Electricity price forecasting accounting for renewable energies: optimal combined forecasts

Electricity price forecasting is an interesting problem for all the agents involved in electricity market operation. For instance, every profit maximisation strategy is based on the computation of accurate one-day-ahead forecasts, which is why electricity price forecasting has been a growing field of research in recent years. In addition, the increasing concern about environmental issues has led to a high penetration of renewable energies, particularly wind. In some European countries such as Spain, Germany and Denmark, renewable energy is having a deep impact on the local power markets. In this paper, we propose an optimal model from the perspective of forecasting accuracy, and it consists of a combination of several univariate and multivariate time series methods that account for the amount of energy produced with clean energies, particularly wind and hydro, which are the most relevant renewable energy sources in the Iberian Market. This market is used to illustrate the proposed methodology, as it is one of those markets in which wind power production is more relevant in terms of its percentage of the total demand, but of course our method can be applied to any other liberalised power market. As far as our contribution is concerned, first, the methodology proposed by García-Martos et al(2007 and 2012) is generalised twofold: we allow the incorporation of wind power production and hydro reservoirs, and we do not impose the restriction of using the same model for 24h. A computational experiment and a Design of Experiments (DOE) are performed for this purpose. Then, for those hours in which there are two or more models without statistically significant differences in terms of their forecasting accuracy, a combination of forecasts is proposed by weighting the best models(according to the DOE) and minimising the Mean Absolute Percentage Error (MAPE). The MAPE is the most popular accuracy metric for comparing electricity price forecasting models. We construct the combi nation of forecasts by solving several nonlinear optimisation problems that allow computation of the optimal weights for building the combination of forecasts. The results are obtained by a large computational experiment that entails calculating out-of-sample forecasts for every hour in every day in the period from January 2007 to Decem ber 2009. In addition, to reinforce the value of our methodology, we compare our results with those that appear in recent published works in the field. This comparison shows the superiority of our methodology in terms of forecasting accuracy.

Drivers in adopting adaptation strategies to face increased water scarcity in agriculture. A case study in Doñana (Spain) and Makueni (Kenya)

La agricultura es uno de los sectores más afectados por el cambio climático. A pesar de haber demostrado a lo largo de la historia una gran capacidad para adaptarse a nuevas situaciones, hoy en día la agricultura se enfrenta a nuevos retos tales como satisfacer un elevado crecimiento en la demanda de alimentos, desarrollar una agricultura sostenible con el medio ambiente y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. El potencial de adaptación debe ser definido en un contexto que incluya el comportamiento humano, ya que éste juega un papel decisivo en la implementación final de las medidas. Por este motivo, y para desarrollar correctamente políticas que busquen influir en el comportamiento de los agricultores para fomentar la adaptación a estas nuevas condiciones, es necesario entender previamente los procesos de toma de decisiones a nivel individual o de explotación, así como los efectos de los factores que determinan las barreras o motivaciones de la implementación de medidas. Esta Tesis doctoral trata de profundizar en el análisis de factores que influyen en la toma de decisiones de los agricultores para adoptar estrategias de adaptación al cambio climático. Este trabajo revisa la literatura actual y desarrolla un marco metodológico a nivel local y regional. Dos casos de estudio a nivel local (Doñana, España y Makueni, Kenia) han sido llevados a cabo con el fin de explorar el comportamiento de los agricultores hacia la adaptación. Estos casos de estudio representan regiones con notables diferencias en climatología, impactos del cambio climático, barreras para la adaptación y niveles de desarrollo e influencia de las instituciones públicas y privadas en la agricultura. Mientras el caso de estudio de Doñana representa un ejemplo de problemas asociados al uso y escasez del agua donde se espera que se agraven en el futuro, el caso de estudio de Makueni ejemplifica una zona fuertemente amenazada por las predicciones de cambio climático, donde adicionalmente la falta de infraestructura y la tecnología juegan un papel crucial para la implementación de la adaptación. El caso de estudio a nivel regional trata de generalizar en África el comportamiento de los agricultores sobre la implementación de medidas. El marco metodológico que se ha seguido en este trabajo abarca una amplia gama de enfoques y métodos para la recolección y análisis de datos. Los métodos utilizados para la toma de datos incluyen la implementación de encuestas, entrevistas, talleres con grupos de interés, grupos focales de discusión, revisión de estudios previos y bases de datos públicas. Los métodos analíticos incluyen métodos estadísticos, análisis multi‐criterio para la toma de decisiones, modelos de optimización de uso del suelo y un índice compuesto calculado a través de indicadores. Los métodos estadísticos se han utilizado con el fin de evaluar la influencia de los factores socio‐económicos y psicológicos sobre la adopción de medidas de adaptación. Dentro de estos métodos se incluyen regresiones logísticas, análisis de componentes principales y modelos de ecuaciones estructurales. Mientras que el análisis multi‐criterio se ha utilizado con el fin de evaluar las opciones de adaptación de acuerdo a las opiniones de las diferentes partes interesadas, el modelo de optimización ha tenido como fin analizar la combinación óptima de medidas de adaptación. El índice compuesto se ha utilizado para evaluar a nivel regional la implementación de medidas de adaptación en África. En general, los resultados del estudio ponen de relieve la gran importancia de considerar diferentes escalas espaciales a la hora de evaluar la implementación de medidas de adaptación al cambio climático. El comportamiento de los agricultores es diferente entre lugares considerados a una escala local relativamente pequeña, por lo que la generalización de los patrones del comportamiento a escalas regionales o globales resulta relativamente compleja. Los resultados obtenidos han permitido identificar factores determinantes tanto socioeconómicos como psicológicos y calcular su efecto sobre la adopción de medidas de adaptación. Además han proporcionado una mejor comprensión del distinto papel que desempeñan los cinco tipos de capital (natural, físico, financiero, social y humano) en la implementación de estrategias de adaptación. Con este trabajo se proporciona información de gran interés en los procesos de desarrollo de políticas destinadas a mejorar el apoyo de la sociedad a tomar medidas contra el cambio climático. Por último, en el análisis a nivel regional se desarrolla un índice compuesto que muestra la probabilidad de adoptar medidas de adaptación en las regiones de África y se analizan las causas que determinan dicha probabilidad de adopción de medidas. ABSTRACT Agriculture is and will continue to be one of the sectors most affected by climate change. Despite having demonstrated throughout history a great ability to adapt, agriculture today faces new challenges such as meeting growing food demands, developing sustainable agriculture and reducing greenhouse gas emissions. Adaptation policies planned on global, regional or local scales are ultimately implemented in decision‐making processes at the farm or individual level so adaptation potentials have to be set within the context of individual behaviour and regional institutions. Policy instruments can play a formative role in the adoption of such policies by addressing incentives/disincentives that influence farmer’s behaviour. Hence understanding farm‐level decision‐making processes and the influence of determinants of adoption is crucial when designing policies aimed at fostering adoption. This thesis seeks to analyse the factors that influence decision‐making by farmers in relation to the uptake of adaptation options. This work reviews the current knowledge and develops a methodological framework at local and regional level. Whilst the case studies at the local level are conducted with the purpose of exploring farmer’s behaviour towards adaptation the case study at the regional level attempts to up‐scale and generalise theory on adoption of farmlevel adaptation options. The two case studies at the local level (Doñana, Spain and Makueni, Kenya) encompass areas with different; climates, impacts of climate change, adaptation constraints and limits, levels of development, institutional support for agriculture and influence from public and private institutions. Whilst the Doñana Case Study represents an area plagued with water‐usage issues, set to be aggravated further by climate change, Makueni Case study exemplifies an area decidedly threatened by climate change where a lack of infrastructure and technology plays a crucial role in the uptake of adaptation options. The proposed framework is based on a wide range of approaches for collecting and analysing data. The approaches used for data collection include the implementation of surveys, interviews, stakeholder workshops, focus group discussions, a review of previous case studies, and public databases. The analytical methods include statistical approaches, multi criteria analysis for decision‐making, land use optimisation models, and a composite index based on public databases. Statistical approaches are used to assess the influence of socio‐economic and psychological factors on the adoption or support for adaptation measures. The statistical approaches used are logistic regressions, principal component analysis and structural equation modelling. Whilst a multi criteria analysis approach is used to evaluate adaptation options according to the different perspectives of stakeholders, the optimisation model analyses the optimal combination of adaptation options. The composite index is developed to assess adoption of adaptation measures in Africa. Overall, the results of the study highlight the importance of considering various scales when assessing adoption of adaptation measures to climate change. As farmer’s behaviour varies at a local scale there is elevated complexity when generalising behavioural patterns for farmers at regional or global scales. The results identify and estimate the effect of most relevant socioeconomic and psychological factors that influence adoption of adaptation measures to climate change. They also provide a better understanding of the role of the five types of capital (natural, physical, financial, social, and human) on the uptake of farm‐level adaptation options. These assessments of determinants help to explain adoption of climate change measures and provide helpful information in order to design polices aimed at enhancing societal support for adaptation policies. Finally the analysis at the regional level develops a composite index which suggests the likelihood of the regions in Africa to adopt farm‐level adaptation measures and analyses the main causes of this likelihood of adoption.

Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

Analysis of the geometric altimetry to support aircraft optimal trajectories within the future 4d trajectory management

Over the past few years, the common practice within air traffic management has been that commercial aircraft fly by following a set of predefined routes to reach their destination. Currently, aircraft operators are requesting more flexibility to fly according to their prefer- ences, in order to achieve their business objectives. Due to this reason, much research effort is being invested in developing different techniques which evaluate aircraft optimal trajectory and traffic synchronisation. Also, the inefficient use of the airspace using barometric altitude overall in the landing and takeoff phases or in Continuous Descent Approach (CDA) trajectories where currently it is necessary introduce the necessary reference setting (QNH or QFE). To solve this problem and to permit a better airspace management born the interest of this research. Where the main goals will be to evaluate the impact, weakness and strength of the use of geometrical altitude instead of the use of barometric altitude. Moreover, this dissertation propose the design a simplified trajectory simulator which is able to predict aircraft trajectories. The model is based on a three degrees of freedom aircraft point mass model that can adapt aircraft performance data from Base of Aircraft Data, and meteorological information. A feature of this trajectory simulator is to support the improvement of the strategic and pre-tactical trajectory planning in the future Air Traffic Management. To this end, the error of the tool (aircraft Trajectory Simulator) is measured by comparing its performance variables with actual flown trajectories obtained from Flight Data Recorder information. The trajectory simulator is validated by analysing the performance of different type of aircraft and considering different routes. A fuel consumption estimation error was identified and a correction is proposed for each type of aircraft model. In the future Air Traffic Management (ATM) system, the trajectory becomes the fundamental element of a new set of operating procedures collectively referred to as Trajectory-Based Operations (TBO). Thus, governmental institutions, academia, and industry have shown a renewed interest for the application of trajectory optimisation techniques in com- mercial aviation. The trajectory optimisation problem can be solved using optimal control methods. In this research we present and discuss the existing methods for solving optimal control problems focusing on direct collocation, which has received recent attention by the scientific community. In particular, two families of collocation methods are analysed, i.e., Hermite-Legendre-Gauss-Lobatto collocation and the pseudospectral collocation. They are first compared based on a benchmark case study: the minimum fuel trajectory problem with fixed arrival time. For the sake of scalability to more realistic problems, the different meth- ods are also tested based on a real Airbus 319 El Cairo-Madrid flight. Results show that pseudospectral collocation, which has shown to be numerically more accurate and computa- tionally much faster, is suitable for the type of problems arising in trajectory optimisation with application to ATM. Fast and accurate optimal trajectory can contribute properly to achieve the new challenges of the future ATM. As atmosphere uncertainties are one of the most important issues in the trajectory plan- ning, the final objective of this dissertation is to have a magnitude order of how different is the fuel consumption under different atmosphere condition. Is important to note that in the strategic phase planning the optimal trajectories are determined by meteorological predictions which differ from the moment of the flight. The optimal trajectories have shown savings of at least 500 [kg] in the majority of the atmosphere condition (different pressure, and temperature at Mean Sea Level, and different lapse rate temperature) with respect to the conventional procedure simulated at the same atmosphere condition.This results show that the implementation of optimal profiles are beneficial under the current Air traffic Management (ATM).

Nueva tecnología para la separación de gases atmosféricos y captura de dióxido de carbono por aplicación de campos electromagnéticos y fotoionización

Son numerosos los expertos que predicen que hasta pasado 2050 no se utilizarán masivamente las energías de origen renovable, y que por tanto se mantendrá la emisión de dióxido de carbono de forma incontrolada. Entre tanto, y previendo que este tipo de uso se mantenga hasta un horizonte temporal aún más lejano, la captura, concentración y secuestro o reutilización de dióxido de carbono es y será una de las principales soluciones a implantar para paliar el problema medioambiental causado. Sin embargo, las tecnologías existentes y en desarrollo de captura y concentración de este tipo de gas, presentan dos limitaciones: las grandes cantidades de energía que consumen y los grandes volúmenes de sustancias potencialmente dañinas para el medioambiente que producen durante su funcionamiento. Ambas razones hacen que no sean atractivas para su implantación y uso de forma extensiva. La solución planteada en la presente tesis doctoral se caracteriza por la ausencia de residuos producidos en la operación de captura y concentración del dióxido de carbono, por no utilizar substancias químicas y físicas habituales en las técnicas actuales, por disminuir los consumos energéticos al carecer de sistemas móviles y por evitar la regeneración química y física de los materiales utilizados en la actualidad. Así mismo, plantea grandes retos a futuras innovaciones sobre la idea propuesta que busquen fundamentalmente la disminución de la energía utilizada durante su funcionamiento y la optimización de sus componentes principales. Para conseguir el objetivo antes citado, la presente tesis doctoral, una vez establecido el planteamiento del problema al que se busca solución (capítulo 1), del estudio de las técnicas de separación de gases atmosféricos utilizadas en la actualidad, así como del de los sistemas fundamentales de las instalaciones de captura y concentración del dióxido de carbono (capítulo 2) y tras una definición del marco conceptual y teórico (capítulo 3), aborda el diseño de un prototipo de ionización fotónica de los gases atmosféricos para su posterior separación electrostática, a partir del estudio, adaptación y mejora del funcionamiento de los sistemas de espectrometría de masas. Se diseñarán y desarrollarán los sistemas básicos de fotoionización, mediante el uso de fuentes de fotones coherentes, y los de separación electrostática (capítulo 4), en que se basa el funcionamiento de este sistema de separación de gases atmosféricos y de captura y concentración de dióxido de carbono para construir un prototipo a nivel laboratorio. Posteriormente, en el capítulo 5, serán probados utilizando una matriz experimental que cubra los rangos de funcionamiento previstos y aporte suficientes datos experimentales para corregir y desarrollar el marco teórico real, y con los que se pueda establecer y corregir un modelo físico– matemático de simulación (capítulo 6) aplicable a la unidad en su conjunto. Finalmente, debido a la utilización de unidades de ionización fotónica, sistemas láseres intensos y sistemas eléctricos de gran potencia, es preciso analizar el riesgo biológico a las personas y al medioambiente debido al impacto de la radiación electromagnética producida (capítulo 7), minimizando su impacto y cumpliendo con la legislación vigente. En el capítulo 8 se planteará un diseño escalable a tamaño piloto de la nueva tecnología propuesta y sus principales modos de funcionamiento, así como un análisis de viabilidad económica. Como consecuencia de la tesis doctoral propuesta y del desarrollo de la unidad de separación atmosférica y de captura y concentración de dióxido de carbono, surgen diversas posibilidades de estudio que pueden ser objeto de nuevas tesis doctorales y de futuros desarrollos de ingeniería. El capítulo 9 tratará de incidir en estos aspectos indicando líneas de investigación para futuras tesis y desarrollos industriales. ABSTRACT A large number of experts predict that until at least 2050 renewable energy sources will not be massively used, and for that reason, current Primary Energy sources based on extensive use of fossil fuel will be used maintaining out of control emissions, Carbon Dioxide above all. Meanwhile, under this scenario and considering its extension until at least 2050, Carbon Capture, Concentration, Storage and/or Reuse is and will be one of the main solutions to minimise Greenhouse Gasses environmental effect. But, current Carbon Capture and Storage technology state of development has two main problems: it is a too large energy consuming technology and during normal use it produces a large volume of environmentally dangerous substances. Both reasons are limiting its development and its extensive use. This Ph Degree Thesis document proposes a solution to get the expected effect using a new atmospheric gasses separation system with the following characteristics: absence of wastes produced, it needs no chemical and/or physical substances during its operation, it reduces to minimum the internal energy consumptions due to absence of mobile equipment and it does not need any chemical and/or physical regeneration of substances. This system is beyond the State of the Art of current technology development. Additionally, the proposed solution raises huge challenges for future innovations of the proposed idea finding radical reduction of internal energy consumption during functioning, as well as regarding optimisation of main components, systems and modes of operation. To achieve this target, once established the main problem, main challenge and potential solving solutions (Chapter 1), it is established an initial starting point fixing the Atmospheric Gasses Separation and Carbon Capture and Storage developments (Chapter 2), as well as it will be defined the theoretical and basic model, including existing and potential new governing laws and mathematical formulas to control its system functioning (Chapter 3), this document will deal with the design of an installation of an operating system based on photonic ionization of atmospheric gasses to be separated in a later separation system based on the application of electrostatic fields. It will be developed a basic atmospheric gasses ionization prototype based on intense radioactive sources capable to ionize gasses by coherent photonic radiation, and a basic design of electrostatic separation system (Chapter 4). Both basic designs are the core of the proposed technology that separates Atmospheric Gasses and captures and concentrates Carbon Dioxide. Chapter 5 will includes experimental results obtained from an experimental testing matrix covering expected prototype functioning regimes. With the obtained experimental data, theoretical model will be corrected and improved to act as the real physical and mathematical model capable to simulate real system function (Chapter 6). Finally, it is necessary to assess potential biological risk to public and environment due to the proposed use of units of intense energy photonic ionization, by laser beams or by non–coherent sources and large electromagnetic systems with high energy consumption. It is necessary to know the impact in terms of and electromagnetic radiation taking into account National Legislation (Chapter 7). On Chapter 8, an up scaled pilot plant will be established covering main functioning modes and an economic feasibility assessment. As a consequence of this PhD Thesis, a new field of potential researches and new PhD Thesis are opened, as well as future engineering and industrial developments (Chapter 9).

Modelo Híbrido para la Ayuda al Capitán

En esta Tesis se plantea una nueva forma de entender la evacuación apoyándonos en tecnologías existentes y accesibles que nos permitirán ver este proceso como un ente dinámico. Se trata de una metodología que implica no solo el uso de herramientas de análisis que permitan la definición de planes de evacuación en tiempo real, sino que también se apunta hacia la creación de una infraestructura física que permita alimentar con información actualizada al sistema de forma que, según la situación y la evolución de la emergencia, sea posible realizar planes alternativos que se adapten a las nuevas circunstancias. En base a esto, el sistema asimilará toda esa información y aportará soluciones que faciliten la toma de decisiones durante toda la evolución del incidente. Las aportaciones originales de esta Tesis son múltiples y muy variadas, pudiéndolas resumir en los siguientes puntos: 1. Estudio completo del estado del arte: a. Detección y análisis de diferentes proyectos a nivel internacional que de forma parcial tratan algunos aspectos desarrollados en la Tesis. b. Completo estudio a nivel mundial del software desarrollado total o parcialmente para la simulación del comportamiento humano y análisis de procesos de evacuación. Se ha generado una base de datos que cataloga de forma exhaustiva estas aplicaciones, permitiendo realizar un completo análisis y posibilitando la evolución futura de los contenidos de la misma. En la tesis se han analizado casi un centenar de desarrollos, pero el objetivo es seguir completando esta base de datos debido a la gran utilidad y a las importantes posibilidades que ofrece. 2. Desarrollo de un importante capítulo que trata sobre la posibilidad de utilizar entornos virtuales como alternativa intermedia al uso de simuladores y simulacros. En esta sección se divide en dos bloques: a. Ensayos en entornos reales y virtuales. b. Ensayos en entornos virtuales (pruebas realizadas con varios entornos virtuales). 3. Desarrollo de e-Flow net design: paquete de herramientas desarrolladas sobre Rhinoceros para el diseño de la red de evacuación basada en los elementos definidos en la tesis: Nodes, paths, Relations y Areas. 4. Desarrollo de e-Flow Simulator: Conjunto de herramientas que transforman Rhinoceros en un simulador 3D de comportamiento humano. Este simulador, de desarrollo propio, incorpora un novedoso algoritmo de comportamiento a nivel de individuo que incluye aspectos que no se han encontrado en otros simuladores. Esta herramienta permite realizar simulaciones programadas de grupos de individuos cuyo comportamiento se basa en el análisis del entorno y en la presencia de referencias dinámicas. Incluye otras importantes novedades como por ejemplo: herramientas para análisis de la señalización, elementos de señalización dinámica, incorporación sencilla de obstáculos, etc. También se ha creado una herramienta que posibilita la implementación del movimiento del propio escenario simulando la oscilación del mismo, con objeto de reflejar la influencia del movimiento del buque en el desplazamiento de los individuos. 5. En una fase avanzada del desarrollo, se incorporó la posibilidad de generar un vídeo de toda la simulación, momento a partir del cual, se han documentado todas las pruebas (y se continúan documentando) en una base de datos que recoge todas las características de las simulaciones, los problemas detectados, etc. Estas pruebas constituyen, en el momento en que se ha cerrado la redacción de la Tesis, un total de 81 GB de datos. Generación y análisis de rutas en base a la red de evacuación creada con e-Flow Net design y las simulaciones realizadas con e-Flow Net simulator. a. Análisis para la optimización de la configuración de la red en base a los nodos por área existentes. b. Definición de procesos previos al cálculo de rutas posibles. c. Cálculo de rutas: i. Análisis de los diferentes algoritmos que existen en la actualidad para la optimización de rutas. ii. Desarrollo de una nueva familia de algoritmos que he denominado “Minimum Decision Algorithm (MDA)”, siendo los algoritmos que componen esta familia: 1. MDA básico. 2. MDA mínimo. 3. MDA de no interferencia espacial. 4. MDA de expansión. 5. MDA de expansión ordenada para un único origen. 6. MDA de expansión ordenada. iii. Todos estos algoritmos se han implementado en la aplicación e-Flow creada en la Tesis para el análisis de rutas y que constituye el núcleo del Sistema de Ayuda al Capitán. d. Determinación de las alternativas para el plan de evacuación. Tras la definición de las rutas posibles, se describen diferentes procesos existentes de análisis por ponderación en base a criterios, para pasar finalmente a definir el método de desarrollo propio propuesto en esta Tesis y cuyo objetivo es responder en base a la población de rutas posibles obtenidas mediante los algoritmos MDA, qué combinación de rutas constituyen el Plan o Planes más adecuados para cada situación. La metodología creada para la selección de combinaciones de rutas que determinan un Plan completo, se basa en cuatro criterios básicos que tras su aplicación ofrecen las mejores alternativas. En esta fase también se incluye un complejo análisis de evolución temporal que incorpora novedosas definiciones y formulaciones. e. Derivado de la definición de la metodología creada en esta Tesis para la realización de los análisis de evolución temporal, se ha podido definir un nuevo teorema matemático que se ha bautizado como “Familia de cuadriláteros de área constante”. 7. Especificación de la infraestructura física del Sistema de Ayuda al Capitán: parte fundamental de sistema es la infraestructura física sobre la que se sustentaría. Esta infraestructura estaría compuesta por sensores, actuadores, aplicaciones para dispositivos móviles, etc. En este capítulo se analizan los diferentes elementos que la constituirían y las tecnologías implicadas. 8. Especificación de la infraestructura de servicios. 9. Creación del Blog Virtual Environments (http://epcinnova-virtualenvironments.blogspot.com.es/) en el que se han publicado todas las pruebas realizadas en el capítulo que analiza los entornos virtuales como alternativa a los simuladores y a los ensayos en laboratorio o los simulacros, incluyendo en muchos casos la posibilidad de que el visitante del blog pueda realizar la simulación en el entorno virtual. Este blog también incluye otras secciones que se han trabajado durante la Tesis: • Recopilación de diferentes entornos virtuales existentes. • Diagrama que recopila información sobre accidentes tanto en el ámbito marítimo como en el terrestre (en desarrollo). • Esquema propuesto para el acopio de información obtenida a partir de un simulacro. 10. Esta Tesis es la base para el proyecto e-Flow (nombre de una de las aplicaciones que desarrolladas en esta obra), un proyecto en el que el autor de esta Tesis ha trabajado como Project Manager. En el proyecto participa un consorcio de empresas y la UPM, y tiene como objetivo trasladar a la realidad gran parte de los planteamientos e ideas presentadas en esta Tesis. Este proyecto incluye el desarrollo de la infraestructura física y de servicios que permitirán, entre otras cosas, implementar en infraestructuras complejas una plataforma que posibilita la evacuación dinámica y un control ubicuo de los sistemas de monitorización y actuación implementados. En estos momentos se está finalizando el proyecto, cuyo objetivo final es la implementación de un piloto en un Hospital. También destacamos los siguientes avances a nivel de difusión científico-tecnológico: • Ponencia en el “52 congreso de la Ingeniería Naval en España” presentando un artículo “e-Flow- Sistema integral inteligente de soporte a la evacuación”. En este artículo se trata tanto el proyecto e-Flow del que soy Project Manager, como esta Tesis Doctoral, al ser temas estrechamente vinculados. En 2014 se publicó en dos números de la Revista Ingeniería Naval el artículo presentado a estas jornadas. • Co-autor en el artículo “E-Flow: A communication system for user notification in dynamic evacuation scenarios” presentado en el 7th International Conference on Ubicuous Computing & Ambient Intelligence (UCAMI) celebrado en Costa Rica. Por último, una de las aportaciones más interesantes, es la definición de un gran número de líneas de investigación futuras en base a todos los avances realizados en esta Tesis. ABSTRACT With this Thesis a new approach for understanding evacuation process is considered, taking advantage of the existing and open technologies that will allow this process to be interpreted as a dynamic entity. The methodology involves not only tools that allows on.-time evacuation plans, but also creates a physical insfrastructure that makes possible to feed the system with information on real time so, considering in each moment the real situation as well as the specific emergency development it will be feasible to generate alternative plans that responds to the current emergency situation. In this respect, the system will store all this information and will feedback with solutions that will help the decision making along the evacuation process. The innovative and singular contributions of this Thesis are numerous and rich, summarised as follows: 1.- Complete state-of-art study: a. Detection and analysis of different projects on an international level that, although partially, deal with some aspects developed in this Thesis. b. Thorough study at a international level of the developed software - total or partially done - for the simulation of the human behaviour and evacuation processes analysis. A database has been generated that classifies in detail these applications allowing to perform a full analysis and leading to future evolution of its contents. Within the Thesis work, almost a hundred of developments have been analysed but the purpose is to keep up updating this database due to the broad applications and possibilities that it involves. 2. Development of an important chapter that studies the possibility of using virtual scenarios as mid-term alternative for the use of simulations. This section is divided in two blocks: a. Trials in virtual and real scenarios b. Trials in virutal scenarios (trials performed with several ones). 3. E-Flow net design development: Set of tools developed under Rhinoceros for the evacuation net design based on the elements defined in the Thesis: Nodes, Paths, Relations, Areas 4. E-Flow simulator development: Set of tools that uses Rhinoceros as a 3D simulator of human behaviour. This simulator, of my own design, includes a new and original algorithm of human behaviour that involves aspects that are not found in other simulators. This tool allows to perform groups programmed simulations which behaviour is based on their enviroment analysis and presence of dynamic references. It includes other important innovations as for example: tools for signals analysis, dynamic signal elements, easy obstacle adding etc... More over, a tool that allows the own scenario movement implementation has been created by simulating the own oscillation movement, with the purpose of playing the vessel movement's influences in the individuals' displacements. 5. In an advanced stage of the development, the possibility of generating a video recording of all the simulation was also integrated, then from that moment all tests have been filed (and keep on doing so) in a database that collects all simulation characteristics, failures detected, etc. These stored tests amounts to a total of 81 GB at the moment of finishing the Thesis work. Generation and analysis of paths regarding the evacuation net created with E-Flow design and the simulations performed with E-Flow net Simulator. a. Analysis for the optimisation of the network configuration based in the existing nodes per area. b. Definition of the processes previous to the calculation of the feasible paths c. Paths calculation: i. Analysis of the different algorithms on existance nowadays for the routes optimisation. ii. Development of a new family of algorithms that I have called “Minimum Decision Algorithm (MDA)”, being composed of: 1. MDA basic 2. MDA minimum 3. MDA of not spacial interference 4. MDA of expansion (es de extenderse) o enlargement ( es de crecimiento) 5. MDA of organised expansion for a single origin (of organised enlargement for a single origin) 6. MDA of organised expansion (of organised enlargement) iii. All these algorithms have been implemented in the E-Flow application created in the Thesis dfor the routes analysis and it is the core of the Captain's support system. d. Determination of the alternatives for the evacuation plan. After defining all possible paths, different processes of analysis existing for weighing-based criteria are described, thus to end defining the own development method proposed in this Thesis and that aims to respond in an agreggation of possible routes basis obtained by means of the MDA algorithms what is the routes' combination more suitable for the Plan or Plans in every situation. The methodology created fot the selection of the combinations of routes that determine a complete Plan is baesd in four basic criteria that after applying, offer the best alternatives. In this stage a complex analysis of the progress along time is also included, that adds original and innovative defintions and formulations. e. Originated from the methodology created in this Thesis for the perfoming of the analysy of the progress along time, a new mathematic theorem has been defined, that has been called as "Family of quadrilateral of constant area". 7. Specification of the physiscal infrastructure of the Captain's help system: essential part is this physical infrastructure that will support it. This system will be made of sensors, actuators, apps for mobile devices etc... Within this chapter the different elements and technologies that make up this infrastructure will be studied. 8. Specification for the services infrastructure. 9. Start up of the Blog. " Virtual Environments (http://epcinnova-virtualenvironments.blogspot.com.es/)" in which all tests performed have been published in terms of analysis of the virtual enviroments as alternative to the simulators as well as to the laboratory experiments or simulations, including in most of the cases the possibility that the visitor can perform the simulation within the virtual enviroment. This blog also includes other sections that have been worked along and within this Thesis: - Collection of different virtual scenarios existent. - Schema that gathers information concerning accidents for maritime and terrestrial areas (under development) - Schema proposed for the collecting of information obtained from a simulation. 10. This Thesis is the basis of the E-Flow project (name of one of the applications developed in this work), a project in which the Thesis' author has worked in as Project Manager. In the project takes part a consortium of firms as well as the UPM and the aim is to bring to real life most part of the approaches and ideas contained in this Thesis. This project includes the development of the physical infrastructure as well as the services that will allow, among others, implement in complex infrastrucutres a platform that will make possible a dynamic evacuation and a continuous control of the monitoring and acting systems implemented. At the moment the project is getting to an end which goal is the implementation of a pilot project in a Hospital. We also would like to highlight the following advances concerning the scientific-technology divulgation: • Talk in the " 52th Congress of the Naval Engineering in Spain" with the article "E-Flow . Intelligent system integrated for supporting evacuation". This paper is about project E-Flow which I am Project Manager of, as well as this Thesis for the Doctorate, being both closely related. Two papers published In 2014 in the Naval Engineering Magazine. • Co-author in the article “E-Flow: A communication system for user notification in dynamic evacuation scenarios” [17] introduced in the 7th International Conference on Ubicuous Computing & Ambient Intelligence (UCAMI) held in Costa Rica. Last, but not least, one of the more interesting contributions is the defintion of several lines of research in the future, based on the advances made in this Thesis.

Code assessment and modelling for Design Basis Accident analysis of the European Sodium Fast Reactor design. Part II: Optimised core and representative transients analysis

The new reactor concepts proposed in the Generation IV International Forum require the development and validation of computational tools able to assess their safety performance. In the first part of this paper the models of the ESFR design developed by several organisations in the framework of the CP-ESFR project were presented and their reliability validated via a benchmarking exercise. This second part of the paper includes the application of those tools for the analysis of design basis accident (DBC) scenarios of the reference design. Further, this paper also introduces the main features of the core optimisation process carried out within the project with the objective to enhance the core safety performance through the reduction of the positive coolant density reactivity effect. The influence of this optimised core design on the reactor safety performance during the previously analysed transients is also discussed. The conclusion provides an overview of the work performed by the partners involved in the project towards the development and enhancement of computational tools specifically tailored to the evaluation of the safety performance of the Generation IV innovative nuclear reactor designs.

BR3: a biologically inspired fish-like robot actuated by SMA-based artificial muscles

Los peces son animales, donde en la mayoría de los casos, son considerados como nadadores muy eficientes y con una alta capacidad de maniobra. En general los peces se caracterizan por su capacidad de maniobra, locomoción silencioso, giros y partidas rápidas y viajes de larga distancia. Los estudios han identificado varios tipos de locomoción que los peces usan para generar maniobras y natación constante. A bajas velocidades la mayoría de los peces utilizan sus aletas pares y / o impares para su locomoción, que ofrecen una mayor maniobrabilidad y mejor eficiencia de propulsión. A altas velocidades la locomoción implica el cuerpo y / o aleta caudal porque esto puede lograr un mayor empuje y aceleración. Estas características pueden inspirar el diseo y fabricación de una piel muy flexible, una aleta caudal mórfica y una espina dorsal no articulada con una gran capacidad de maniobra. Esta tesis presenta el desarrollo de un novedoso pez robot bio-inspirado y biomimético llamado BR3, inspirado en la capacidad de maniobra y nado constante de los peces vertebrados. Inspirado por la morfología de los peces Micropterus salmoides o también conocido como lubina negra, el robot BR3 utiliza su fundamento biológico para desarrollar modelos y métodos matemáticos precisos que permiten imitar la locomoción de los peces reales. Los peces Largemouth Bass pueden lograr un nivel increíble de maniobrabilidad y eficacia de la propulsión mediante la combinación de los movimientos ondulatorios y aletas morficas. Para imitar la locomoción de los peces reales en una contraparte artificial se necesita del análisis de tecnologías de actuación alternativos, como arreglos de fibras musculares en lugar de servo actuadores o motores DC estándar, así como un material flexible que proporciona una estructura continua sin juntas. Las aleaciones con memoria de forma (SMAs) proveen la posibilidad de construir robots livianos, que no emiten ruido, sin motores, sin juntas y sin engranajes. Asi es como un pez robot submarino se ha desarrollado y cuyos movimientos son generados mediante SMAs. Estos actuadores son los adecuados para doblar la espina dorsal continua del pez robot, que a su vez provoca un cambio en la curvatura del cuerpo. Este tipo de arreglo estructural está inspirado en los músculos rojos del pescado, que son usados principalmente durante la natación constante para la flexión de una estructura flexible pero casi incompresible como lo es la espina dorsal de pescado. Del mismo modo la aleta caudal se basa en SMAs y se modifica para llevar a cabo el trabajo necesario. La estructura flexible proporciona empuje y permite que el BR3 nade. Por otro lado la aleta caudal mórfica proporciona movimientos de balanceo y guiada. Motivado por la versatilidad del BR3 para imitar todos los modos de natación (anguilliforme, carangiforme, subcarangiforme y tunniforme) se propone un controlador de doblado y velocidad. La ley de control de doblado y velocidad incorpora la información del ángulo de curvatura y de la frecuencia para producir el modo de natación deseado y a su vez controlar la velocidad de natación. Así mismo de acuerdo con el hecho biológico de la influencia de la forma de la aleta caudal en la maniobrabilidad durante la natación constante se propone un control de actitud. Esta novedoso robot pescado es el primero de su tipo en incorporar sólo SMAs para doblar una estructura flexible continua y sin juntas y engranajes para producir empuje e imitar todos los modos de natación, así como la aleta caudal que es capaz de cambiar su forma. Este novedoso diseo mecatrónico presenta un futuro muy prometedor para el diseo de vehículos submarinos capaces de modificar su forma y nadar mas eficientemente. La nueva metodología de control propuesto en esta tesis proporcionan una forma totalmente nueva de control de robots basados en SMAs, haciéndolos energéticamente más eficientes y la incorporación de una aleta caudal mórfica permite realizar maniobras más eficientemente. En su conjunto, el proyecto BR3 consta de cinco grandes etapas de desarrollo: • Estudio y análisis biológico del nado de los peces con el propósito de definir criterios de diseño y control. • Formulación de modelos matemáticos que describan la: i) cinemática del cuerpo, ii) dinámica, iii) hidrodinámica iv) análisis de los modos de vibración y v) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular la aleta caudal y el doblado del cuerpo en la producción de fuerzas de empuje y fuerzas de rotación necesarias en las maniobras y optimización del consumo de energía. • Diseño y fabricación de BR3: i) estructura esquelética de la columna vertebral y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación basado en SMAs para el cuerpo y la aleta caudal, iii) piel artificial, iv) electrónica embebida y v) fusión sensorial. Está dirigido a desarrollar la plataforma de pez robot BR3 que permite probar los métodos propuestos. • Controlador de nado: compuesto por: i) control de las SMA (modulación de la forma de la aleta caudal y regulación de la actitud) y ii) control de nado continuo (modulación de la velocidad y doblado). Está dirigido a la formulación de los métodos de control adecuados que permiten la modulación adecuada de la aleta caudal y el cuerpo del BR3. • Experimentos: está dirigido a la cuantificación de los efectos de: i) la correcta modulación de la aleta caudal en la producción de rotación y su efecto hidrodinámico durante la maniobra, ii) doblado del cuerpo para la producción de empuje y iii) efecto de la flexibilidad de la piel en la habilidad para doblarse del BR3. También tiene como objetivo demostrar y validar la hipótesis de mejora en la eficiencia de la natación y las maniobras gracias a los nuevos métodos de control presentados en esta tesis. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos en canales de agua estarán orientados a discutir y demostrar cómo la aleta caudal y el cuerpo pueden afectar considerablemente la dinámica / hidrodinámica de natación / maniobras y cómo tomar ventaja de la modulación de curvatura que la aleta caudal mórfica y el cuerpo permiten para cambiar correctamente la geometría de la aleta caudal y del cuerpo durante la natación constante y maniobras. ABSTRACT Fishes are animals where in most cases are considered as highly manoeuvrable and effortless swimmers. In general fishes are characterized for his manoeuvring skills, noiseless locomotion, rapid turning, fast starting and long distance cruising. Studies have identified several types of locomotion that fish use to generate maneuvering and steady swimming. At low speeds most fishes uses median and/or paired fins for its locomotion, offering greater maneuverability and better propulsive efficiency At high speeds the locomotion involves the body and/or caudal fin because this can achieve greater thrust and accelerations. This can inspire the design and fabrication of a highly deformable soft artificial skins, morphing caudal fins and non articulated backbone with a significant maneuverability capacity. This thesis presents the development of a novel bio-inspired and biomimetic fishlike robot (BR3) inspired by the maneuverability and steady swimming ability of ray-finned fishes (Actinopterygii, bony fishes). Inspired by the morphology of the Largemouth Bass fish, the BR3 uses its biological foundation to develop accurate mathematical models and methods allowing to mimic fish locomotion. The Largemouth Bass fishes can achieve an amazing level of maneuverability and propulsive efficiency by combining undulatory movements and morphing fins. To mimic the locomotion of the real fishes on an artificial counterpart needs the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators as well as a bendable material that provides a continuous structure without joins. The Shape Memory Alloys (SMAs) provide the possibility of building lightweight, joint-less, noise-less, motor-less and gear-less robots. Thus a swimming underwater fish-like robot has been developed whose movements are generated using SMAs. These actuators are suitable for bending the continuous backbone of the fish, which in turn causes a change in the curvature of the body. This type of structural arrangement is inspired by fish red muscles, which are mainly recruited during steady swimming for the bending of a flexible but nearly incompressible structure such as the fishbone. Likewise the caudal fin is based on SMAs and is customized to provide the necessary work out. The bendable structure provides thrust and allows the BR3 to swim. On the other hand the morphing caudal fin provides roll and yaw movements. Motivated by the versatility of the BR3 to mimic all the swimming modes (anguilliform, caranguiform, subcaranguiform and thunniform) a bending-speed controller is proposed. The bending-speed control law incorporates bend angle and frequency information to produce desired swimming mode and swimming speed. Likewise according to the biological fact about the influence of caudal fin shape in the maneuverability during steady swimming an attitude control is proposed. This novel fish robot is the first of its kind to incorporate only SMAs to bend a flexible continuous structure without joints and gears to produce thrust and mimic all the swimming modes as well as the caudal fin to be morphing. This novel mechatronic design is a promising way to design more efficient swimming/morphing underwater vehicles. The novel control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling robots based on SMAs, making them more energy efficient and the incorporation of a morphing caudal fin allows to perform more efficient maneuvers. As a whole, the BR3 project consists of five major stages of development: • Study and analysis of biological fish swimming data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. • Formulation of mathematical models for: i) body kinematics, ii) dynamics, iii) hydrodynamics, iv) free vibration analysis and v) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modelling the e ects of modulating caudal fin and body bend into the production of thrust forces for swimming, rotational forces for maneuvering and energy consumption optimisation. • Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of backbone and body, ii) SMA muscle-like mechanisms for the body and caudal fin, iii) the artificial skin, iv) electronics onboard and v) sensor fusion. It is aimed at developing the fish-like platform (BR3) that allows for testing the methods proposed. • The swimming controller: i) control of SMA-muscles (morphing-caudal fin modulation and attitude regulation) and ii) steady swimming control (bend modulation and speed modulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BR3’s caudal fin and body. • Experiments: it is aimed at quantifying the effects of: i) properly caudal fin modulation into hydrodynamics and rotation production for maneuvering, ii) body bending into thrust generation and iii) skin flexibility into BR3 bending ability. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving swimming and maneuvering efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Waterchannel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the caudal fin and body can considerably affect the dynamics/hydrodynamics of swimming/maneuvering and how to take advantage of bend modulation that the morphing-caudal fin and body enable to properly change caudal fin and body’ geometry during steady swimming and maneuvering.

Optimization and evaluation in space conditions of multi-GHz optical modulators

Among the different optical modulator technologies available such as polymer, III-V semiconductors, Silicon, the well-known Lithium Niobate (LN) offers the best trade-off in terms of performances, ease of use, and power handling capability [1-9]. The LN technology is still widely deployed within the current high data rate fibre optic communications networks. This technology is also the most mature and guarantees the reliability which is required for space applications [9].In or der to fulfil the target specifications of opto-microwave payloads, an optimization of the design of a Mach-Zehnder (MZ) modulator working at the 1500nm telecom wavelength was performed in the frame of the ESA-ARTES "Multi GigaHertz Optical Modulator" (MGOM) project in order to reach ultra-low optical insertion loss and low effective driving voltage in the Ka band. The selected modulator configuration was the X-cut crystal orientation, associated to high stability Titanium in-diffusion process for the optical waveguide. Starting from an initial modulator configuration exhibiting 9 V drive voltage @ 30 GHz, a complete redesign of the coplanar microwave electrodes was carried out in order to reach a 6 V drive voltage @ 30GHz version. This redesign was associated to an optimization of the interaction between the optical waveguide and the electrodes. Following the optimisation steps, an evaluation program was applied on a lot of 8 identical modulators. A full characterisation was carried out to compare performances, showing small variations between the initial and final functional characteristics. In parallel, two similar modulators were submitted to both gamma (10-100 krad) and proton irradiation (10.109 p/cm²) with minor performance degradation.

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.

Paisaje de energías: conocimiento estético en el enfoque ambiental del proyecto

Desde hace ya varias décadas la praxis de la ecología ha venido reconociendo la necesidad de estudiar los múltiples sistemas de interacción del ser humano, como especie viva, y su entorno. Entidades espaciales como el paisaje geográfico son empleadas para delimitar sistemas territoriales operados por la sociedad, precisando campos concretos de su acción física, biológica y cultural. La ecología aborda así el conocimiento científico del territorio como asentamiento humano, rastrea sus patrones espaciales y analiza su compleja estructura funcional. En ese contexto, la transferencia de herramientas e instrumentos desde la ecología al ámbito proyectivo posee ya un bagaje de más de cinco décadas. Cada vez con más frecuencia el proyecto emplea parámetros, inventarios, fórmulas, indicadores y tecnologías que tratan de dar una respuesta ambientalmente adecuada a los condicionantes de contorno, por ejemplo aprovechando las condiciones climáticas en la optimización energética o proponiendo programas de usos del suelo que eviten perturbaciones en ecosistemas de interés. Con todo, en el momento presente surgen voces que, ante el dominio indiscutible de los enfoques netamente deterministas, tratan de recordar que los principios del pensamiento ecológico van más allá del mero control cuantitativo de los procesos biofísicos. Recuerdan que la etología demostró a principios del XX que el ser humano, como ser consciente, inviste una relación de intimidad con su entorno que supera tales perspectivas: a través de la correspondencia entre percepción y significación, entre lo físico y lo psíquico, entre interioridad y exterioridad, las personas abrazan la plenitud de aquello que les rodea en un acto de profunda conciliación afectiva. De tal ligadura de intimidad depende, sí o sí, y en toda su profundidad, la aceptación humana del entorno construido. A través de la noción de ambiente [Umwelt] se demuestra que la relación del hombre con su entorno es inseparable, bidireccional y coordinada y, por lo tanto, desde una posición coherente, la experiencia del espacio puede ser examinada a partir de la reciprocidad que constituyen, en continuidad, la persona y el lugar. De esta forma, la tesis dirige su objetivo principal a explorar y considerar, desde el proyecto, el significado y la influencia de la experiencia ambiental del espacio construido en la vida humana. Es más que probable que buena parte de los problemas de desafección del hombre con los paisajes transformados de su contemporaneidad tenga que ver con que tanto las intensidades de la experiencia y percepción humana, como la potestad interpretativa de sus productos culturales, incluyendo la arquitectura, han sido fuertemente reducidas. Ante este problema, la investigación toma como hipótesis la oportunidad que ofrece el pensamiento ecológico de reformular la experiencia estética como un acto de conocimiento, como un evento donde se da el encuentro físico y se construyen significados, donde se sancionan valores sociales y se mira hacia el futuro. Se ha de señalar que la presente tesis doctoral arranca en el Laboratorio de Paisaje del Grupo de Investigación Paisaje Cultural de la Universidad Politécnica de Madrid dirigido por Concha Lapayese y Darío Gazapo, y por tanto hace suyos para el estado del arte los principales conceptos e ideas bajo los que el trabajo teórico y práctico del grupo se viene orientando desde hace años: la consideración del paisaje como acontecimiento; la oscilación de la interpretación entre un paisaje específico y un paisaje genérico en un mundo globalizado; el reconocimiento de la experiencia estética del paisaje como una toma de conciencia social; y en definitiva, la reivindicación de la interioridad en el proyecto contemporáneo. La investigación profundiza en una línea de oportunidad que se abre al promover lo que se ha llamado un conocimiento por lo sentido como estrategia ambiental que permite contrarrestar mitos profundamente arraigados en las estructuras sociales. El primer paso en ese recorrido sería explorar ecológicamente el aporte de la experiencia estética; esto es, su consideración como forma de conocimiento específico. Resultaría pertinente impulsar la idea de la inmersión en el paisaje como fenómeno experiencial, sensual y corporal, y enfrentar, desde ahí, el problema de la aceptación social de lo nuevo y lo trasformado de acuerdo con el momento actual. La exploración sobre la afectividad en el ambiente no es, en cualquier caso, un asunto nuevo. Sin pretensiones de historiografía, dos momentos del siglo XX concentran el interés de la investigación. La primera se corresponde fundamentalmente con la segunda década del siglo, en relación a una serie de influencias que desde los avances científicos determinaron singulares aventuras del arte más experimental. La segunda se posiciona en el entorno de 1970, época en la que es conocido el interés que despertaron las cuestiones ambientales. En ambos casos se han estudiado aportaciones que desvelan conceptos determinantes en la definición de la experiencia estética como un evento de adquisición de conocimiento por lo sentido. Es conveniente adelantar el rol de centralidad que para la investigación tiene el concepto de energía, tal como el propio título subraya. La energía como realidad material y sensible es el sustrato que permite navegar por el principio de unidad epistemológica que subyace al pensamiento ecológico. Sus continuas referencias simbólicas, físicas y metafóricas entre los artistas estudiados no son un mero recurso iconográfico: mantienen inherente el principio de continuidad ambiental en el cual el ser humano y la inmensidad del cosmos navegan indisociables. Un discurso unificado y consistente sobre los aportes de la experiencia estética enfocada como forma de conocimiento por lo sentido hila la lectura histórica, conceptual y práctica de toda la investigación. Con ello se alcanza a hilvanar un diagrama conceptual, modelo de análisis proyectivo, que recoge ideas científicas, filosóficas y proyectivas. De alguna manera, el diagrama trata de dibujar, desde los principios del pensamiento ecológico, la correlación de continuidad que, vacilante, tensa, sutil y frágil se desplaza incesante e irresuelta entre interioridad y exterioridad. ABSTRACT Over the last few decades ecological practice has come to acknowledge a need for studying the multiple systems of interaction between the human being - inasmuch as it is a living species - and its environment. Spatial entities such as the geographic notion of landscape have been used to delimitate the territorial systems operated by society and to describe in detail specific fields of its physical, biological and cultural action. Ecology has thus managed to address the scientific knowledge of the territory as a human settlement, tracking its spatial patterns and analysing its complex functional structure. In this context, the transfer of tools and instruments from the field of ecology to that of design has a tradition already going back more than fifty years. Increasingly more often, design makes use of parameters, inventories, formulas, indicators and technologies to give an environmentally sound response to contour conditions: for instance, taking advantage of the local climate for the optimisation of energy consumption or proposing land uses that avoid disturbing valuable ecosystems. Yet in the present day some voices have arisen that, against the uncontested domination of purely positivistic approaches, are trying to draw attention to the fact that the principles of ecological thought go beyond mere quantitative control of biophysical processes. They point out that, in the early 20th century, ethology proved that the human being, as a conscious entity, invests itself into a relationship of intimacy with its environment that surpasses such perspectives: through the correspondences between perception and signification, between physical and psychological or between inside and outside, people embrace the entirety of their surroundings in an action of deep affective conciliation. It is on this link of intimacy that - fully and unquestionably - human acceptance of the built environment depends. Through the notion of environment [Umwelt] it can be proven that the relationship between the human being and its environment is inseparable, bidirectional and coordinated; and that, therefore, from a coherent position the experience of space can be examined through the reciprocity constituted continuously by person and place. Thus, the main goal in this thesis is to explore and acknowledge, from the standpoint of design, the meaning and influence of the environmental experience in human life. It is extremely likely that many of the issues with mankind’s alienation from the transformed landscapes of the present day arise from the fact that both the intensity of human perception and experience and the interpretive capacity of its cultural products –including architecture - have been greatly reduced. Facing this issue, research has taken as hypothesis the opportunity offered by ecological thought of reformulating aesthetic experience as an act of knowledge – as an event where physical encounter takes place and meanings are constructed; where social values are sanctioned and the path towards the future is drawn. This notwithstanding, the present thesis began in the Landscape Laboratory of the Technical University of Madrid Cultural Landscape Research Group (GIPC-UPM), led by Concha Lapayese and Darío Gazapo; and has therefore appropriated for its state of the art the main concepts and ideas that have been orienting the practical and theoretical work of the latter: the understanding of landscape as an event, the oscillation of interpretation between a specific and a generic landscape within a globalised world; the acknowledgement of the aesthetic experience of landscape as a way of acquiring social awareness; and, all in all, a vindication of interiority in contemporary design. An exploration has been made of the line of opportunity that is opened when promoting what has been termed knowledge through the senses as an environmental strategy allowing to counter myths deeply rooted in social structures. The first step in this path would be an ecological exploration of the contribution of the aesthetic experience; that is, its consideration as a type of specific knowledge. It would be pertinent to further the idea of immersion into the landscape as an experiential, sensual and corporeal phenomenon and, from that point, to face the issue of social acceptance of what is new and transformed according to the values of the present day. The exploration of affectivity in the environment is not, at any rate, a new topic. Without aspiring to make a history of it, we can mark two points in the 20th century that have concentrated the interest of this research. The first coincides with the second decade of the century and relates to a number of influences that, arising from scientific progress, determined the singular adventures of the more experimental tendencies in art. The second is centred around 1970: a period in which the interest drawn by environmental matters is well known. In both cases, contributions have been studied that reveal crucial concepts in defining the aesthetic experience as an event for the acquisition of knowledge through the senses. It is necessary to highlight the role of centrality that the concept of energy has throughout this research, as is evident even in its title. Energy as a material, sensitive reality is the substrate making it possible to navigate through the principle of epistemological unity underlying ecological thought. The continuous symbolic, physical and metaphorical references to it among the artists studied here are not a mere iconographic source: they remind of the inherency of the principle of environmental continuity within which the human being and the immensity of cosmos travel indissociably. A unified, consistent discourse on the contributions of the aesthetic experience addressed as knowledge through the senses weaves together the historic, conceptual and practical reading of the whole research. With it, a conceptual diagram is constructed – a model of design analysis – gathering together scientific, philosophical and design ideas. Somehow, the diagram tries to draw from the principles of ecological thought the correlation of continuity that, vacillating, tense, subtle and fragile, shifts incessantly and unresolved between interiority and exteriority.

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.

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

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

Metodología para la optimización y análisis de la respuesta de medios e infraestructuras en el sistema aeroportuario en operaciones invernales mediante modelos basados en algorítmos genéticos

En este estudio, englobado dentro del campo de la investigación operacional en aeropuertos, se considera el problema de la optimización de la secuencia de descontaminación de nieve de los tramos que componen el área de maniobras de un aeropuerto, denominado RM-AM. Este problema se enfrenta a la optimización de recursos limitados para retirar la nieve de las calles de rodadura y pistas, dejándolas en un estado aceptable para la operación de aeronaves. El campo de vuelos se divide en subconjuntos de tramos significativos para la operación y se establecen tiempos objetivo de apertura al tráfico de aeronaves. Se desarrollan varios algoritmos matemáticos en los que se proponen distintas funciones objetivo, como son la hora de finalización del proceso, la suma de las horas de finalización de cada tramo, o el retraso entre la hora estimada y la hora de finalización. Durante este proceso, se van introduciendo restricciones operativas relativas al cumplimiento de objetivos operativos parciales aplicados a las zonas de especial interés, o relativas a la operación de los equipos de descontaminación. El problema se resuelve mediante optimización basada en programación lineal. Los resultados de las pruebas computacionales se hacen sobre cinco modelos de área de maniobras en los que va creciendo la complejidad y el tamaño. Se comparan las prestaciones de los distintos algoritmos. Una vez definido el modelo matemático para la optiamización, se propone una metodología estructurada para abordar dicho problema para cualquier área de manobras. Se define una estrategia en la operación. Se acomete el área de maniobras por zonas, con la condición de que los subconjuntos de tramos significativos queden englobados dentro de una sola de estas zonas. El problema se resuelve mediante un proceso iterativo de optimización aplicado sucesivamente a las zonas que componen el área de maniobras durante cada iteración. Se analiza la repercusión de los resultados en los procesos DMAN, AMAN y TP, para la integración de los resultados en el cálculo de TSAT y EBIT. El método se particulariza para el caso del área de maniobras del Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid Barajas. ABSTRACT This study, which lies within the field of operations research in airports, considers the optimisation of the sequence for clearing snow from stretches of the manoeuvring area of an airport, known as RM-AM. This issue involves the optimisation of limited resources to remove snow from taxiways and runways thereby leaving them in an acceptable condition for operating aircraft. The airfield is divided into subsets of significant stretches for the purpose of operations and target times are established during which these are open to aircraft traffic. The study contains several mathematical models each with different functions, such as the end time of the process, the sum of the end times of each stretch, and gap between the estimated and the real end times. During this process, we introduce different operating restrictions on partial fulfilment of the operational targets as applied to zones of special interest, or relating to the operation of the snow-clearing machines. The problem is solved by optimisation based on linear programming. Computational tests are carried out on five distinct models of the manoeuvring area, which cover increasingly complex situations and larger areas. The different algorithms are then compared to one other. Having defined the mathematical model for the optimisation, we then set out a structured methodology to deal with any type of manoeuvring area. In other words, we define an operational strategy. The airfield is divided into subsets of significant stretches for the purpose of operations and target times are set at which these are to be open to aircraft traffic. The manoeuvring area is also divided into zones, with the condition that the subsets of significant stretches lie within just one of these zones. The problem is solved by an iterative optimisation process based on linear programming applied successively to the zones that make up the manoeuvring area during each iteration. The impact of the results on DMAN, AMAN and TP processes is analysed for their integration into the calculation of TSAT and EBIT. The method is particularized for the case of the manoeuvring area of Adolfo Suarez Madrid - Barajas Airport.

Assessing the accessibility impact of transport policy by a land-use and transport interaction model - The case of Madrid

Accessibility is an essential concept widely used to evaluate the impact of transport and land-use strategies in urban planning and policy making. Accessibility is typically evaluated by using separately a transport model or a land-use model. This paper embeds two accessibility indicators (i.e., potential and adaptive accessibility) in a land use and transport interaction (LUTI) model in order to assess transport policies implementation. The first aim is to define the adaptive accessibility, considering the competition factor at territorial level (e.g. workplaces and workers). The second aim is to identify the optimal implementation scenario of policy measures using potential and adaptive accessibility indicators. The analysis of the results in terms of social welfare and accessibility changes closes the paper. Two transport policy measures are applied in Madrid region: a cordon toll and increase bus frequency. They have been simulated through the MARS model (Metropolitan Activity Relocation Simulator, i.e. LUTI model). An optimisation procedure is performed by MARS for maximizing the value of the objective function in order to find the optimal policy implementation (first best). Both policy measures are evaluated in terms of accessibility. Results show that the introduction of the accessibility indicators (potential and adaptive) influence the optimal value of the toll price and bus frequency level, generating different results in terms of social welfare. Mapping the difference between potential and adaptive accessibility indicator shows that the main changes occur in areas where there is a strong competition among different land-use opportunities.