aspectos operaciones de la determinación de riesgo de colisión, existen varios algoritmos de cálculo de riesgo entre dos objetos espaciales. La Figura 2 proporciona un resumen de los casos en cuanto a algoritmos de cálculo de riesgo de colisión y como se abordan en esta tesis. Normalmente se consideran objetos esféricos para simplificar el cálculo de riesgo (caso A). Este caso está ampliamente abordado en la literatura y no se analiza en detalle en esta tesis. Un caso de ejemplo se proporciona en la sección 4.2. Considerar la forma real de los objetos (caso B) permite calcular el riesgo de una manera más precisa. Un nuevo algoritmo es definido en esta tesis para calcular el riesgo de colisión cuando al menos uno de los objetos se considera complejo (sección 4.4.2). Dicho algoritmo permite calcular el riesgo de colisión para objetos formados por un conjunto de cajas, y se ha presentado en varias conferencias internacionales. Para evaluar las prestaciones de dicho algoritmo, sus resultados se han comparado con un análisis de Monte Carlo que se ha definido para considerar colisiones entre cajas de manera adecuada (sección 4.1.2.3), pues la búsqueda de colisiones simples aplicables para objetos esféricos no es aplicable a este caso. Este análisis de Monte Carlo se considera la verdad a la hora de calcular los resultados del algoritmos, dicha comparativa se presenta en la sección 4.4.4. En el caso de satélites que no se pueden considerar esféricos, el uso de un modelo de la geometría del satélite permite descartar eventos que no son colisiones reales o estimar con mayor precisión el riesgo asociado a un evento. El uso de estos algoritmos con geometrías complejas es más relevante para objetos de dimensiones grandes debido a las prestaciones de precisión orbital actuales. En el futuro, si los sistemas de vigilancia mejoran y las órbitas son conocidas con mayor precisión, la importancia de considerar la geometría real de los satélites será cada vez más relevante. La sección 5.4 presenta un ejemplo para un sistema de grandes dimensiones (satélite con un tether). Adicionalmente, si los dos objetos involucrados en la colisión tienen velocidad relativa baja (y geometría simple, Caso C en la Figura 2), la mayor parte de los algoritmos no son aplicables requiriendo implementaciones dedicadas para este caso particular. En esta tesis, uno de estos algoritmos presentado en la literatura [Patera, 2001]R.26 se ha analizado para determinar su idoneidad en distintos tipos de eventos (sección 4.5). La evaluación frete a un análisis de Monte Carlo se proporciona en la sección 4.5.2. Tras este análisis, se ha considerado adecuado para abordar las colisiones de baja velocidad. En particular, se ha concluido que el uso de algoritmos dedicados para baja velocidad son necesarios en función del tamaño del volumen de colisión proyectado en el plano de encuentro (B-plane) y del tamaño de la incertidumbre asociada al vector posición entre los dos objetos. Para incertidumbres grandes, estos algoritmos se hacen más necesarios pues la duración del intervalo en que los elipsoides de error de los dos objetos pueden intersecar es mayor. Dicho algoritmo se ha probado integrando el algoritmo de colisión para objetos con geometrías complejas. El resultado de dicho análisis muestra que este algoritmo puede ser extendido fácilmente para considerar diferentes tipos de algoritmos de cálculo de riesgo de colisión (sección 4.5.3). Ambos algoritmos, junto con el método Monte Carlo para geometrías complejas, se han implementado en la herramienta operacional de la ESA CORAM, que es utilizada para evaluar el riesgo de colisión en las actividades rutinarias de los satélites operados por ESA [Sánchez-Ortiz, 2013a]T.11. Este hecho muestra el interés y relevancia de los algoritmos desarrollados para la mejora de las operaciones de los satélites. Dichos algoritmos han sido presentados en varias conferencias internacionales [Sánchez-Ortiz, 2013b]T.9, [Pulido, 2014]T.7,[Grande-Olalla, 2013]T.10, [Pulido, 2014]T.5, [Sánchez-Ortiz, 2015c]T.1. ABSTRACT This document addresses methodologies for computation of the collision risk of a satellite. Two different approaches need to be considered for collision risk minimisation. On an operational basis, it is needed to perform a sieve of possible objects approaching the satellite, among all objects sharing the space with an operational satellite. As the orbits of both, satellite and the eventual collider, are not perfectly known but only estimated, the miss-encounter geometry and the actual risk of collision shall be evaluated. In the basis of the encounter geometry or the risk, an eventual manoeuvre may be required to avoid the conjunction. Those manoeuvres will be associated to a reduction in the fuel for the mission orbit maintenance, and thus, may reduce the satellite operational lifetime. Thus, avoidance manoeuvre fuel budget shall be estimated, at mission design phase, for a better estimation of mission lifetime, especially for those satellites orbiting in very populated orbital regimes. These two aspects, mission design and operational collision risk aspects, are summarised in Figure 3, and covered along this thesis. Bottom part of the figure identifies the aspects to be consider for the mission design phase (statistical characterisation of the space object population data and theory computing the mean number of events and risk reduction capability) which will define the most appropriate collision avoidance approach at mission operational phase. This part is covered in this work by starting from the theory described in [Sánchez-Ortiz, 2006]T.14 and implemented by this author in ARES tool [Sánchez-Ortiz, 2004b]T.15 provided by ESA for evaluation of collision avoidance approaches. This methodology has been now extended to account for the particular features of the available data sets in operational environment (section 4.3.3). Additionally, the formulation has been extended to allow evaluating risk computation approached when orbital uncertainty is not available (like the TLE case) and when only catastrophic collisions are subject to study (section 4.3.2.3). These improvements to the theory have been included in the new version of ESA ARES tool [Domínguez-González and Sánchez-Ortiz, 2012b]T.12 and available through [SDUP,2014]R.60. At the operation phase, the real catalogue data will be processed on a routine basis, with adequate collision risk computation algorithms to propose conjunction avoidance manoeuvre optimised for every event. The optimisation of manoeuvres in an operational basis is not approached along this document. Currently, American Two Line Element (TLE) catalogue is the only public source of data providing orbits of objects in space to identify eventual conjunction events. Additionally, Conjunction Summary Message (CSM) is provided by Joint Space Operation Center (JSpOC) when the American system identifies a possible collision among satellites and debris. Depending on the data used for collision avoidance evaluation, the conjunction avoidance approach may be different. The main features of currently available data need to be analysed (in regards to accuracy) in order to perform estimation of eventual encounters to be found along the mission lifetime. In the case of TLE, as these data is not provided with accuracy information, operational collision avoidance may be also based on statistical accuracy information as the one used in the mission design approach. This is not the case for CSM data, which includes the state vector and orbital accuracy of the two involved objects. This aspect has been analysed in detail and is depicted in the document, evaluating in statistical way the characteristics of both data sets in regards to the main aspects related to collision avoidance. Once the analysis of data set was completed, investigations on the impact of those features in the most convenient avoidance approaches have been addressed (section 5.1). This analysis is published in a peer-reviewed journal [Sánchez-Ortiz, 2015b]T.3. The analysis provides recommendations for different mission types (satellite size and orbital regime) in regards to the most appropriate collision avoidance approach for relevant risk reduction. The risk reduction capability is very much dependent on the accuracy of the catalogue utilized to identify eventual collisions. Approaches based on CSM data are recommended against the TLE based approach. Some approaches based on the maximum risk associated to envisaged encounters are demonstrated to report a very large number of events, which makes the approach not suitable for operational activities. Accepted Collision Probability Levels are recommended for the definition of the avoidance strategies for different mission types. For example for the case of a LEO satellite in the Sun-synchronous regime, the typically used ACPL value of 10-4 is not a suitable value for collision avoidance schemes based on TLE data. In this case the risk reduction capacity is almost null (due to the large uncertainties associated to TLE data sets, even for short time-to-event values). For significant reduction of risk when using TLE data, ACPL on the order of 10-6 (or lower) seems to be required, producing about 10 warnings per year and mission (if one-day ahead events are considered) or 100 warnings per year (for three-days ahead estimations). Thus, the main conclusion from these results is the lack of feasibility of TLE for a proper collision avoidance approach. On the contrary, for CSM data, and due to the better accuracy of the orbital information when compared with TLE, ACPL on the order of 10-4 allows to significantly reduce the risk. This is true for events estimated up to 3 days ahead. Even 5 days ahead events can be considered, but ACPL values down to 10-5 should be considered in such case. Even larger prediction times can be considered (7 days) for risk reduction about 90%, at the cost of larger number of warnings up to 5 events per year, when 5 days prediction allows to keep the manoeuvre rate in 2 manoeuvres per year. Dynamics of the GEO orbits is different to that in LEO, impacting on a lower increase of orbits uncertainty along time. On the contrary, uncertainties at short prediction times at this orbital regime are larger than those at LEO due to the differences in observation capabilities. Additionally, it has to be accounted that short prediction times feasible at LEO may not be appropriate for a GEO mission due to the orbital period being much larger at this regime. In the case of TLE data sets, significant reduction of risk is only achieved for small ACPL values, producing about a warning event per year if warnings are raised one day in advance to the event (too short for any reaction to be considered). Suitable ACPL values would lay in between 5•10-8 and 10-7, well below the normal values used in current operations for most of the GEO missions (TLE-based strategies for collision avoidance at this regime are not recommended). On the contrary, CSM data allows a good reduction of risk with ACPL in between 10-5 and 10-4 for short and medium prediction times. 10-5 is recommended for prediction times of five or seven days. The number of events raised for a suitable warning time of seven days would be about one in a 10-year mission. It must be noted, that these results are associated to a 2 m radius spacecraft, impact of the satellite size are also analysed within the thesis. In the future, other Space Situational Awareness Systems (SSA, ESA program) may provide additional catalogues of objects in space with the aim of reducing the risk. It is needed to investigate which are the required performances of those catalogues for allowing such risk reduction. The main performance aspects are coverage (objects included in the catalogue, mainly limited by a minimum object size derived from sensor performances) and the accuracy of the orbital data to accurately evaluate the conjunctions (derived from sensor performance in regards to object observation frequency and accuracy). The results of these investigations (section 5.2) are published in a peer-reviewed journal [Sánchez-Ortiz, 2015a]T.2. This aspect was not initially foreseen as objective of the thesis, but it shows how the theory described in the thesis, initially defined for mission design in regards to avoidance manoeuvre fuel allocation (upper part of figure 1), is extended and serves for additional purposes as dimensioning a Space Surveillance and Tracking (SST) system (bottom part of figure below). The main difference between the two approaches is the consideration of the catalogue features as part of the theory which are not modified (for the satellite mission design case) instead of being an input for the analysis (in the case of the SST design). In regards to the outputs, all the features computed by the statistical conjunction analysis are of importance for mission design (with the objective of proper global avoidance strategy definition and fuel allocation), whereas for the case of SST design, the most relevant aspects are the manoeuvre and false alarm rates (defining a reliable system) and the Risk Reduction capability (driving the effectiveness of the system). In regards to the methodology for computing the risk, the SST system shall be driven by the capacity of providing the means to avoid catastrophic conjunction events (avoiding the dramatic increase of the population), whereas the satellite mission design should consider all type of encounters, as the operator is interested on avoiding both lethal and catastrophic collisions. From the analysis of the SST features (object coverage and orbital uncertainty) for a reliable system, it is concluded that those two characteristics are to be imposed differently for the different orbital regimes, as the population level is different depending on the orbit type. Coverage values range from 5 cm for very populated LEO regime up to 100 cm in the case of GEO region. The difference on this requirement derives mainly from the relative velocity of the encounters at those regimes. Regarding the orbital knowledge of the catalogues, very accurate information is required for objects in the LEO region in order to limit the number of false alarms, whereas intermediate orbital accuracy can be considered for higher orbital regimes. In regards to the operational collision avoidance approaches, several collision risk algorithms are used for evaluation of collision risk of two pair of objects. Figure 2 provides a summary of the different collision risk algorithm cases and indicates how they are covered along this document. The typical case with high relative velocity is well covered in literature for the case of spherical objects (case A), with a large number of available algorithms, that are not analysed in detailed in this work. Only a sample case is provided in section 4.2. If complex geometries are considered (Case B), a more realistic risk evaluation can be computed. New approach for the evaluation of risk in the case of complex geometries is presented in this thesis (section 4.4.2), and it has been presented in several international conferences. The developed algorithm allows evaluating the risk for complex objects formed by a set of boxes. A dedicated Monte Carlo method has also been described (section 4.1.2.3) and implemented to allow the evaluation of the actual collisions among a large number of simulation shots. This Monte Carlo runs are considered the truth for comparison of the algorithm results (section 4.4.4). For spacecrafts that cannot be considered as spheres, the consideration of the real geometry of the objects may allow to discard events which are not real conjunctions, or estimate with larger reliability the risk associated to the event. This is of particular importance for the case of large spacecrafts as the uncertainty in positions of actual catalogues does not reach small values to make a difference for the case of objects below meter size. As the tracking systems improve and the orbits of catalogued objects are known more precisely, the importance of considering actual shapes of the objects will become more relevant. The particular case of a very large system (as a tethered satellite) is analysed in section 5.4. Additionally, if the two colliding objects have low relative velocity (and simple geometries, case C in figure above), the most common collision risk algorithms fail and adequate theories need to be applied. In this document, a low relative velocity algorithm presented in the literature [Patera, 2001]R.26 is described and evaluated (section 4.5). Evaluation through comparison with Monte Carlo approach is provided in section 4.5.2. The main conclusion of this analysis is the suitability of this algorithm for the most common encounter characteristics, and thus it is selected as adequate for collision risk estimation. Its performances are evaluated in order to characterise when it can be safely used for a large variety of encounter characteristics. In particular, it is found that the need of using dedicated algorithms depend on both the size of collision volume in the B-plane and the miss-distance uncertainty. For large uncertainties, the need of such algorithms is more relevant since for small uncertainties the encounter duration where the covariance ellipsoids intersect is smaller. Additionally, its application for the case of complex satellite geometries is assessed (case D in figure above) by integrating the developed algorithm in this thesis with Patera’s formulation for low relative velocity encounters. The results of this analysis show that the algorithm can be easily extended for collision risk estimation process suitable for complex geometry objects (section 4.5.3). The two algorithms, together with the Monte Carlo method, have been implemented in the operational tool CORAM for ESA which is used for the evaluation of collision risk of ESA operated missions, [Sánchez-Ortiz, 2013a]T.11. This fact shows the interest and relevance of the developed algorithms for improvement of satellite operations. The algorithms have been presented in several international conferences, [Sánchez-Ortiz, 2013b]T.9, [Pulido, 2014]T.7,[Grande-Olalla, 2013]T.10, [Pulido, 2014]T.5, [Sánchez-Ortiz, 2015c]T.1.

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

Caracterización y análisis del coste de mejora de la calidad de servicio en transporte urbano en autobús, basado en la metodología ABC (activity based costing)

El estudio de la calidad de servicio en transporte público ha tenido distintos enfoques, tanto en la investigación como en sus aplicaciones prácticas, tales como el desarrollo del método SERVQUAL, los proyectos QUATTRO y EQUIP de la Comisión Europea, el Transit Capacity and Quality of Service Manual y finalmente el estándar EN 13816, siendo la consideración principal la calidad desde el punto de vista del usuario, es decir, la calidad percibida, cuyo objetivo en la práctica trata de obtener un Índice de Satisfacción del Cliente como medida de la calidad global. Esta aproximación deja de lado aspectos tanto sobre calidad suministrada como sobre los suministradores del servicio, las administraciones y los operadores, particularmente en cuanto a las implicaciones económicas. El objetivo principal de la presente tesis es la estimación del impacto económico real de la mejora de atributos de calidad para un operador de autobús urbano. En el capítulo 2, se lleva a cabo un análisis del estado del arte sobre el estudio de la calidad, tanto de los métodos de estudio, como de su aplicación al campo de transporte público, y, específicamente, del estudio de costes. En los capítulos 3 y 4 se propone la aplicación de la metodología ABC (Activity Based Costing) para el caso de un contrato de servicio de transporte público en autobús en la Comunidad de Madrid, concretamente la conexión de Tres Cantos. Para ello se utilizan datos de encuestas de calidad esperada y percibida por los usuarios, junto con información económica y de actividad, así como entrevistas a personal de la empresa, conformando todo ello una metodología compacta de investigación y análisis. Los resultados de las encuestas y los análisis posteriores identificaron la frecuencia de servicio, la puntualidad de los autobuses y la seguridad de la conducción como las tres variables mas importantes desde el punto de vista del usuario, y ha sido en referencia a estas tres variables sobre las que se ha desarrollado la aplicación del método ABC contenida en el capítulo 5. Los resultados descritos en el capítulo 6 muestran la consistencia y la aplicabilidad de esta metodología, superando las simplificaciones de los procedimientos tradicionales contables. En cuanto a los resultados obtenidos, se ha comprobado que una aproximación tradicional basada en costes por kilometro puede llegar a sobrevalorar los costes asociados a mejoras de calidad hasta tres veces los costes calculados según el método ABC. Finalmente en el capítulo 7 se recogen las principales conclusiones y se apuntan algunas líneas futuras de investigación basadas en mejoras sobre la aplicación y transferibilidad de los resultados. The study of service quality and its implication for transport contracts has several approaches in research and practical applications, such as the development of the SERVQUAL method, the UE QUATTRO and EQUIP research projects, the Transit Capacity and Quality of Service Manual and finally the EN 13816 standard. In all cases the main stream is the consideration of quality from the user’s point of view, thus obtaining a Customer Satisfaction Index as a measurement of the overall service quality. This approach ignores quality consequences for transport providers, authorities and operators, particularly economic implications. The main target of this thesis is to estimate the real economic impact of improving quality attributes for a bus operator. Chapter 2 includes a thorough analysis of the state of the art of general methodologies on service quality, their applications for public transport, and particularly for quality costing. In chapters 3 and 4, the Activity Based Costing (ABC) methodology is proposed for a suburban bus contract in Madrid, Tres Cantos. Perceived and expected quality surveys are used together with economic and performance information, as well as interviews with key staff from the operator. The whole set of surveys, interviews and ABC methodology puts together a comprehensive approach for analysis and research. Surveys and subsequent analysis shows service headway, punctuality and safety as the three most important service attributes from the user’s point of view. The proposed methodology has been applied to these three variables, as described in chapter 5. Results obtained in chapter 6 show the consistency and practicality of this methodology, overcoming simplifications from traditional accounting procedures. According to the latter, a calculation of costs based on mileage can overvalue quality improvements up to three times the results following ABC methodology. Finally, in chapter 7, the main conclusions are highlighted and some future research is suggested in terms of application improvements as well as results transferability.

Application of Agent Technology for Fault Diagnosis of Telecommunication Networks

La presente tesis doctoral contribuye al problema del diagnóstico autonómico de fallos en redes de telecomunicación. En las redes de telecomunicación actuales, las operadoras realizan tareas de diagnóstico de forma manual. Dichas operaciones deben ser llevadas a cabo por ingenieros altamente cualificados que cada vez tienen más dificultades a la hora de gestionar debidamente el crecimiento exponencial de la red tanto en tamaño, complejidad y heterogeneidad. Además, el advenimiento del Internet del Futuro hace que la demanda de sistemas que simplifiquen y automaticen la gestión de las redes de telecomunicación se haya incrementado en los últimos años. Para extraer el conocimiento necesario para desarrollar las soluciones propuestas y facilitar su adopción por los operadores de red, se propone una metodología de pruebas de aceptación para sistemas multi-agente enfocada en simplificar la comunicación entre los diferentes grupos de trabajo involucrados en todo proyecto de desarrollo software: clientes y desarrolladores. Para contribuir a la solución del problema del diagnóstico autonómico de fallos, se propone una arquitectura de agente capaz de diagnosticar fallos en redes de telecomunicación de manera autónoma. Dicha arquitectura extiende el modelo de agente Belief-Desire- Intention (BDI) con diferentes modelos de diagnóstico que gestionan las diferentes sub-tareas del proceso. La arquitectura propuesta combina diferentes técnicas de razonamiento para alcanzar su propósito gracias a un modelo estructural de la red, que usa razonamiento basado en ontologías, y un modelo causal de fallos, que usa razonamiento Bayesiano para gestionar debidamente la incertidumbre del proceso de diagnóstico. Para asegurar la adecuación de la arquitectura propuesta en situaciones de gran complejidad y heterogeneidad, se propone un marco de argumentación que permite diagnosticar a agentes que estén ejecutando en dominios federados. Para la aplicación de este marco en un sistema multi-agente, se propone un protocolo de coordinación en el que los agentes dialogan hasta alcanzar una conclusión para un caso de diagnóstico concreto. Como trabajos futuros, se consideran la extensión de la arquitectura para abordar otros problemas de gestión como el auto-descubrimiento o la auto-optimización, el uso de técnicas de reputación dentro del marco de argumentación para mejorar la extensibilidad del sistema de diagnóstico en entornos federados y la aplicación de las arquitecturas propuestas en las arquitecturas de red emergentes, como SDN, que ofrecen mayor capacidad de interacción con la red. ABSTRACT This PhD thesis contributes to the problem of autonomic fault diagnosis of telecommunication networks. Nowadays, in telecommunication networks, operators perform manual diagnosis tasks. Those operations must be carried out by high skilled network engineers which have increasing difficulties to properly manage the growing of those networks, both in size, complexity and heterogeneity. Moreover, the advent of the Future Internet makes the demand of solutions which simplifies and automates the telecommunication network management has been increased in recent years. To collect the domain knowledge required to developed the proposed solutions and to simplify its adoption by the operators, an agile testing methodology is defined for multiagent systems. This methodology is focused on the communication gap between the different work groups involved in any software development project, stakeholders and developers. To contribute to overcoming the problem of autonomic fault diagnosis, an agent architecture for fault diagnosis of telecommunication networks is defined. That architecture extends the Belief-Desire-Intention (BDI) agent model with different diagnostic models which handle the different subtasks of the process. The proposed architecture combines different reasoning techniques to achieve its objective using a structural model of the network, which uses ontology-based reasoning, and a causal model, which uses Bayesian reasoning to properly handle the uncertainty of the diagnosis process. To ensure the suitability of the proposed architecture in complex and heterogeneous environments, an argumentation framework is defined. This framework allows agents to perform fault diagnosis in federated domains. To apply this framework in a multi-agent system, a coordination protocol is defined. This protocol is used by agents to dialogue until a reliable conclusion for a specific diagnosis case is reached. Future work comprises the further extension of the agent architecture to approach other managements problems, such as self-discovery or self-optimisation; the application of reputation techniques in the argumentation framework to improve the extensibility of the diagnostic system in federated domains; and the application of the proposed agent architecture in emergent networking architectures, such as SDN, which offers new capabilities of control for the network.

Optimizing the reliability and resource efficiency of MapReduce-based systems

Debido al gran incremento de datos digitales que ha tenido lugar en los últimos años, ha surgido un nuevo paradigma de computación paralela para el procesamiento eficiente de grandes volúmenes de datos. Muchos de los sistemas basados en este paradigma, también llamados sistemas de computación intensiva de datos, siguen el modelo de programación de Google MapReduce. La principal ventaja de los sistemas MapReduce es que se basan en la idea de enviar la computación donde residen los datos, tratando de proporcionar escalabilidad y eficiencia. En escenarios libres de fallo, estos sistemas generalmente logran buenos resultados. Sin embargo, la mayoría de escenarios donde se utilizan, se caracterizan por la existencia de fallos. Por tanto, estas plataformas suelen incorporar características de tolerancia a fallos y fiabilidad. Por otro lado, es reconocido que las mejoras en confiabilidad vienen asociadas a costes adicionales en recursos. Esto es razonable y los proveedores que ofrecen este tipo de infraestructuras son conscientes de ello. No obstante, no todos los enfoques proporcionan la misma solución de compromiso entre las capacidades de tolerancia a fallo (o de manera general, las capacidades de fiabilidad) y su coste. Esta tesis ha tratado la problemática de la coexistencia entre fiabilidad y eficiencia de los recursos en los sistemas basados en el paradigma MapReduce, a través de metodologías que introducen el mínimo coste, garantizando un nivel adecuado de fiabilidad. Para lograr esto, se ha propuesto: (i) la formalización de una abstracción de detección de fallos; (ii) una solución alternativa a los puntos únicos de fallo de estas plataformas, y, finalmente, (iii) un nuevo sistema de asignación de recursos basado en retroalimentación a nivel de contenedores. Estas contribuciones genéricas han sido evaluadas tomando como referencia la arquitectura Hadoop YARN, que, hoy en día, es la plataforma de referencia en la comunidad de los sistemas de computación intensiva de datos. En la tesis se demuestra cómo todas las contribuciones de la misma superan a Hadoop YARN tanto en fiabilidad como en eficiencia de los recursos utilizados. ABSTRACT Due to the increase of huge data volumes, a new parallel computing paradigm to process big data in an efficient way has arisen. Many of these systems, called dataintensive computing systems, follow the Google MapReduce programming model. The main advantage of these systems is based on the idea of sending the computation where the data resides, trying to provide scalability and efficiency. In failure-free scenarios, these frameworks usually achieve good results. However, these ones are not realistic scenarios. Consequently, these frameworks exhibit some fault tolerance and dependability techniques as built-in features. On the other hand, dependability improvements are known to imply additional resource costs. This is reasonable and providers offering these infrastructures are aware of this. Nevertheless, not all the approaches provide the same tradeoff between fault tolerant capabilities (or more generally, reliability capabilities) and cost. In this thesis, we have addressed the coexistence between reliability and resource efficiency in MapReduce-based systems, looking for methodologies that introduce the minimal cost and guarantee an appropriate level of reliability. In order to achieve this, we have proposed: (i) a formalization of a failure detector abstraction; (ii) an alternative solution to single points of failure of these frameworks, and finally (iii) a novel feedback-based resource allocation system at the container level. Finally, our generic contributions have been instantiated for the Hadoop YARN architecture, which is the state-of-the-art framework in the data-intensive computing systems community nowadays. The thesis demonstrates how all our approaches outperform Hadoop YARN in terms of reliability and resource efficiency.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

A proposal for a model-based approach for adapting software configuration to runtime environments

Las metodologías de desarrollo ágiles han sufrido un gran auge en entornos industriales durante los últimos años debido a la rapidez y fiabilidad de los procesos de desarrollo que proponen. La filosofía DevOps y específicamente las metodologías derivadas de ella como Continuous Delivery o Continuous Deployment promueven la gestión completamente automatizada del ciclo de vida de las aplicaciones, desde el código fuente a las aplicaciones ejecutándose en entornos de producción. La automatización se ve como un medio para producir procesos repetibles, fiables y rápidos. Sin embargo, no todas las partes de las metodologías Continuous están completamente automatizadas. En particular, la gestión de la configuración de los parámetros de ejecución es un problema que ha sido acrecentado por la elasticidad y escalabilidad que proporcionan las tecnologías de computación en la nube. La mayoría de las herramientas de despliegue actuales pueden automatizar el despliegue de la configuración de parámetros de ejecución, pero no ofrecen soporte a la hora de fijar esos parámetros o de validar los ficheros que despliegan, principalmente debido al gran abanico de opciones de configuración y el hecho de que el valor de muchos de esos parámetros es fijado en base a preferencias expresadas por el usuario. Esto hecho hace que pueda parecer que cualquier solución al problema debe estar ajustada a una aplicación específica en lugar de ofrecer una solución general. Con el objetivo de solucionar este problema, propongo un modelo de configuración que puede ser inferido a partir de instancias de configuración existentes y que puede reflejar las preferencias de los usuarios para ser usado para facilitar los procesos de configuración. El modelo de configuración puede ser usado como la base de un proceso de configuración interactivo capaz de guiar a un operador humano a través de la configuración de una aplicación para su despliegue en un entorno determinado o para detectar cambios de configuración automáticamente y producir una configuración válida que se ajuste a esos cambios. Además, el modelo de configuración debería ser gestionado como si se tratase de cualquier otro artefacto software y debería ser incorporado a las prácticas de gestión habituales. Por eso también propongo un modelo de gestión de servicios que incluya información relativa a la configuración de parámetros de ejecución y que además es capaz de describir y gestionar propuestas arquitectónicas actuales tales como los arquitecturas de microservicios. ABSTRACT Agile development methodologies have risen in popularity within the industry in recent years due to the speed and reliability of the processes they propose. The DevOps philosophy and specifically the methodologies derived from it such as Continuous Delivery and Continuous Deployment push for a totally automated management of the application lifecycle, from the source code to the software running in production environment. Automation in this regard is used as a means to produce repeatable, reliable and fast processes. However, not all parts of the Continuous methodologies are completely automatized. In particular, management of runtime parameter configuration is a problem that has increased its impact in deployment process due to the scalability and elasticity provided by cloud technologies. Most deployment tools nowadays can automate the deployment of runtime parameter configuration, but they offer no support for parameter setting o configuration validation, as the range of different configuration options and the fact that the value of many of those parameters is based on user preference seems to imply that any solution to the problem will have to be tailored to a specific application. With the aim to solve this problem I propose a configuration model that can be inferred from existing configurations and reflect user preferences in order to ease the configuration process. The configuration model can be used as the base of an interactive configuration process capable of guiding a human operator through the configuration of an application for its deployment in a specific environment or to automatically detect configuration changes and produce valid runtime parameter configurations that take into account those changes. Additionally, the configuration model should be managed as any other software artefact and should be incorporated into current management practices. I also propose a service management model that includes the configuration information and that is able to describe and manage current architectural practices such as the microservices architecture.

Co-simulation Methodologies for Hybrid and Electric Vehicle Dynamics

In recent decades, full electric and hybrid electric vehicles have emerged as an alternative to conventional cars due to a range of factors, including environmental and economic aspects. These vehicles are the result of considerable efforts to seek ways of reducing the use of fossil fuel for vehicle propulsion. Sophisticated technologies such as hybrid and electric powertrains require careful study and optimization. Mathematical models play a key role at this point. Currently, many advanced mathematical analysis tools, as well as computer applications have been built for vehicle simulation purposes. Given the great interest of hybrid and electric powertrains, along with the increasing importance of reliable computer-based models, the author decided to integrate both aspects in the research purpose of this work. Furthermore, this is one of the first final degree projects held at the ETSII (Higher Technical School of Industrial Engineers) that covers the study of hybrid and electric propulsion systems. The present project is based on MBS3D 2.0, a specialized software for the dynamic simulation of multibody systems developed at the UPM Institute of Automobile Research (INSIA). Automobiles are a clear example of complex multibody systems, which are present in nearly every field of engineering. The work presented here benefits from the availability of MBS3D software. This program has proven to be a very efficient tool, with a highly developed underlying mathematical formulation. On this basis, the focus of this project is the extension of MBS3D features in order to be able to perform dynamic simulations of hybrid and electric vehicle models. This requires the joint simulation of the mechanical model of the vehicle, together with the model of the hybrid or electric powertrain. These sub-models belong to completely different physical domains. In fact the powertrain consists of energy storage systems, electrical machines and power electronics, connected to purely mechanical components (wheels, suspension, transmission, clutch…). The challenge today is to create a global vehicle model that is valid for computer simulation. Therefore, the main goal of this project is to apply co-simulation methodologies to a comprehensive model of an electric vehicle, where sub-models from different areas of engineering are coupled. The created electric vehicle (EV) model consists of a separately excited DC electric motor, a Li-ion battery pack, a DC/DC chopper converter and a multibody vehicle model. Co-simulation techniques allow car designers to simulate complex vehicle architectures and behaviors, which are usually difficult to implement in a real environment due to safety and/or economic reasons. In addition, multi-domain computational models help to detect the effects of different driving patterns and parameters and improve the models in a fast and effective way. Automotive designers can greatly benefit from a multidisciplinary approach of new hybrid and electric vehicles. In this case, the global electric vehicle model includes an electrical subsystem and a mechanical subsystem. The electrical subsystem consists of three basic components: electric motor, battery pack and power converter. A modular representation is used for building the dynamic model of the vehicle drivetrain. This means that every component of the drivetrain (submodule) is modeled separately and has its own general dynamic model, with clearly defined inputs and outputs. Then, all the particular submodules are assembled according to the drivetrain configuration and, in this way, the power flow across the components is completely determined. Dynamic models of electrical components are often based on equivalent circuits, where Kirchhoff’s voltage and current laws are applied to draw the algebraic and differential equations. Here, Randles circuit is used for dynamic modeling of the battery and the electric motor is modeled through the analysis of the equivalent circuit of a separately excited DC motor, where the power converter is included. The mechanical subsystem is defined by MBS3D equations. These equations consider the position, velocity and acceleration of all the bodies comprising the vehicle multibody system. MBS3D 2.0 is entirely written in MATLAB and the structure of the program has been thoroughly studied and understood by the author. MBS3D software is adapted according to the requirements of the applied co-simulation method. Some of the core functions are modified, such as integrator and graphics, and several auxiliary functions are added in order to compute the mathematical model of the electrical components. By coupling and co-simulating both subsystems, it is possible to evaluate the dynamic interaction among all the components of the drivetrain. ‘Tight-coupling’ method is used to cosimulate the sub-models. This approach integrates all subsystems simultaneously and the results of the integration are exchanged by function-call. This means that the integration is done jointly for the mechanical and the electrical subsystem, under a single integrator and then, the speed of integration is determined by the slower subsystem. Simulations are then used to show the performance of the developed EV model. However, this project focuses more on the validation of the computational and mathematical tool for electric and hybrid vehicle simulation. For this purpose, a detailed study and comparison of different integrators within the MATLAB environment is done. Consequently, the main efforts are directed towards the implementation of co-simulation techniques in MBS3D software. In this regard, it is not intended to create an extremely precise EV model in terms of real vehicle performance, although an acceptable level of accuracy is achieved. The gap between the EV model and the real system is filled, in a way, by introducing the gas and brake pedals input, which reflects the actual driver behavior. This input is included directly in the differential equations of the model, and determines the amount of current provided to the electric motor. For a separately excited DC motor, the rotor current is proportional to the traction torque delivered to the car wheels. Therefore, as it occurs in the case of real vehicle models, the propulsion torque in the mathematical model is controlled through acceleration and brake pedal commands. The designed transmission system also includes a reduction gear that adapts the torque coming for the motor drive and transfers it. The main contribution of this project is, therefore, the implementation of a new calculation path for the wheel torques, based on performance characteristics and outputs of the electric powertrain model. Originally, the wheel traction and braking torques were input to MBS3D through a vector directly computed by the user in a MATLAB script. Now, they are calculated as a function of the motor current which, in turn, depends on the current provided by the battery pack across the DC/DC chopper converter. The motor and battery currents and voltages are the solutions of the electrical ODE (Ordinary Differential Equation) system coupled to the multibody system. Simultaneously, the outputs of MBS3D model are the position, velocity and acceleration of the vehicle at all times. The motor shaft speed is computed from the output vehicle speed considering the wheel radius, the gear reduction ratio and the transmission efficiency. This motor shaft speed, somehow available from MBS3D model, is then introduced in the differential equations corresponding to the electrical subsystem. In this way, MBS3D and the electrical powertrain model are interconnected and both subsystems exchange values resulting as expected with tight-coupling approach.When programming mathematical models of complex systems, code optimization is a key step in the process. A way to improve the overall performance of the integration, making use of C/C++ as an alternative programming language, is described and implemented. Although this entails a higher computational burden, it leads to important advantages regarding cosimulation speed and stability. In order to do this, it is necessary to integrate MATLAB with another integrated development environment (IDE), where C/C++ code can be generated and executed. In this project, C/C++ files are programmed in Microsoft Visual Studio and the interface between both IDEs is created by building C/C++ MEX file functions. These programs contain functions or subroutines that can be dynamically linked and executed from MATLAB. This process achieves reductions in simulation time up to two orders of magnitude. The tests performed with different integrators, also reveal the stiff character of the differential equations corresponding to the electrical subsystem, and allow the improvement of the cosimulation process. When varying the parameters of the integration and/or the initial conditions of the problem, the solutions of the system of equations show better dynamic response and stability, depending on the integrator used. Several integrators, with variable and non-variable step-size, and for stiff and non-stiff problems are applied to the coupled ODE system. Then, the results are analyzed, compared and discussed. From all the above, the project can be divided into four main parts: 1. Creation of the equation-based electric vehicle model; 2. Programming, simulation and adjustment of the electric vehicle model; 3. Application of co-simulation methodologies to MBS3D and the electric powertrain subsystem; and 4. Code optimization and study of different integrators. Additionally, in order to deeply understand the context of the project, the first chapters include an introduction to basic vehicle dynamics, current classification of hybrid and electric vehicles and an explanation of the involved technologies such as brake energy regeneration, electric and non-electric propulsion systems for EVs and HEVs (hybrid electric vehicles) and their control strategies. Later, the problem of dynamic modeling of hybrid and electric vehicles is discussed. The integrated development environment and the simulation tool are also briefly described. The core chapters include an explanation of the major co-simulation methodologies and how they have been programmed and applied to the electric powertrain model together with the multibody system dynamic model. Finally, the last chapters summarize the main results and conclusions of the project and propose further research topics. In conclusion, co-simulation methodologies are applicable within the integrated development environments MATLAB and Visual Studio, and the simulation tool MBS3D 2.0, where equation-based models of multidisciplinary subsystems, consisting of mechanical and electrical components, are coupled and integrated in a very efficient way.

Contribution to the improvement of communication services in nanosatellite constellations using delay and disruption tolerant networking based architectures

Esta tesis se desarrolla dentro del marco de las comunicaciones satelitales en el innovador campo de los pequeños satélites también llamados nanosatélites o cubesats, llamados así por su forma cubica. Estos nanosatélites se caracterizan por su bajo costo debido a que usan componentes comerciales llamados COTS (commercial off-the-shelf) y su pequeño tamaño como los Cubesats 1U (10cm*10 cm*10 cm) con masa aproximada a 1 kg. Este trabajo de tesis tiene como base una iniciativa propuesta por el autor de la tesis para poner en órbita el primer satélite peruano en mi país llamado chasqui I, actualmente puesto en órbita desde la Estación Espacial Internacional. La experiencia de este trabajo de investigación me llevo a proponer una constelación de pequeños satélites llamada Waposat para dar servicio de monitoreo de sensores de calidad de agua a nivel global, escenario que es usado en esta tesis. Es ente entorno y dadas las características limitadas de los pequeños satélites, tanto en potencia como en velocidad de datos, es que propongo investigar una nueva arquitectura de comunicaciones que permita resolver en forma óptima la problemática planteada por los nanosatélites en órbita LEO debido a su carácter disruptivo en sus comunicaciones poniendo énfasis en las capas de enlace y aplicación. Esta tesis presenta y evalúa una nueva arquitectura de comunicaciones para proveer servicio a una red de sensores terrestres usando una solución basada en DTN (Delay/Disruption Tolerant Networking) para comunicaciones espaciales. Adicionalmente, propongo un nuevo protocolo de acceso múltiple que usa una extensión del protocolo ALOHA no ranurado, el cual toma en cuenta la prioridad del trafico del Gateway (ALOHAGP) con un mecanismo de contienda adaptativo. Utiliza la realimentación del satélite para implementar el control de la congestión y adapta dinámicamente el rendimiento efectivo del canal de una manera óptima. Asumimos un modelo de población de sensores finito y una condición de tráfico saturado en el que cada sensor tiene siempre tramas que transmitir. El desempeño de la red se evaluó en términos de rendimiento efectivo, retardo y la equidad del sistema. Además, se ha definido una capa de convergencia DTN (ALOHAGP-CL) como un subconjunto del estándar TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergency Layer). Esta tesis muestra que ALOHAGP/CL soporta adecuadamente el escenario DTN propuesto, sobre todo cuando se utiliza la fragmentación reactiva. Finalmente, esta tesis investiga una transferencia óptima de mensajes DTN (Bundles) utilizando estrategias de fragmentación proactivas para dar servicio a una red de sensores terrestres utilizando un enlace de comunicaciones satelitales que utiliza el mecanismo de acceso múltiple con prioridad en el tráfico de enlace descendente (ALOHAGP). El rendimiento efectivo ha sido optimizado mediante la adaptación de los parámetros del protocolo como una función del número actual de los sensores activos recibidos desde el satélite. También, actualmente no existe un método para advertir o negociar el tamaño máximo de un “bundle” que puede ser aceptado por un agente DTN “bundle” en las comunicaciones por satélite tanto para el almacenamiento y la entrega, por lo que los “bundles” que son demasiado grandes son eliminados o demasiado pequeños son ineficientes. He caracterizado este tipo de escenario obteniendo una distribución de probabilidad de la llegada de tramas al nanosatélite así como una distribución de probabilidad del tiempo de visibilidad del nanosatélite, los cuales proveen una fragmentación proactiva óptima de los DTN “bundles”. He encontrado que el rendimiento efectivo (goodput) de la fragmentación proactiva alcanza un valor ligeramente inferior al de la fragmentación reactiva. Esta contribución permite utilizar la fragmentación activa de forma óptima con todas sus ventajas tales como permitir implantar el modelo de seguridad de DTN y la simplicidad al implementarlo en equipos con muchas limitaciones de CPU y memoria. La implementación de estas contribuciones se han contemplado inicialmente como parte de la carga útil del nanosatélite QBito, que forma parte de la constelación de 50 nanosatélites que se está llevando a cabo dentro del proyecto QB50. ABSTRACT This thesis is developed within the framework of satellite communications in the innovative field of small satellites also known as nanosatellites (<10 kg) or CubeSats, so called from their cubic form. These nanosatellites are characterized by their low cost because they use commercial components called COTS (commercial off-the-shelf), and their small size and mass, such as 1U Cubesats (10cm * 10cm * 10cm) with approximately 1 kg mass. This thesis is based on a proposal made by the author of the thesis to put into orbit the first Peruvian satellite in his country called Chasqui I, which was successfully launched into orbit from the International Space Station in 2014. The experience of this research work led me to propose a constellation of small satellites named Waposat to provide water quality monitoring sensors worldwide, scenario that is used in this thesis. In this scenario and given the limited features of nanosatellites, both power and data rate, I propose to investigate a new communications architecture that allows solving in an optimal manner the problems of nanosatellites in orbit LEO due to the disruptive nature of their communications by putting emphasis on the link and application layers. This thesis presents and evaluates a new communications architecture to provide services to terrestrial sensor networks using a space Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN) based solution. In addition, I propose a new multiple access mechanism protocol based on extended unslotted ALOHA that takes into account the priority of gateway traffic, which we call ALOHA multiple access with gateway priority (ALOHAGP) with an adaptive contention mechanism. It uses satellite feedback to implement the congestion control, and to dynamically adapt the channel effective throughput in an optimal way. We assume a finite sensor population model and a saturated traffic condition where every sensor always has frames to transmit. The performance was evaluated in terms of effective throughput, delay and system fairness. In addition, a DTN convergence layer (ALOHAGP-CL) has been defined as a subset of the standard TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergence Layer). This thesis reveals that ALOHAGP/CL adequately supports the proposed DTN scenario, mainly when reactive fragmentation is used. Finally, this thesis investigates an optimal DTN message (bundles) transfer using proactive fragmentation strategies to give service to a ground sensor network using a nanosatellite communications link which uses a multi-access mechanism with priority in downlink traffic (ALOHAGP). The effective throughput has been optimized by adapting the protocol parameters as a function of the current number of active sensors received from satellite. Also, there is currently no method for advertising or negotiating the maximum size of a bundle which can be accepted by a bundle agent in satellite communications for storage and delivery, so that bundles which are too large can be dropped or which are too small are inefficient. We have characterized this kind of scenario obtaining a probability distribution for frame arrivals to nanosatellite and visibility time distribution that provide an optimal proactive fragmentation of DTN bundles. We have found that the proactive effective throughput (goodput) reaches a value slightly lower than reactive fragmentation approach. This contribution allows to use the proactive fragmentation optimally with all its advantages such as the incorporation of the security model of DTN and simplicity in protocol implementation for computers with many CPU and memory limitations. The implementation of these contributions was initially contemplated as part of the payload of the nanosatellite QBito, which is part of the constellation of 50 nanosatellites envisaged under the QB50 project.