Cooperative Learning Model based on Multi-Agent Architecture for Embedded Intelligent Systems

Cooperative systems are suitable for many types of applications and nowadays these system are vastly used to improve a previously defined system or to coordinate multiple devices working together. This paper provides an alternative to improve the reliability of a previous intelligent identification system. The proposed approach implements a cooperative model based on multi-agent architecture. This new system is composed of several radar-based systems which identify a detected object and transmit its own partial result by implementing several agents and by using a wireless network to transfer data. The proposed topology is a centralized architecture where the coordinator device is in charge of providing the final identification result depending on the group behavior. In order to find the final outcome, three different mechanisms are introduced. The simplest one is based on majority voting whereas the others use two different weighting voting procedures, both providing the system with learning capabilities. Using an appropriate network configuration, the success rate can be improved from the initial 80% up to more than 90%.

Desarrollo de un modelo de riesgo de colisión en espacios aéreos de área terminal

El transporte aéreo es un sector estratégico para el crecimiento económico de cualquier país. La estabilidad y el desarrollo de este modo de transporte tienen un pilar fundamental en una operación segura, especialmente cuando las previsiones indican escenarios de crecimiento continuo del tráfico aéreo. La estimación del riesgo y, por tanto, del nivel de seguridad de un entorno operativo se ha basado en métodos indirectos como puede ser la cuantificación y análisis de los reportes voluntarios de incidentes o el uso de modelos de riesgo de colisión enfocados a escenarios operativos parciales, como puede ser un espacio aéreo oceánico. La operación en un área terminal de maniobra es compleja, con distintos flujos de tráfico de arribada y salida a uno o varios aeropuertos, con cambios frecuentes en el rumbo y velocidad de las aeronaves y con instrucciones tácticas del control de tráfico aéreo para secuenciar y separar las aeronaves El objetivo de la presente Tesis es complementar los actuales métodos de monitorización de la seguridad que presentan sus limitaciones, con el desarrollo de un modelo de riesgo de colisión para áreas terminales de alta densidad que se base en datos objetivos como son las trazar radar de las aeronaves y que tenga en cuenta la complejidad de la operación en un área terminal. Para evaluar el modelo desarrollado se ha implementado una herramienta prototipo en MATLAB© que permite procesar un número masivo de trazar radar para un escenario de área terminal y calcular un valor del riesgo de colisión para el escenario analizado. El prototipo ha sido utilizado para estimar la probabilidad de colisión para distintos escenarios del área terminal de Madrid. El uso de trazas radar permite monitorizar el nivel de riesgo de escenarios reales de manera periódica estableciendo niveles de alerta temprana si se detecta que el valor de riesgo se desvía en exceso, pero también permite evaluar el nivel de riesgo de diseños de espacio aéreo o de nuevos modos de operación a partir de las trazas radar obtenidas en las simulaciones en tiempo real o acelerado y actuar en fases tempranas de los proyectos. ABSTRACT The air transport is a strategic sector for the economic growth of any country. The stability and development of the transport mode have a fundamental pillar in a safe operation, especially when long-term forecasts show scenarios of continuous growth in air traffic. Risk estimation and therefore the level of safety in an operational airspace has been based on indirect methods such as the quantification and analysis of voluntary reports of safety incidents or use of collision risk models focused on partial or simple operational scenarios such as an oceanic airspace. The operation on a terminal maneuvering area is complex, with different traffic flows of arrival and departure at one or more airports, with frequent changes in direction and speed of aircraft and tactical instructions of air traffic control to sequence and separate aircraft. The objective of this Thesis is to complement existing methods of monitoring safety that have their limitations, with the development of a collision risk model for high-density terminal areas that is based on objective data such as aircraft radar tracks and taking into account the complexity of the operation in a terminal area. To evaluate the developed model a prototype tool was implemented with MATLAB© that can process massive numbers of radar tracks for a terminal area scenario and computing a collision risk value for that scenario. The prototype has been used to estimate the probability of collision for different scenarios of the terminal area of Madrid. The use of radar tracks allows to monitor the level of risk of real scenarios periodically establishing levels of early warning when the risk value deviates too much, but also to assess the risk level of airspace designs or modes of operations from the radar tracks obtained in real or fast time simulations and act in the early stages of projects.

Evaluación del rendimiento de jugadores y equipos de fútbol de nivel de élite en diferentes contextos situacionales = Evaluation on Match Performances of Professional Football Players and Teams under Different Situational Conditions = 不同情境条件下高水平足球运动员和运动队的比赛表现分析

El análisis del rendimiento en deportes juega un papel esencial en el fútbol profesional. Aunque el estudio del análisis del juego en fútbol se ha utilizado desde diferentes ámbitos y situaciones, todavía existen diferentes aspectos y componentes del juego que siguen sin estar estudiados. En este sentido existen diferentes aspectos que deben de superar los estudios previos centrados en el componente descriptivo tales como el uso de variables/ indicadores de rendimiento que no se han definido ni estudiado, la validez de los métodos observaciones que no han sido testados con los softwares específicos en fútbol, la aplicación y utilidad de los resultados, así como las limitaciones del estudio de las variables situacionales/contextuales. Con el objetivo de cubrir las citadas limitaciones se han diseñado 6 estudios independientes e inter-relacionados que tratan de estudiar los aspectos anteriormente referidos. El primer estudio evalua la fiabilidad inter-observadores de las estadísticas de juego de la empresa privada OPTA Sportsdata, estos datos son la muestra de estudio de la presente tesis doctoral. Dos grupos de observadores experimentados se requieren para analizar un partido de la liga española de manera independiente. Los resultados muestran que los eventos de equipos y porteros codificados por los inter-operadores alcanzan un acuerdo muy bueno (valores kappa entre 0.86 y 0.94). La validez inter-observadores de las acciones de juego y los datos de jugadores individuales se evaluó con elevados niveles de acuerdo (valores del coeficiente de correlación intraclase entre 0.88 hasta 1.00, el error típico estandarizado variaba entre 0.00 hasta 0.37). Los resultados sugieren que las estadísticas de juego registradas por los operadores de la empresa OPTA Sportsdata están bien entrenados y son fiables. El segundo, tercer y cuarto estudio se centran en resaltar la aplicabilidad del análisis de rendimiento en el fútbol así como para explicar en profundidad las influencias de las variables situacionales. Utilizando la técnica de los perfiles de rendimiento de jugadores y equipos de fútbol se puede evaluar y comparar de manera gráfica, fácil y visual. Así mismo, mediante esta técnica se puede controlar el efecto de las variables situacionales (localización del partido, nivel del equipo y del oponente, y el resultado final del partido). Los perfiles de rendimiento de porteros (n = 46 porteros, 744 observaciones) y jugadores de campo (n = 409 jugadores, 5288 observaciones) de la primera division professional de fútbol Española (La Liga, temporada 2012-13), los equipos (n = 496 partidos, 992 observaciones) de la UEFA Champions League (temporadas 2009-10 a 2012-13) fueron analizados registrando la media, desviación típica, mediana, cuartiles superior e inferior y el recuento de valores de cada indicador de rendimiento y evento, los cuales se presentaron en su forma tipificada y normalizada. Los valores medios de los porteros de los equipos de diferentes niveles de La Liga y de los equipos de diferente nivel de la UEFA Champions League cuando jugaban en diferentes contextos de juego y situaciones (variables situacionales) fueron comparados utilizando el ANOVA de un factor y la prueba t para muestras independientes (localización del partido, diferencias entre casa y fuera), y fueron establecidos en los perfiles de red después de unificar todos los registros en la misma escala derivada con valores estandarizados. Mientras que las diferencias de rendimiento entre los jugadores de los mejores equipos (Top3) y los peores (Bottom3) fueron comparados mediante el uso de diferencias en la magnitud del tamaño del efecto. El quinto y el sexto estudio analizaban el rendimiento del fútbol desde un punto de vista de predicción del rendimiento. El modelo linear general y el modelo lineal general mixto fue empleado para analizar la magnitud de las relaciones de los indicadores y estadísticas de juego con el resultado final del partido en función del tipo de partido (partidos ajustados o todos los partidos) en la fase de grupos de la Copa del Mundo 2014 de Brasil (n = 48 partidos, 38 partidos ajustados) y La Liga 2012-13 (n = 320 partidos ajustados). Las relaciones fueron evaluadas mediante las inferencias en la magnitud de las diferencias y se expresaron como partidos extra ganados o perdidos por cada 10 partidos mediante la variable calculada en 2 desviaciones típicas. Los resultados mostraron que, para los 48 partidos de la fase de grupos de la Copa del Mundo 2014, nueve variables tuvieron un efecto positive en la probabilidad de ganar (tiros, tiros a puerta, tiros de contraataque, tiros dentro del área, posesión de balón, pases en corto, media de secuencia de pases, duelos aéreos y entradas), cuatro tuvieron efectos negativos (tiros bloqueados, centros, regates y tarjetas amarillas), y otras 12 variables tenían efectos triviales o poco claros. Mientras que los 38 partidos ajustados, el efecto de duelos aéreos y tarjetas amarillas fueron triviales y claramente negativos respectivamente. En la La Liga, existió un efecto moderado positive para cada equipo para los tiros a puerta (3.4 victorias extras por cada 10 partidos; 99% IC ±1.0), y un efecto positivo reducido para tiros totales (1.7 victorias extrsa; ±1.0). Los efectos de la mayoría de los eventos se han relacionado con la posesión del balón, la cual obtuvo efectos negativos entre equipos (1.2 derrotas extras; ±1.0) pero un efecto positivo pequeño entra equipos (1.7 victorias extras; ±1.4). La localización del partido mostró un efecto positive reducido dentro de los equipos (1.9 victorias extras; ±0.9). Los resultados obtenidos en los perfiles y el modelado del rendimiento permiten ofrecer una información detallada y avanzada para el entrenamiento, la preparación previa a los partidos, el control de la competición y el análisis post-partido, así como la evaluación e identificación del talento de los jugadores. ABSTRACT Match performance analysis plays an important role in the modern professional football. Although the research in football match analysis is well-developed, there are still some issues and problems remaining in this field, which mainly include the lack of operational definitions of variables, reliability issues, applicability of the findings, the lack of contextual/situational variables, and focusing too much on descriptive and comparative analysis. In order to address these issues, six independent but related studies were conducted in the current thesis. The first study evaluated the inter-operator reliability of football match statistics from OPTA Sportsdata Company which is the data resourse of the thesis. Two groups of experienced operators were required to analyse a Spanish league match independently in the experiment. Results showed that team events and goalkeeper actions coded by independent operators reached a very good agreement (kappa values between 0.86 and 0.94). The inter-operator reliability of match actions and events of individual outfield players was also tested to be at a high level (intra-class correlation coefficients ranged from 0.88 to 1.00, standardised typical error varied from 0.00 to 0.37). These results suggest that the football match statistics collected by well-trained operators from OPTA Sportsdata Company are reliable. The second, third and fourth study aims to enhance the applicability of football match performance analysis and to explore deeply the influences of situational variables. By using a profiling technique, technical and tactical performances of football players and teams can be interpreted, evaluated and compared more easily and straightforwardly, meanwhile, influences and effects from situational variables (match location, strength of team and opposition, and match outcome) on the performances can be properly incorporated. Performance profiles of goalkeepers (n = 46 goalkeepers, 744 full match observations) and outfield players (n = 409 players, 5288 full match observations) from the Spanish First Division Professional Football League (La Liga, season 2012-13), teams (n = 496 matches, 992 observations) from UEFA Champions League (seasons 2009-10 to 2012-13) were set up by presenting the mean, standard deviation, median, lower and upper quartiles of the count values of each performance-related match action and event to represent their typical performances and spreads. Means of goalkeeper from different levels of team in La Liga and teams of different strength in UEFA Champions League when playing under different situational conditions were compared by using one-way ANOVA and independent sample t test (for match location, home and away differences), and were plotted into the same radar charts after unifying all the event counts by standardised score. While differences between the performances of outfield players from Top3 and from Bottom3 teams were compared by magnitude-based inferences. The fifth and sixth study aims to move from the descriptive and comparative football match analysis to a more predictive one. Generalised linear modelling and generalised mixed linear modelling were undertaken to quantify relationships of the performance-related match events, actions and variables with the match outcome in different types of games (close games and all games) in the group stage of 2014 Brazil FIFA World Cup (n = 48 games, 38 close games) and La Liga 2012-13 (n = 320 close games). Relationships were evaluated with magnitude-based inferences and were expressed as extra matches won or lost per 10 matches for an increase of two standard deviations of a variable. Results showed that, for all the 48 games in the group stage of 2014 FIFA World Cup, nine variables had clearly positive effects on the probability of winning (shot, shot on target, shot from counter attack, shot from inside area, ball possession, short pass, average pass streak, aerial advantage, and tackle), four had clearly negative effects (shot blocked, cross, dribble and red card), other 12 variabless had either trivial or unclear effects. While for the 38 close games, the effects of aerial advantage and yellow card turned to trivial and clearly negative, respectively. In the La Liga, there was a moderate positive within-team effect from shots on target (3.4 extra wins per 10 matches; 99% confidence limits ±1.0), and a small positive within-team effect from total shots (1.7 extra wins; ±1.0). Effects of most other match events were related to ball possession, which had a small negative within-team effect (1.2 extra losses; ±1.0) but a small positive between-team effect (1.7 extra wins; ±1.4). Game location showed a small positive within-team effect (1.9 extra wins; ±0.9). Results from the established performance profiles and modelling can provide detailed and straightforward information for training, pre-match preparations, in-match tactical approaches and post-match evaluations, as well as for player identification and development. 摘要 比赛表现分析在现代足球中起着举足轻重的作用。尽管如今对足球比赛表现分析的研究已经相对完善，但仍有很多不足之处。这些不足主要体现在：研究中缺乏对研究变量的清晰定义、数据信效度缺失、研究结果的实用性受限、比赛情境因素缺失以及过于集中在描述性和对比性分析等。针对这些问题，本论文通过六个独立而又相互联系的研究，进一步对足球比赛表现分析进行完善。 第一个研究对本论文的数据源--OPTA Sportsdata公司的足球比赛数据的信效度进行了实验检验。实验中，两组数据收集人员被要求对同一场西班牙足球甲级联赛的比赛进行分析。研究结果显示，两组收集人员记录下的球队比赛事件和守门员比赛行为具有高度的一致性(卡帕系数介于0.86和0.94)。收集人员输出的外场球员的比赛行为和比赛事件也具有很高的组间一致性(ICC相关系数介于0.88和1.00，标准化典型误差介于0.00和0.37)。实验结果证明了OPTA Sportsdata公司收集的足球比赛数据具有足够高的信效度。 第二、三、四个研究旨在提升足球比赛表现分析研究结果的实用性以及深度探讨比赛情境因素对足球比赛表现的影响。通过对足球运动员和运动队的比赛技战术表现进行档案创建，可以对运动员和运动队的比赛表现进行简直接而直观的呈现、评价和对比，同时，情境变量(比赛场地、球队和对手实力、比赛结果)对比赛表现的影响也可以被整合到表现档案中。本部分对2012-13赛季西班牙足球甲级联赛的参赛守门员(n = 46球员人次，744比赛场次)和外场球员(n = 409球员人次, 5288比赛场次)以及2009-10至2012-13赛季欧洲足球冠军联赛的参赛球队(n = 496比赛场次)的比赛技战术表现进行了档案创建。在表现档案中，各项比赛技战术指标的均值、标准差、中位数和大小四分位数被用来展现守门员、外场球员和球队的普遍表现和表现浮动性。方差分析(ANOVA)被用来对西甲不同水平球队的守门员、欧冠中不同水平球队在不同比赛情境下的普遍表现(各项指标的均值)进行对比，独立样本t检验被用来对比主客场比赛普遍表现的差异。数据量级推断(magnitude-based inferences)的方法则被用来对西甲前三名和最后三名球队外场球员的普遍表现进行对比分析。所有来自不同水平球队的运动员和不同水平运动队的各项比赛指标皆被转换成了标准分数，从而能把他们在各种不同比赛情境下的普遍表现(各项比赛指标的均值)投到相同的雷达图中进行直观的对比。 第五和第六个研究目的在于进行预测性足球比赛表现分析，从而跨越之前固有的描述性和对比性分析。广义线性模型和广义混合线性模型被用来对2014年巴西世界杯小组赛(n = 48 比赛场次，38小分差场次)和2012-13赛季西甲联赛(n = 320小分差场次)的比赛中各表现相关比赛事件、行为和变量与比赛结果(胜、平、负)的关系进行建模。模型中的关系通过数据量级推断(magnitude-based inferences)的方法来界定，具体表现为某个变量增加两个标准差对比赛结果的影响(每10场比赛中额外取胜或失利的场数)。研究结果显示，在2014年巴西世界杯小组赛的所有48场比赛中，9个变量(射门、射正、反击中射门、禁区内射门、控球、短传、连续传球平均次数、高空球争抢成功率和抢断)与赢球概率有清晰的正相关关系，4个变量(射门被封堵、传中、过人和红牌)与赢球概率有清晰的负相关关系，其他12个被分析的变量与赢球概率的相关关系微小或不清晰。而在38场小分差比赛中，高空球争抢成功率由正相关变为微小关系，黄牌则由微小关系变为清晰的负相关。在西甲联赛中，每一支球队增加两个标准差的“射正球门”可以给每10场比赛带来3.4场额外胜利(99%置信区间±1.0场)，而所有球队作为一个整体，每增加两个标准差的“射正球门”可以给每10场比赛带来1.7场额外胜利(99%置信区间±1.0场)。其他大多数比赛相关事件与比赛结果的相关关系与“控球”相关联。每一支球队增加两个标准差的“控球”将会给每10场比赛带来1.2场额外失利(99%置信区间±1.0场)，而所有球队作为一个整体，每增加两个标准差的“控球”可以给每10场比赛带来1.7场额外胜利(99%置信区间±1.4场)。与客场比赛相对，主场能给球队带来1.9 /10场额外胜利(99%置信区间±0.9场)。 比赛表现档案和模型中得出的研究结果可以为俱乐部、足球队、教练组、表现分析师和运动员提供详细而直接的参考信息。这些信息可用于训练指导、赛前备战、赛中技战术调整和赛后技战术表现分析，也可运用于足球运动员选材、培养和发展。

Utilizing the Internet of Things to promote energy awareness and efficiency at discrete production processes: Practices and methodology

El actual contexto de fabricación, con incrementos en los precios de la energía, una creciente preocupación medioambiental y cambios continuos en los comportamientos de los consumidores, fomenta que los responsables prioricen la fabricación respetuosa con el medioambiente. El paradigma del Internet de las Cosas (IoT) promete incrementar la visibilidad y la atención prestada al consumo de energía gracias tanto a sensores como a medidores inteligentes en los niveles de máquina y de línea de producción. En consecuencia es posible y sencillo obtener datos de consumo de energía en tiempo real proveniente de los procesos de fabricación, pero además es posible analizarlos para incrementar su importancia en la toma de decisiones. Esta tesis pretende investigar cómo utilizar la adopción del Internet de las Cosas en el nivel de planta de producción, en procesos discretos, para incrementar la capacidad de uso de la información proveniente tanto de la energía como de la eficiencia energética. Para alcanzar este objetivo general, la investigación se ha dividido en cuatro sub-objetivos y la misma se ha desarrollado a lo largo de cuatro fases principales (en adelante estudios). El primer estudio de esta tesis, que se apoya sobre una revisión bibliográfica comprehensiva y sobre las aportaciones de expertos, define prácticas de gestión de la producción que son energéticamente eficientes y que se apoyan de un modo preeminente en la tecnología IoT. Este primer estudio también detalla los beneficios esperables al adoptar estas prácticas de gestión. Además, propugna un marco de referencia para permitir la integración de los datos que sobre el consumo energético se obtienen en el marco de las plataformas y sistemas de información de la compañía. Esto se lleva a cabo con el objetivo último de remarcar cómo estos datos pueden ser utilizados para apalancar decisiones en los niveles de procesos tanto tácticos como operativos. Segundo, considerando los precios de la energía como variables en el mercado intradiario y la disponibilidad de información detallada sobre el estado de las máquinas desde el punto de vista de consumo energético, el segundo estudio propone un modelo matemático para minimizar los costes del consumo de energía para la programación de asignaciones de una única máquina que deba atender a varios procesos de producción. Este modelo permite la toma de decisiones en el nivel de máquina para determinar los instantes de lanzamiento de cada trabajo de producción, los tiempos muertos, cuándo la máquina debe ser puesta en un estado de apagada, el momento adecuado para rearrancar, y para pararse, etc. Así, este modelo habilita al responsable de producción de implementar el esquema de producción menos costoso para cada turno de producción. En el tercer estudio esta investigación proporciona una metodología para ayudar a los responsables a implementar IoT en el nivel de los sistemas productivos. Se incluye un análisis del estado en que se encuentran los sistemas de gestión de energía y de producción en la factoría, así como también se proporcionan recomendaciones sobre procedimientos para implementar IoT para capturar y analizar los datos de consumo. Esta metodología ha sido validada en un estudio piloto, donde algunos indicadores clave de rendimiento (KPIs) han sido empleados para determinar la eficiencia energética. En el cuarto estudio el objetivo es introducir una vía para obtener visibilidad y relevancia a diferentes niveles de la energía consumida en los procesos de producción. El método propuesto permite que las factorías con procesos de producción discretos puedan determinar la energía consumida, el CO2 emitido o el coste de la energía consumida ya sea en cualquiera de los niveles: operación, producto o la orden de fabricación completa, siempre considerando las diferentes fuentes de energía y las fluctuaciones en los precios de la misma. Los resultados muestran que decisiones y prácticas de gestión para conseguir sistemas de producción energéticamente eficientes son posibles en virtud del Internet de las Cosas. También, con los resultados de esta tesis los responsables de la gestión energética en las compañías pueden plantearse una aproximación a la utilización del IoT desde un punto de vista de la obtención de beneficios, abordando aquellas prácticas de gestión energética que se encuentran más próximas al nivel de madurez de la factoría, a sus objetivos, al tipo de producción que desarrolla, etc. Así mismo esta tesis muestra que es posible obtener reducciones significativas de coste simplemente evitando los períodos de pico diario en el precio de la misma. Además la tesis permite identificar cómo el nivel de monitorización del consumo energético (es decir al nivel de máquina), el intervalo temporal, y el nivel del análisis de los datos son factores determinantes a la hora de localizar oportunidades para mejorar la eficiencia energética. Adicionalmente, la integración de datos de consumo energético en tiempo real con datos de producción (cuando existen altos niveles de estandarización en los procesos productivos y sus datos) es esencial para permitir que las factorías detallen la energía efectivamente consumida, su coste y CO2 emitido durante la producción de un producto o componente. Esto permite obtener una valiosa información a los gestores en el nivel decisor de la factoría así como a los consumidores y reguladores. ABSTRACT In today‘s manufacturing scenario, rising energy prices, increasing ecological awareness, and changing consumer behaviors are driving decision makers to prioritize green manufacturing. The Internet of Things (IoT) paradigm promises to increase the visibility and awareness of energy consumption, thanks to smart sensors and smart meters at the machine and production line level. Consequently, real-time energy consumption data from the manufacturing processes can be easily collected and then analyzed, to improve energy-aware decision-making. This thesis aims to investigate how to utilize the adoption of the Internet of Things at shop floor level to increase energy–awareness and the energy efficiency of discrete production processes. In order to achieve the main research goal, the research is divided into four sub-objectives, and is accomplished during four main phases (i.e., studies). In the first study, by relying on a comprehensive literature review and on experts‘ insights, the thesis defines energy-efficient production management practices that are enhanced and enabled by IoT technology. The first study also explains the benefits that can be obtained by adopting such management practices. Furthermore, it presents a framework to support the integration of gathered energy data into a company‘s information technology tools and platforms, which is done with the ultimate goal of highlighting how operational and tactical decision-making processes could leverage such data in order to improve energy efficiency. Considering the variable energy prices in one day, along with the availability of detailed machine status energy data, the second study proposes a mathematical model to minimize energy consumption costs for single machine production scheduling during production processes. This model works by making decisions at the machine level to determine the launch times for job processing, idle time, when the machine must be shut down, ―turning on‖ time, and ―turning off‖ time. This model enables the operations manager to implement the least expensive production schedule during a production shift. In the third study, the research provides a methodology to help managers implement the IoT at the production system level; it includes an analysis of current energy management and production systems at the factory, and recommends procedures for implementing the IoT to collect and analyze energy data. The methodology has been validated by a pilot study, where energy KPIs have been used to evaluate energy efficiency. In the fourth study, the goal is to introduce a way to achieve multi-level awareness of the energy consumed during production processes. The proposed method enables discrete factories to specify energy consumption, CO2 emissions, and the cost of the energy consumed at operation, production and order levels, while considering energy sources and fluctuations in energy prices. The results show that energy-efficient production management practices and decisions can be enhanced and enabled by the IoT. With the outcomes of the thesis, energy managers can approach the IoT adoption in a benefit-driven way, by addressing energy management practices that are close to the maturity level of the factory, target, production type, etc. The thesis also shows that significant reductions in energy costs can be achieved by avoiding high-energy price periods in a day. Furthermore, the thesis determines the level of monitoring energy consumption (i.e., machine level), the interval time, and the level of energy data analysis, which are all important factors involved in finding opportunities to improve energy efficiency. Eventually, integrating real-time energy data with production data (when there are high levels of production process standardization data) is essential to enable factories to specify the amount and cost of energy consumed, as well as the CO2 emitted while producing a product, providing valuable information to decision makers at the factory level as well as to consumers and regulators.

Robust Real-time Vision-based Aircraft Tracking From Unmanned Aerial Vehicles.

Aircraft tracking plays a key and important role in the Sense-and-Avoid system of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). This paper presents a novel robust visual tracking algorithm for UAVs in the midair to track an arbitrary aircraft at real-time frame rates, together with a unique evaluation system. This visual algorithm mainly consists of adaptive discriminative visual tracking method, Multiple-Instance (MI) learning approach, Multiple-Classifier (MC) voting mechanism and Multiple-Resolution (MR) representation strategy, that is called Adaptive M3 tracker, i.e. AM3. In this tracker, the importance of test sample has been integrated to improve the tracking stability, accuracy and real-time performances. The experimental results show that this algorithm is more robust, efficient and accurate against the existing state-of-art trackers, overcoming the problems generated by the challenging situations such as obvious appearance change, variant surrounding illumination, partial aircraft occlusion, blur motion, rapid pose variation and onboard mechanical vibration, low computation capacity and delayed information communication between UAVs and Ground Station (GS). To our best knowledge, this is the first work to present this tracker for solving online learning and tracking freewill aircraft/intruder in the UAVs.

Análisis de algoritmos para posicionamiento de aeronaves mediante respuestas SSR utilizando recepción omnidireccional

El transporte aéreo constituye un sector estratégico para el crecimiento económico de cualquier país. El sistema de gestión de tráfico aéreo ATM tiene como objetivo el movimiento seguro y eficiente de las aeronaves dentro del espacio aéreo y de los aeropuertos, siendo la seguridad, en la fase táctica, gestionada por el servicio de control de la circulación aérea. Mediante los procesos de control el tráfico aéreo es vigilado a través de sensores, regulado y guiado de forma organizada y segura. Es precisamente sobre la vigilancia donde se enfoca el contenido de la tesis, en el desarrollo de nuevos conceptos que proporcionen información de vigilancia de ‘bajo coste’ basados en las señales existentes proporcionadas por la infraestructura actual de radar secundario y por los sistemas de posicionamiento basados en satélite que utiliza la ADS-B. El conocimiento y acceso en tiempo real a las trayectorias de las aeronaves es un elemento de valor añadido no sólo para la provisión de los servicios de control de tránsito aéreo, sino para todos los actores del transporte aéreo o de la investigación, siendo uno de los elementos clave en el concepto operacional de los dos grandes proyectos tecnológicos, SESAR en Europa y NextGen en EE.UU.. En las últimas décadas el control de la circulación aérea en espacios aéreos de media y alta densidad de tráfico se ha basado en tecnologías complejas que requieren importantes infraestructuras como son el radar primario de vigilancia (PSR) y el radar secundario de vigilancia (SSR). La filosofía de los programas SESAR y NextGen siguiendo las directrices de la OACI es la de alejarse de las tecnologías basadas en tierra para evolucionar hacia nuevas tecnologías más dinámicas basadas en satélite como la ADS-B. Pero hasta que la implementación y operación de la ADS-B sea completa, existirá un período de transición que implica la coexistencia de aeronaves equipadas o no con ADS-B. El objetivo de la presente Tesis es determinar las metodologías y algoritmos más adecuados para poder hibridar las dos tecnologías descritas anteriormente, utilizando para ello un receptor de bajo coste con antena estática omnidireccional, que analice todas las señales presentes en el canal que comparten el SSR y ADS-B. Mediante esta hibridación se podrá obtener la posición de cualquier aeronave que transmita respuestas a interrogaciones SSR, en cualquiera de sus modos de trabajo, o directamente mensajes de posición ADS-B. Para desarrollar los algoritmos propuestos, además del hardware correspondiente, se han utilizado las aplicaciones LabVIEW para funciones de adquisición de datos reales, y el software MATLAB® para el desarrollo de algoritmos y análisis de datos. La validación de resultados se ha realizado mediante los propios mensajes de posición ADS-B y a través de las trazas radar proporcionadas por la entidad pública empresarial ENAIRE. La técnica desarrollada es autónoma, y no ha requerido de ninguna otra entrada que no sea la recepción omnidireccional de las señales. Sin embargo para la validación de resultados se ha utilizado información pública de las ubicaciones de la red de estaciones SSR desplegadas sobre territorio español y portugués y trazas radar. Los resultados obtenidos demuestran, que con técnicas basadas en superficies de situación definidas por los tiempos de llegada de las respuestas, es posible determinar con una precisión aceptable la posición de las estaciones SSR y la posición de cualquier aeronave que responda mediante el Modo A a éstas. ABSTRACT Air transport is a strategic sector for the economic growth of any country. The air traffic management system (ATM) aims at the safe and efficient movement of aircraft while operating within the airspace and airports, where safety, in the tactical phase, is managed by the air traffic control services. Through the air traffic control processes, aircraft are monitored by sensors, regulated and guided in an organized and safe manner. It is precisely on surveillance where this thesis is focused, developing new concepts that provide a 'low cost' surveillance information based on existing signals provided by currently secondary radar infrastructure and satellite-based positioning systems used by ADS-B. Having a deeper knowledge and a real-time access to the trajectories of the aircraft, is an element of added value not only for the provision of air traffic control services, but also for all air transport or research actors. This is one of the key elements in the operational concept proposed by the two large scale existing technological projects, SESAR in Europe and NextGen in the US. In recent decades, air traffic control in medium and high traffic density areas has been based on complex technologies requiring major infrastructures, such as the primary surveillance radar (PSR) and secondary surveillance radar (SSR). The philosophy of SESAR and NextGen programs, both following the guidelines of ICAO, is to move away from land-based technologies and evolving into some new and more dynamic satellite-based technologies such as ADS-B. Nevertheless, until the ADS-B implementation and operation is fully achieved, there will be a transitional period where aircraft with and without ADS-B equipment will have to coexist. The main objective of this thesis is to determine those methodologies and algorithms which are considered more appropriate to hybridize those two technologies, by using a low cost omnidirectional receiver, which analyzes all signals on the SSR and ADS-B shared channel. Through this hybridization, it is possible to obtain the position of any aircraft answering the SSR interrogations, in any of its modes of operation, or through the emission of ADS-B messages. To develop the proposed algorithms, LabVIEW application has been used for real-time data acquisition, as well as MATLAB software for algorithm development and data analysis, together with the corresponding hardware. The validation of results was performed using the ADS-B position messages and radar tracks provided by the Public Corporate Entity ENAIRE The developed technique is autonomous, and it does not require any other input other than the omnidirectional signal reception. However, for the validation of results, not only radar records have been used, but also public information regarding the position of SSR stations spread throughout the Spanish and Portuguese territory. The results show that using techniques based in the definition of positioning surfaces defined by the responses’ times of arrival, it is possible to determine with an acceptable level of accuracy both the position of the SSR stations as well as the position of any aircraft which transmits Mode A responses.

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

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

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

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

GPS-PYMEs: Marco de Gestión de Proyectos para el desarrollo Seguro en PYMEs

En la actualidad no se concibe una empresa, por pequeña que esta sea, sin algún tipo de servicio TI. Se presenta para cada empresa el reto de emprender proyectos para desarrollar o contratar servicios de TI que soporten los diferentes procesos de negocio de la empresa. Por otro lado, a menos que los servicios de TI estén aislados de toda red, lo cual es prácticamente imposible en la actualidad, no existe un servicio o un proyecto que lo desarrolle garantizando el 100% de seguridad. Así la empresa maneja una dualidad entre desarrollar productos/servicios de TI seguros y el mantenimiento constante de sus servicios TI en estado seguro. La gestión de los proyectos para el desarrollo de los servicios de TI se aborda, en la mayoría de las empresas, aplicando distintas prácticas, utilizadas en otros proyectos y recomendadas, a tal efecto, por marcos y estándares con mayor reconocimiento. Por lo general, estos marcos incluyen, entre sus procesos, la gestión de los riesgos orientada al cumplimiento de plazos, de costes y, a veces, de la funcionalidad del producto o servicio. Sin embargo, en estas prácticas se obvian los aspectos de seguridad (confidencialidad, integridad y disponibilidad) del producto/servicio, necesarios durante el desarrollo del proyecto. Además, una vez entregado el servicio, a nivel operativo, cuando surge algún fallo relativo a estos aspectos de seguridad, se aplican soluciones ad-hoc. Esto provoca grandes pérdidas y, en ocasiones, pone en peligro la continuidad de la propia empresa. Este problema, se va acrecentando cada día más, en cualquier tipo de empresa y, son las PYMEs, por su la falta de conocimiento del problema en sí y la escasez de recursos metodológicos y técnicos, las empresas más vulnerables. Por todo lo anterior, esta tesis doctoral tiene un doble objetivo. En primer lugar, demostrar la necesidad de contar con un marco de trabajo que, integrado con otros posibles marcos y estándares, sea sencillo de aplicar en distintos tipos y envergaduras de proyectos, y que guíe a las PYMEs en la gestión de proyectos para el desarrollo seguro y posterior mantenimiento de la seguridad de sus servicios de TI. En segundo lugar, cubrir esta necesidad desarrollando un marco de trabajo que ofrezca un modelo de proceso genérico aplicable sobre distintos patrones de proyecto y una librería de activos de seguridad que sirva a las PYMEs de guía durante el proceso de gestión del proyecto para el desarrollo seguro. El modelo de proceso del marco propuesto describe actividades en los tres niveles organizativos de la empresa (estratégico, táctico y operativo). Está basado en el ciclo de mejora continua (PDCA) y en la filosofía Seguridad por Diseño, propuesta por Siemens. Se detallan las prácticas específicas de cada actividad, las entradas, salidas, acciones, roles, KPIs y técnicas aplicables para cada actividad. Estas prácticas específicas pueden aplicarse o no, a criterio del jefe de proyecto y de acuerdo al estado de la empresa y proyecto que se quiera desarrollar, estableciendo así distintos patrones de proceso. Para la validación del marco se han elegido dos PYMEs. La primera del sector servicios y la segunda del sector TIC. El modelo de proceso ha sido aplicado sobre un mismo patrón de proyecto que responde a necesidades comunes a ambas empresas. El patrón de proceso ha sido valorado en los proyectos elegidos en ambas empresas, antes y después de su aplicación. Los resultados del estudio, después de su aplicación en ambas empresas, han permitido la validación del patrón de proceso, en la mejora de la gestión de proyecto para el desarrollo seguro de TI en las PYMEs. ABSTRACT Today a company without any IT service is not conceived, even if it is small either. It presents the challenge for each company to undertake projects to develop or contract IT services that support the different business processes of the company. On the other hand, unless IT services are isolated from whole network, which is virtually impossible at present, there is no service or project, which develops guaranteeing 100% security. So the company handles a duality, develop products / insurance IT services and constant maintenance of their IT services in a safe state. The project management for the development of IT services is addressed, in most companies, using different practices used in other projects and recommended for this purpose by frameworks and standards with greater recognition. Generally, these frameworks include, among its processes, risk management aimed at meeting deadlines, costs and, sometimes, the functionality of the product or service. However, safety issues such as confidentiality, integrity and availability of the product / service, necessary for the project, they are ignored in these practices. Moreover, once the service delivered at the operational level, when a fault on these safety issues arise, ad-hoc solutions are applied. This causes great losses and sometimes threatens the continuity of the company. This problem is adding more every day, in any kind of business and SMEs are, by their lack of knowledge of the problem itself and the lack of methodological and technical resources, the most vulnerable companies. For all these reasons, this thesis has two objectives. Firstly demonstrate the need for a framework that integrated with other possible frameworks and standards, it is simple to apply in different types and wingspans of projects, and to guide SMEs in the management of development projects safely, and subsequent maintenance of the security of their IT services. Secondly meet this need by developing a framework that provides a generic process model applicable to project different patterns and a library of security assets, which serve to guide SMEs in the process of project management for development safe. The process model describes the proposed activities under the three organizational levels of the company (strategic, tactical and operational). It is based on the continuous improvement cycle (PDCA) and Security Design philosophy proposed by Siemens. The specific practices, inputs, outputs, actions, roles, KPIs and techniques applicable to each activity are detailed. These specific practices can be applied or not, at the discretion of the project manager and according to the state of the company and project that the company wants to develop, establishing different patterns of process. Two SMEs have been chosen to validate the frame work. The first of the services sector and the second in the ICT sector. The process model has been applied on the same pattern project that responds to needs common to both companies. The process pattern has been valued at the selected projects in both companies before and after application. The results of the study, after application in both companies have enabled pattern validation process, improving project management for the safe development of IT in SMEs.

Nuevo paradigma para decisiones colectivas en entornos no competitivos

La tesis estudia uno de los aspectos más importantes de la gestión de la sociedad de la información: conocer la manera en que una persona valora cualquier situación. Esto es importante para el individuo que realiza la valoración y para el entorno con el que se relaciona. La valoración es el resultado de la comparación: se asignan los mismos valores a alternativas similares y mayores valores a alternativas mejor consideradas en el proceso de comparación. Los patrones que guían al individuo a la hora de hacer la comparación se derivan de sus preferencias individuales (es decir, de sus opiniones). En la tesis se presentan varios procedimientos para establecer las relaciones de preferencia entre alternativas de una persona. La valoración progresa hasta obtener una representación numérica de sus preferencias. Cuando la representación de preferencias es homogénea permite, además, contrastar las preferencias personales con las del resto de evaluadores, lo que favorece la evaluación de políticas, la transferencia de información entre diferentes individuos y el diseño de la alternativa que mejor se adapte a las preferencias identificadas. Al mismo tiempo, con esta información se pueden construir comunidades de personas con los mismos sistemas de preferencias ante una cuestión concreta. La tesis muestra un caso de aplicación de esta metodología: optimización de las políticas laborales en un mercado real. Para apoyar a los demandantes de empleo (en su iniciación o reincorporación al mundo laboral o en el cambio de su actividad) es necesario conocer sus preferencias respecto a las ocupaciones que están dispuestos a desempeñar. Además, para que la intermediación laboral sea efectiva, las ocupaciones buscadas deben de ser ofrecidas por el mercado de trabajo y el demandante debe reunir las condiciones para acceder a esas ocupaciones. El siguiente desarrollo de estos modelos nos lleva a los procedimientos utilizados para transformar múltiples preferencias en una decisión agregada y que consideran tanto la opinión de cada uno de los individuos que participan en la decisión como las interacciones sociales, todo ello dirigido a generar una solución que se ajuste lo mejor posible al punto de vista de toda la población. Las decisiones con múltiples participantes inciden, principalmente, en: el aumento del alcance para incorporar a personas que tradicionalmente no han sido consideradas en las tomas de decisiones, la agregación de las preferencias de los múltiples participantes en las tomas de decisiones colectivas (mediante votación, utilizando aplicaciones desarrolladas para la Web2.0 y a través de comparaciones interpersonales de utilidad) y, finalmente, la auto-organización para permitir que interaccionen entre si los participantes en la valoración, de forma que hagan que el resultado final sea mejor que la mera agregación de opiniones individuales. La tesis analiza los sistemas de e-democracia o herramientas para su implantación que tienen más más utilización en la actualidad o son más avanzados. Están muy relacionados con la web 2.0 y su implantación está suponiendo una evolución de la democracia actual. También se estudian aplicaciones de software de Colaboración en la toma de decisiones (Collaborative decision-making (CDM)) que ayudan a dar sentido y significado a los datos. Pretenden coordinar las funciones y características necesarias para llegar a decisiones colectivas oportunas, lo que permite a todos los interesados participar en el proceso. La tesis finaliza con la presentación de un nuevo modelo o paradigma en la toma de decisiones con múltiples participantes. El desarrollo se apoya en el cálculo de las funciones de utilidad empática. Busca la colaboración entre los individuos para que la toma de decisiones sea más efectiva, además pretende aumentar el número de personas implicadas. Estudia las interacciones y la retroalimentación entre ciudadanos, ya que la influencia de unos ciudadanos en los otros es fundamental para los procesos de toma de decisiones colectivas y de e-democracia. También incluye métodos para detectar cuando se ha estancado el proceso y se debe interrumpir. Este modelo se aplica a la consulta de los ciudadanos de un municipio sobre la oportunidad de implantar carriles-bici y las características que deben tomar. Se simula la votación e interacción entre los votantes. ABSTRACT The thesis examines one of the most important aspects of the management of the information society: get to know how a person values every situation. This is important for the individual performing the assessment and for the environment with which he interacts. The assessment is a result of the comparison: identical values are allocated to similar alternatives and higher values are assigned to those alternatives that are more favorably considered in the comparison process. Patterns that guide the individual in making the comparison are derived from his individual preferences (ie, his opinions). In the thesis several procedures to establish preference relations between alternatives a person are presented. The assessment progresses to obtain a numerical representation of his preferences. When the representation of preferences is homogeneous, it also allows the personal preferences of each individual to be compared with those of other evaluators, favoring policy evaluation, the transfer of information between different individuals and design the alternative that best suits the identified preferences. At the same time, with this information you can build communities of people with similar systems of preferences referred to a particular issue. The thesis shows a case of application of this methodology: optimization of labour policies in a real market. To be able support jobseekers (in their initiation or reinstatement to employment or when changing area of professional activity) is necessary to know their preferences for jobs that he is willing to perform. In addition, for labour mediation to be effective occupations that are sought must be offered by the labour market and the applicant must meet the conditions for access to these occupations. Further development of these models leads us to the procedures used to transform multiple preferences in an aggregate decision and consider both the views of each of the individuals involved in the decision and the social interactions, all aimed at generating a solution that best fits of the point of view of the entire population. Decisions with multiple participants mainly focus on: increasing the scope to include people who traditionally have not been considered in decision making, aggregation of the preferences of multiple participants in collective decision making (by vote, using applications developed for the Web 2.0 and through interpersonal comparisons of utility) and, finally, self-organization to allow participants to interact with each other in the assessment, so that the final result is better than the mere aggregation of individual opinions. The thesis analyzes the systems of e-democracy or tools for implementation which are more popular or more advanced. They are closely related to the Web 2.0 and its implementation is bringing an evolution of the current way of understanding democracy. We have also studied Collaborative Decision-Making (CDM)) software applications in decision-making which help to give sense and meaning to the data. They intend to coordinate the functions and features needed to reach adequate collective decisions, allowing all stakeholders to participate in the process. The thesis concludes with the presentation of a new model or paradigm in decision-making with multiple participants. The development is based on the calculation of the empathic utility functions. It seeks collaboration between individuals to make decision-making more effective; it also aims to increase the number of people involved. It studies the interactions and feedback among citizens, because the influence of some citizens in the other is fundamental to the process of collective decision-making and e-democracy. It also includes methods for detecting when the process has stalled and should be discontinued. This model is applied to the consultation of the citizens of a municipality on the opportunity to introduce bike lanes and characteristics they should have. Voting and interaction among voters is simulated.

Applications of Formal Languages to Management of Manned and Unmanned Aircraft

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

50 Years Ago We Marched: What began on the grounds of Lincoln University, ended on the steps of the Alabama State Capitol

LINCOLN UNIVERSITY - On March 25, 1965, a bus loaded with Lincoln University students and staff arrived in Montgomery, Ala. to join the Selma march for racial and voting equality. Although the Civil Rights Act of 1964 was in force, African-Americans continued to feel the effects of segregation. The 1960s was a decade of social unrest and change. In the Deep South, specifically Alabama, racial segregation was a cultural norm resistant to change. Governor George Wallace never concealed his personal viewpoints and political stance of the white majority, declaring “Segregation now, segregation tomorrow, segregation forever.” The march was aimed at obtaining African-Americans their constitutionally protected right to vote. However, Alabama’s deep-rooted culture of racial bias began to be challenged by a shift in American attitudes towards equality. Both black and whites wanted to end discrimination by using passive resistance, a movement utilized by Dr. Martin Luther King Jr. That passive resistance was often met with violence, sometimes at the hands of law enforcement and local citizens. The Selma to Montgomery march was a result of a protest for voting equality. The Student Nonviolent Coordinating Committee (SNCC) and the Southern Christian Leadership Counsel (SCLC) among other students marched along the streets to bring awareness to the voter registration campaign, which was organized to end discrimination in voting based on race. Violent acts of police officers and others were some of the everyday challenges protesters were facing. Forty-one participants from Lincoln University arrived in Montgomery to take part in the 1965 march for equality. Students from Lincoln University’s Journalism 383 class spent part of their 2015 spring semester researching the historical event. Here are their stories: Peter Kellogg “We’ve been watching the television, reading about it in the newspapers,” said Peter Kellogg during a February 2015 telephone interview. “Everyone knew the civil rights movement was going on, and it was important that we give him (Robert Newton) some assistance … and Newton said we needed to get involve and do something,” Kellogg, a lecturer in the 1960s at Lincoln University, discussed how the bus trip originated. “That’s why the bus happened,” Kellogg said. “Because of what he (Newton) did - that’s why Lincoln students went and participated.” “People were excited and the people along the sidewalk were supportive,” Kellogg said. However, the mood flipped from excited to scared and feeling intimidated. “It seems though every office building there was a guy in a blue uniform with binoculars standing in the crowd with troops and police. And if looks could kill me, we could have all been dead.” He says the hatred and intimidation was intense. Kellogg, being white, was an immediate target among many white people. He didn’t realize how dangerous the event in Alabama was until he and the others in the bus heard about the death of Viola Liuzzo. The married mother of five from Detroit was shot and killed by members of the Ku Klux Klan while shuttling activists to the Montgomery airport. “We found out about her death on the ride back,” Kellogg recalled. “Because it was a loss of life, and it shows the violence … we could have been exposed to that danger!” After returning to LU, Kellogg’s outlook on life took a dramatic turn. Kellogg noted King’s belief that a person should be willing to die for important causes. “The idea is that life is about something larger and more important than your own immediate gratification, and career success or personal achievements,” Kellogg said. “The civil rights movement … it made me, it made my life more significant because it was about something important.” The civil rights movement influenced Kellogg to change his career path and to become a black history lecturer. Until this day, he has no regrets and believes that his choices made him as a better individual. The bus ride to Alabama, he says, began with the actions of just one student. Robert Newton Robert Newton was the initiator, recruiter and leader of the Lincoln University movement to join Dr. Martin Luther King’s march in Selma. “In the 60s much of the civil rights activists came out of college,” said Newton during a recent phone interview. Many of the events that involved segregation compelled college students to fight for equality. “We had selected boycotts of merchants, when blacks were not allowed to try on clothes,” Newton said. “You could buy clothes at department stores, but no blacks could work at the department stores as sales people. If you bought clothes there you couldn’t try them on, you had to buy them first and take them home and try them on.” Newton said the students risked their lives to be a part of history and influence change. He not only recognized the historic event of his fellow Lincolnites, but also recognized other college students and historical black colleges and universities who played a vital role in history. “You had the S.N.C.C organization, in terms of voting rights and other things, including a lot of participation and working off the bureau,” Newton said. Other schools and places such as UNT, Greenville and Howard University and other historically black schools had groups that came out as leaders. Newton believes that much has changed from 50 years ago. “I think we’ve certainly come a long way from what I’ve seen from the standpoint of growing up outside of Birmingham, Alabama,” Newton said. He believes that college campuses today are more organized in their approach to social causes. “The campus appears to be some more integrated amongst students in terms of organizations and friendships.” Barbara Flint Dr. Barbara Flint grew up in the southern part of Arkansas and came to Lincoln University in 1961. She describes her experience at Lincoln as “being at Lincoln when the world was changing.“ She was an active member of Lincoln’s History Club, which focused on current events and issues and influenced her decision to join the Selma march. “The first idea was to raise some money and then we started talking about ‘why can’t we go?’ I very much wanted to be a living witness in history.” Reflecting on the march and journey to Montgomery, Flint describes it as being filled with tension. “We were very conscious of the fact that once we got on the road past Tennessee we didn’t know what was going to happen,” said Flint during a February 2015 phone interview. “Many of the students had not been beyond Missouri, so they didn’t have that sense of what happens in the South. Having lived there you knew the balance as well as what is likely to happen and what is not likely to happen. As my father use to say, ‘you have to know how to stay on that line of balance.’” Upon arriving in Alabama she remembers the feeling of excitement and relief from everyone on the bus. “We were tired and very happy to be there and we were trying to figure out where we were going to join and get into the march,” Flint said. “There were so many people coming in and then we were also trying to stay together; that was one of the things that really stuck out for me, not just for us but the people who were coming in. You didn’t want to lose sight of the people you came with.” Flint says she was keenly aware of her surroundings. For her, it was more than just marching forward. “I can still hear those helicopters now,” Flint recalled. “Every time the helicopters would come over the sound would make people jump and look up - I think that demonstrated the extent of the tenseness that was there at the time because the helicopters kept coming over every few minutes.” She said that the marchers sang “we are not afraid,” but that fear remained with every step. “Just having been there and being a witness and marching you realize that I’m one of those drops that’s going to make up this flood and with this flood things will move,” said Flint. As a student at Lincoln in 1965, Flint says the Selma experience undoubtedly changed her life. “You can’t expect to do exactly what you came to Lincoln to do,” Flint says. “That march - along with all the other marchers and the action that was taking place - directly changed the paths that I and many other people at Lincoln would take.” She says current students and new generations need to reflect on their personal role in society. “Decide what needs to be done and ask yourself ‘how can I best contribute to it?’” Flint said. She notes technology and social media can be used to reach audiences in ways unavailable to her generation in 1965. “So you don’t always have to wait for someone else to step out there and say ‘let’s march,’ you can express your vision and your views and you have the means to do so (so) others can follow you. Jaci Newsom Jaci Newsom came to Lincoln in 1965 from Atlanta. She came to Lincoln to major in sociology and being in Jefferson City was largely different from what she had grown up with. “To be able to come into a restaurant, sit down and be served a nice meal was eye-opening to me,” said Newsom during a recent interview. She eventually became accustomed to the relaxed attitude of Missouri and was shocked by the situation she encountered on an out-of-town trip. “I took a bus trip from Atlanta to Pensacola and I encountered the worse racism that I have ever seen. I was at bus stop, I went in to be served and they would not serve me. There was a policeman sitting there at the table and he told me that privately owned places could select not to serve you.” Newsom describes her experience of marching in Montgomery as being one with a purpose. “We felt as though we achieved something - we felt a sense of unity,” Newsom said. “We were very excited (because) we were going to hear from Martin Luther King. To actually be in the presence of him and the other civil rights workers there was just such enthusiasm and excitement yet there was also some apprehension of what we might encounter.” Many of the marchers showed their inspiration and determination while pressing forward towards the grounds of the Alabama Capitol building. Newsom recalled that the marchers were singing the lyrics “ain’t gonna let nobody turn me around” and “we shall overcome.” “ I started seeing people just like me,” Newsom said. “I don’t recall any of the scowling, the hitting, the things I would see on TV later. I just saw a sea of humanity marching towards the Capitol. I don’t remember what Martin Luther King said but it was always the same message: keep the faith; we’re going to get where we’re going and let us remember what our purpose is.” Newsom offers advice on what individuals can do to make their society a more productive and peaceful place. “We have come a long way and we have ways to change things that we did not have before,” Newsom said. “You need to work in positive ways to change.” Referencing the recent unrest in Ferguson, Mo., she believes that people become destructive as a way to show and vent anger. Her generation, she says, was raised to react in lawful ways – and believe in hope. “We have faith to do things in a way that was lawful and it makes me sad what people do when they feel without hope, and there is hope,” Newsom says. “Non-violence does work - we need to include everyone to make this world a better place.” Newsom graduated from Lincoln in 1969 and describes her experience at Lincoln as, “I grew up and did more growing at Lincoln than I think I did for the rest of my life.”

New Members and Foreign Associates Elected to the National Academy of Sciences on May 1, 2001: 72 New Members Chosen by the Academy

The Academy has elected 72 new members and 15 foreign associates from 10 countries in recognition of their distinguished and continuing achievements in original research. The election was held during the business session of the 138th annual meeting of the Academy. Election to membership in the Academy is considered one of the highest honors that can be accorded a U.S. scientist or engineer. Foreign associates are non-voting members of the Academy, with citizenship outside of the United States.

New Members and Foreign Associates Elected to the National Academy of Sciences on May 2, 2000: 60 New Members Chosen by the Academy

The Academy has elected 60 new members and 15 foreign associates from 9 countries in recognition of their distinguished and continuing achievements in original research. The election was held during the business session of the 137th annual meeting of the Academy. Election to membership in the Academy is considered one of the highest honors that can be accorded a U.S. scientist or engineer. Foreign associates are non-voting members of the Academy, with citizenship outside of the United States.

Military and government applications of human-machine communication by voice.

This paper describes a range of opportunities for military and government applications of human-machine communication by voice, based on visits and contacts with numerous user organizations in the United States. The applications include some that appear to be feasible by careful integration of current state-of-the-art technology and others that will require a varying mix of advances in speech technology and in integration of the technology into applications environments. Applications that are described include (1) speech recognition and synthesis for mobile command and control; (2) speech processing for a portable multifunction soldier's computer; (3) speech- and language-based technology for naval combat team tactical training; (4) speech technology for command and control on a carrier flight deck; (5) control of auxiliary systems, and alert and warning generation, in fighter aircraft and helicopters; and (6) voice check-in, report entry, and communication for law enforcement agents or special forces. A phased approach for transfer of the technology into applications is advocated, where integration of applications systems is pursued in parallel with advanced research to meet future needs.