Distributed Estimation of Distribution Algorithms for continuous optimization: how does the exchanged information influence their behavior?

One of the most promising areas in which probabilistic graphical models have shown an incipient activity is the field of heuristic optimization and, in particular, in Estimation of Distribution Algorithms. Due to their inherent parallelism, different research lines have been studied trying to improve Estimation of Distribution Algorithms from the point of view of execution time and/or accuracy. Among these proposals, we focus on the so-called distributed or island-based models. This approach defines several islands (algorithms instances) running independently and exchanging information with a given frequency. The information sent by the islands can be either a set of individuals or a probabilistic model. This paper presents a comparative study for a distributed univariate Estimation of Distribution Algorithm and a multivariate version, paying special attention to the comparison of two alternative methods for exchanging information, over a wide set of parameters and problems ? the standard benchmark developed for the IEEE Workshop on Evolutionary Algorithms and other Metaheuristics for Continuous Optimization Problems of the ISDA 2009 Conference. Several analyses from different points of view have been conducted to analyze both the influence of the parameters and the relationships between them including a characterization of the configurations according to their behavior on the proposed benchmark.

High-quality region-based foreground segmentation using a spatial grid of SVM classifiers

This paper presents a novel background modeling system that uses a spatial grid of Support Vector Machines classifiers for segmenting moving objects, which is a key step in many video-based consumer applications. The system is able to adapt to a large range of dynamic background situations since no parametric model or statistical distribution are assumed. This is achieved by using a different classifier per image region that learns the specific appearance of that scene region and its variations (illumination changes, dynamic backgrounds, etc.). The proposed system has been tested with a recent public database, outperforming other state-of-the-art algorithms.

Evolutionary computation of forests with Degree- and Role-Constrained Minimum Spanning Trees

Finding the degree-constrained minimum spanning tree (DCMST) of a graph is a widely studied NP-hard problem. One of its most important applications is network design. Here we deal with a new variant of the DCMST problem, which consists of finding not only the degree- but also the role-constrained minimum spanning tree (DRCMST), i.e., we add constraints to restrict the role of the nodes in the tree to root, intermediate or leaf node. Furthermore, we do not limit the number of root nodes to one, thereby, generally, building a forest of DRCMSTs. The modeling of network design problems can benefit from the possibility of generating more than one tree and determining the role of the nodes in the network. We propose a novel permutation-based representation to encode these forests. In this new representation, one permutation simultaneously encodes all the trees to be built. We simulate a wide variety of DRCMST problems which we optimize using eight different evolutionary computation algorithms encoding individuals of the population using the proposed representation. The algorithms we use are: estimation of distribution algorithm, generational genetic algorithm, steady-state genetic algorithm, covariance matrix adaptation evolution strategy, differential evolution, elitist evolution strategy, non-elitist evolution strategy and particle swarm optimization. The best results are for the estimation of distribution algorithms and both types of genetic algorithms, although the genetic algorithms are significantly faster.

Insertion of impairments in test video sequences for quality assessment based on psychovisual characteristics

Assessing video quality is a complex task. While most pixel-based metrics do not present enough correlation between objective and subjective results, algorithms need to correspond to human perception when analyzing quality in a video sequence. For analyzing the perceived quality derived from concrete video artifacts in determined region of interest we present a novel methodology for generating test sequences which allow the analysis of impact of each individual distortion. Through results obtained after subjective assessment it is possible to create psychovisual models based on weighting pixels belonging to different regions of interest distributed by color, position, motion or content. Interesting results are obtained in subjective assessment which demonstrates the necessity of new metrics adapted to human visual system.

Statistical Multi-Objective Structural Damage Identification based on Dynamic Parameters

Evolutionary algorithms are suitable to solve damage identification problems in a multi-objective context. However, the performance of these methods can deteriorate quickly with increasing noise intensities originating numerous uncertainties. In this paper, a statistic structural damage detection method formulated in a multi-objective context is proposed. The statistic analysis is implemented to take into account the uncertainties existing in the structural model and measured structural modal parameters. The presented method is verified by a number of simulated damage scenarios. The effects of noise and damage levels on damage detection are investigated.

Computación evolutiva de bosques de expansión mínimos con restricción de grado y de rol

Encontrar el árbol de expansión mínimo con restricción de grado de un grafo (DCMST por sus siglas en inglés) es un problema NP-complejo ampliamente estudiado. Una de sus aplicaciones más importantes es el dise~no de redes. Aquí nosotros tratamos una nueva variante del problema DCMST, que consiste en encontrar el árbol de expansión mínimo no solo con restricciones de grado, sino también con restricciones de rol (DRCMST), es decir, a~nadimos restricciones para restringir el rol que los nodos tienen en el árbol. Estos roles pueden ser nodo raíz, nodo intermedio o nodo hoja. Por otra parte, no limitamos el número de nodos raíz a uno, por lo que, en general, construiremos bosques de DRCMSTs. El modelado en los problemas de dise~no de redes puede beneficiarse de la posibilidad de generar más de un árbol y determinar el rol de los nodos en la red. Proponemos una nueva representación basada en permutaciones para codificar los bosques de DRCMSTs. En esta nueva representación, una permutación codifica simultáneamente todos los árboles que se construirán. Nosotros simulamos una amplia variedad de problemas DRCMST que optimizamos utilizando ocho algoritmos de computación evolutiva diferentes que codifican los individuos de la población utilizando la representación propuesta. Los algoritmos que utilizamos son: algoritmo de estimación de distribuciones (EDA), algoritmo genético generacional (gGA), algoritmo genético de estado estacionario (ssGA), estrategia evolutiva basada en la matriz de covarianzas (CMAES), evolución diferencial (DE), estrategia evolutiva elitista (ElitistES), estrategia evolutiva no elitista (NonElitistES) y optimización por enjambre de partículas (PSO). Los mejores resultados fueron para el algoritmo de estimación de distribuciones utilizado y ambos tipos de algoritmos genéticos, aunque los algoritmos genéticos fueron significativamente más rápidos.---ABSTRACT---Finding the degree-constrained minimum spanning tree (DCMST) of a graph is a widely studied NP-hard problem. One of its most important applications is network design. Here we deal with a new variant of the DCMST problem, which consists of finding not only the degree- but also the role-constrained minimum spanning tree (DRCMST), i.e., we add constraints to restrict the role of the nodes in the tree to root, intermediate or leaf node. Furthermore, we do not limit the number of root nodes to one, thereby, generally, building a forest of DRCMSTs. The modeling of network design problems can benefit from the possibility of generating more than one tree and determining the role of the nodes in the network. We propose a novel permutation-based representation to encode the forest of DRCMSTs. In this new representation, one permutation simultaneously encodes all the trees to be built. We simulate a wide variety of DRCMST problems which we optimize using eight diferent evolutionary computation algorithms encoding individuals of the population using the proposed representation. The algorithms we use are: estimation of distribution algorithm (EDA), generational genetic algorithm (gGA), steady-state genetic algorithm (ssGA), covariance matrix adaptation evolution strategy (CMAES), diferential evolution (DE), elitist evolution strategy (ElististES), non-elitist evolution strategy (NonElististES) and particle swarm optimization (PSO). The best results are for the estimation of distribution algorithm and both types of genetic algorithms, although the genetic algorithms are significantly faster. iv

A linearization-based system reliability method with application to geotechnical analysis

Los análisis de fiabilidad representan una herramienta adecuada para contemplar las incertidumbres inherentes que existen en los parámetros geotécnicos. En esta Tesis Doctoral se desarrolla una metodología basada en una linealización sencilla, que emplea aproximaciones de primer o segundo orden, para evaluar eficientemente la fiabilidad del sistema en los problemas geotécnicos. En primer lugar, se emplean diferentes métodos para analizar la fiabilidad de dos aspectos propios del diseño de los túneles: la estabilidad del frente y el comportamiento del sostenimiento. Se aplican varias metodologías de fiabilidad — el Método de Fiabilidad de Primer Orden (FORM), el Método de Fiabilidad de Segundo Orden (SORM) y el Muestreo por Importancia (IS). Los resultados muestran que los tipos de distribución y las estructuras de correlación consideradas para todas las variables aleatorias tienen una influencia significativa en los resultados de fiabilidad, lo cual remarca la importancia de una adecuada caracterización de las incertidumbres geotécnicas en las aplicaciones prácticas. Los resultados también muestran que tanto el FORM como el SORM pueden emplearse para estimar la fiabilidad del sostenimiento de un túnel y que el SORM puede mejorar el FORM con un esfuerzo computacional adicional aceptable. Posteriormente, se desarrolla una metodología de linealización para evaluar la fiabilidad del sistema en los problemas geotécnicos. Esta metodología solamente necesita la información proporcionada por el FORM: el vector de índices de fiabilidad de las funciones de estado límite (LSFs) que componen el sistema y su matriz de correlación. Se analizan dos problemas geotécnicos comunes —la estabilidad de un talud en un suelo estratificado y un túnel circular excavado en roca— para demostrar la sencillez, precisión y eficiencia del procedimiento propuesto. Asimismo, se reflejan las ventajas de la metodología de linealización con respecto a las herramientas computacionales alternativas. Igualmente se muestra que, en el caso de que resulte necesario, se puede emplear el SORM —que aproxima la verdadera LSF mejor que el FORM— para calcular estimaciones más precisas de la fiabilidad del sistema. Finalmente, se presenta una nueva metodología que emplea Algoritmos Genéticos para identificar, de manera precisa, las superficies de deslizamiento representativas (RSSs) de taludes en suelos estratificados, las cuales se emplean posteriormente para estimar la fiabilidad del sistema, empleando la metodología de linealización propuesta. Se adoptan tres taludes en suelos estratificados característicos para demostrar la eficiencia, precisión y robustez del procedimiento propuesto y se discuten las ventajas del mismo con respecto a otros métodos alternativos. Los resultados muestran que la metodología propuesta da estimaciones de fiabilidad que mejoran los resultados previamente publicados, enfatizando la importancia de hallar buenas RSSs —y, especialmente, adecuadas (desde un punto de vista probabilístico) superficies de deslizamiento críticas que podrían ser no-circulares— para obtener estimaciones acertadas de la fiabilidad de taludes en suelos. Reliability analyses provide an adequate tool to consider the inherent uncertainties that exist in geotechnical parameters. This dissertation develops a simple linearization-based approach, that uses first or second order approximations, to efficiently evaluate the system reliability of geotechnical problems. First, reliability methods are employed to analyze the reliability of two tunnel design aspects: face stability and performance of support systems. Several reliability approaches —the first order reliability method (FORM), the second order reliability method (SORM), the response surface method (RSM) and importance sampling (IS)— are employed, with results showing that the assumed distribution types and correlation structures for all random variables have a significant effect on the reliability results. This emphasizes the importance of an adequate characterization of geotechnical uncertainties for practical applications. Results also show that both FORM and SORM can be used to estimate the reliability of tunnel-support systems; and that SORM can outperform FORM with an acceptable additional computational effort. A linearization approach is then developed to evaluate the system reliability of series geotechnical problems. The approach only needs information provided by FORM: the vector of reliability indices of the limit state functions (LSFs) composing the system, and their correlation matrix. Two common geotechnical problems —the stability of a slope in layered soil and a circular tunnel in rock— are employed to demonstrate the simplicity, accuracy and efficiency of the suggested procedure. Advantages of the linearization approach with respect to alternative computational tools are discussed. It is also found that, if necessary, SORM —that approximates the true LSF better than FORM— can be employed to compute better estimations of the system’s reliability. Finally, a new approach using Genetic Algorithms (GAs) is presented to identify the fully specified representative slip surfaces (RSSs) of layered soil slopes, and such RSSs are then employed to estimate the system reliability of slopes, using our proposed linearization approach. Three typical benchmark-slopes with layered soils are adopted to demonstrate the efficiency, accuracy and robustness of the suggested procedure, and advantages of the proposed method with respect to alternative methods are discussed. Results show that the proposed approach provides reliability estimates that improve previously published results, emphasizing the importance of finding good RSSs —and, especially, good (probabilistic) critical slip surfaces that might be non-circular— to obtain good estimations of the reliability of soil slope systems.

Integration of embedded data processing algorithms inside PAMELA devices

PAMELA (Phased Array Monitoring for Enhanced Life Assessment) SHMTM System is an integrated embedded ultrasonic guided waves based system consisting of several electronic devices and one system manager controller. The data collected by all PAMELA devices in the system must be transmitted to the controller, who will be responsible for carrying out the advanced signal processing to obtain SHM maps. PAMELA devices consist of hardware based on a Virtex 5 FPGA with a PowerPC 440 running an embedded Linux distribution. Therefore, PAMELA devices, in addition to the capability of performing tests and transmitting the collected data to the controller, have the capability of perform local data processing or pre-processing (reduction, normalization, pattern recognition, feature extraction, etc.). Local data processing decreases the data traffic over the network and allows CPU load of the external computer to be reduced. Even it is possible that PAMELA devices are running autonomously performing scheduled tests, and only communicates with the controller in case of detection of structural damages or when programmed. Each PAMELA device integrates a software management application (SMA) that allows to the developer downloading his own algorithm code and adding the new data processing algorithm to the device. The development of the SMA is done in a virtual machine with an Ubuntu Linux distribution including all necessary software tools to perform the entire cycle of development. Eclipse IDE (Integrated Development Environment) is used to develop the SMA project and to write the code of each data processing algorithm. This paper presents the developed software architecture and describes the necessary steps to add new data processing algorithms to SMA in order to increase the processing capabilities of PAMELA devices.An example of basic damage index estimation using delay and sum algorithm is provided.

A Ground-Truth Video Dataset for the Development and Evaluation of Vision-based Sense-and-Avoid systems

The importance of vision-based systems for Sense-and-Avoid is increasing nowadays as remotely piloted and autonomous UAVs become part of the non-segregated airspace. The development and evaluation of these systems demand flight scenario images which are expensive and risky to obtain. Currently Augmented Reality techniques allow the compositing of real flight scenario images with 3D aircraft models to produce useful realistic images for system development and benchmarking purposes at a much lower cost and risk. With the techniques presented in this paper, 3D aircraft models are positioned firstly in a simulated 3D scene with controlled illumination and rendering parameters. Realistic simulated images are then obtained using an image processing algorithm which fuses the images obtained from the 3D scene with images from real UAV flights taking into account on board camera vibrations. Since the intruder and camera poses are user-defined, ground truth data is available. These ground truth annotations allow to develop and quantitatively evaluate aircraft detection and tracking algorithms. This paper presents the software developed to create a public dataset of 24 videos together with their annotations and some tracking application results.

New definitions of margin for multi-class Boosting algorithms

La familia de algoritmos de Boosting son un tipo de técnicas de clasificación y regresión que han demostrado ser muy eficaces en problemas de Visión Computacional. Tal es el caso de los problemas de detección, de seguimiento o bien de reconocimiento de caras, personas, objetos deformables y acciones. El primer y más popular algoritmo de Boosting, AdaBoost, fue concebido para problemas binarios. Desde entonces, muchas han sido las propuestas que han aparecido con objeto de trasladarlo a otros dominios más generales: multiclase, multilabel, con costes, etc. Nuestro interés se centra en extender AdaBoost al terreno de la clasificación multiclase, considerándolo como un primer paso para posteriores ampliaciones. En la presente tesis proponemos dos algoritmos de Boosting para problemas multiclase basados en nuevas derivaciones del concepto margen. El primero de ellos, PIBoost, está concebido para abordar el problema descomponiéndolo en subproblemas binarios. Por un lado, usamos una codificación vectorial para representar etiquetas y, por otro, utilizamos la función de pérdida exponencial multiclase para evaluar las respuestas. Esta codificación produce un conjunto de valores margen que conllevan un rango de penalizaciones en caso de fallo y recompensas en caso de acierto. La optimización iterativa del modelo genera un proceso de Boosting asimétrico cuyos costes dependen del número de etiquetas separadas por cada clasificador débil. De este modo nuestro algoritmo de Boosting tiene en cuenta el desbalanceo debido a las clases a la hora de construir el clasificador. El resultado es un método bien fundamentado que extiende de manera canónica al AdaBoost original. El segundo algoritmo propuesto, BAdaCost, está concebido para problemas multiclase dotados de una matriz de costes. Motivados por los escasos trabajos dedicados a generalizar AdaBoost al terreno multiclase con costes, hemos propuesto un nuevo concepto de margen que, a su vez, permite derivar una función de pérdida adecuada para evaluar costes. Consideramos nuestro algoritmo como la extensión más canónica de AdaBoost para este tipo de problemas, ya que generaliza a los algoritmos SAMME, Cost-Sensitive AdaBoost y PIBoost. Por otro lado, sugerimos un simple procedimiento para calcular matrices de coste adecuadas para mejorar el rendimiento de Boosting a la hora de abordar problemas estándar y problemas con datos desbalanceados. Una serie de experimentos nos sirven para demostrar la efectividad de ambos métodos frente a otros conocidos algoritmos de Boosting multiclase en sus respectivas áreas. En dichos experimentos se usan bases de datos de referencia en el área de Machine Learning, en primer lugar para minimizar errores y en segundo lugar para minimizar costes. Además, hemos podido aplicar BAdaCost con éxito a un proceso de segmentación, un caso particular de problema con datos desbalanceados. Concluimos justificando el horizonte de futuro que encierra el marco de trabajo que presentamos, tanto por su aplicabilidad como por su flexibilidad teórica. Abstract The family of Boosting algorithms represents a type of classification and regression approach that has shown to be very effective in Computer Vision problems. Such is the case of detection, tracking and recognition of faces, people, deformable objects and actions. The first and most popular algorithm, AdaBoost, was introduced in the context of binary classification. Since then, many works have been proposed to extend it to the more general multi-class, multi-label, costsensitive, etc... domains. Our interest is centered in extending AdaBoost to two problems in the multi-class field, considering it a first step for upcoming generalizations. In this dissertation we propose two Boosting algorithms for multi-class classification based on new generalizations of the concept of margin. The first of them, PIBoost, is conceived to tackle the multi-class problem by solving many binary sub-problems. We use a vectorial codification to represent class labels and a multi-class exponential loss function to evaluate classifier responses. This representation produces a set of margin values that provide a range of penalties for failures and rewards for successes. The stagewise optimization of this model introduces an asymmetric Boosting procedure whose costs depend on the number of classes separated by each weak-learner. In this way the Boosting procedure takes into account class imbalances when building the ensemble. The resulting algorithm is a well grounded method that canonically extends the original AdaBoost. The second algorithm proposed, BAdaCost, is conceived for multi-class problems endowed with a cost matrix. Motivated by the few cost-sensitive extensions of AdaBoost to the multi-class field, we propose a new margin that, in turn, yields a new loss function appropriate for evaluating costs. Since BAdaCost generalizes SAMME, Cost-Sensitive AdaBoost and PIBoost algorithms, we consider our algorithm as a canonical extension of AdaBoost to this kind of problems. We additionally suggest a simple procedure to compute cost matrices that improve the performance of Boosting in standard and unbalanced problems. A set of experiments is carried out to demonstrate the effectiveness of both methods against other relevant Boosting algorithms in their respective areas. In the experiments we resort to benchmark data sets used in the Machine Learning community, firstly for minimizing classification errors and secondly for minimizing costs. In addition, we successfully applied BAdaCost to a segmentation task, a particular problem in presence of imbalanced data. We conclude the thesis justifying the horizon of future improvements encompassed in our framework, due to its applicability and theoretical flexibility.

Development and improvement of protection-system algorithms for ground-fault detection and location in synchronous machines

Uno de los defectos más frecuentes en los generadores síncronos son los defectos a tierra tanto en el devanado estatórico, como de excitación. Se produce un defecto cuando el aislamiento eléctrico entre las partes activas de cualquiera de estos devanados y tierra se reduce considerablemente o desaparece. La detección de los defectos a tierra en ambos devanados es un tema ampliamente estudiado a nivel industrial. Tras la detección y confirmación de la existencia del defecto, dicha falta debe ser localizada a lo largo del devanado para su reparación, para lo que habitualmente el rotor debe ser extraído del estator. Esta operación resulta especialmente compleja y cara. Además, el hecho de limitar la corriente de defecto en ambos devanados provoca que el defecto no sea localizable visualmente, pues apenas existe daño en el generador. Por ello, se deben aplicar técnicas muy laboriosas para localizar exactamente el defecto y poder así reparar el devanado. De cara a reducir el tiempo de reparación, y con ello el tiempo en que el generador esta fuera de servicio, cualquier información por parte del relé de protección acerca de la localización del defecto resultaría de gran utilidad. El principal objetivo de esta tesis doctoral ha sido el desarrollo de nuevos algoritmos que permitan la estimación de la localización de los defectos a tierra tanto en el devanado rotórico como estatórico de máquinas síncronas. Respecto al devanado de excitación, se ha presentado un nuevo método de localización de defectos a tierra para generadores con excitación estática. Este método permite incluso distinguir si el defecto se ha producido en el devanado de excitación, o en cualquiera de los componentes del sistema de excitación, esto es, transformador de excitación, conductores de alimentación del rectificador controlado, etc. En caso de defecto a tierra en del devanado rotórico, este método proporciona una estimación de su localización. Sin embargo, para poder obtener la localización del defecto, se precisa conocer el valor de resistencia de defecto. Por ello, en este trabajo se presenta además un nuevo método para la estimación de este parámetro de forma precisa. Finalmente, se presenta un nuevo método de detección de defectos a tierra, basado en el criterio direccional, que complementa el método de localización, permitiendo tener en cuenta la influencia de las capacidades a tierra del sistema. Estas capacidades resultan determinantes a la hora de localizar el defecto de forma adecuada. En relación con el devanado estatórico, en esta tesis doctoral se presenta un nuevo algoritmo de localización de defectos a tierra para generadores que dispongan de la protección de faltas a tierra basada en la inyección de baja frecuencia. Se ha propuesto un método general, que tiene en cuenta todos los parámetros del sistema, así como una versión simplificada del método para generadores con capacidades a tierra muy reducida, que podría resultar de fácil implementación en relés de protección comercial. Los algoritmos y métodos presentados se han validado mediante ensayos experimentales en un generador de laboratorio de 5 kVA, así como en un generador comercial de 106 MVA con resultados satisfactorios y prometedores. ABSTRACT One of the most common faults in synchronous generators is the ground fault in both the stator winding and the excitation winding. In case of fault, the insulation level between the active part of any of these windings and ground lowers considerably, or even disappears. The detection of ground faults in both windings is a very researched topic. The fault current is typically limited intentionally to a reduced level. This allows to detect easily the ground faults, and therefore to avoid damage in the generator. After the detection and confirmation of the existence of a ground fault, it should be located along the winding in order to repair of the machine. Then, the rotor has to be extracted, which is a very complex and expensive operation. Moreover, the fact of limiting the fault current makes that the insulation failure is not visually detectable, because there is no visible damage in the generator. Therefore, some laborious techniques have to apply to locate accurately the fault. In order to reduce the repair time, and therefore the time that the generator is out of service, any information about the approximate location of the fault would be very useful. The main objective of this doctoral thesis has been the development of new algorithms and methods to estimate the location of ground faults in the stator and in the rotor winding of synchronous generators. Regarding the excitation winding, a new location method of ground faults in excitation winding of synchronous machines with static excitation has been presented. This method allows even to detect if the fault is at the excitation winding, or in any other component of the excitation system: controlled rectifier, excitation transformer, etc. In case of ground fault in the rotor winding, this method provides an estimation of the fault location. However, in order to calculate the location, the value of fault resistance is necessary. Therefore, a new fault-resistance estimation algorithm is presented in this text. Finally, a new fault detection algorithm based on directional criterion is described to complement the fault location method. This algorithm takes into account the influence of the capacitance-to-ground of the system, which has a remarkable impact in the accuracy of the fault location. Regarding the stator winding, a new fault-location algorithm has been presented for stator winding of synchronous generators. This algorithm is applicable to generators with ground-fault protection based in low-frequency injection. A general algorithm, which takes every parameter of the system into account, has been presented. Moreover, a simplified version of the algorithm has been proposed for generators with especially low value of capacitance to ground. This simplified algorithm might be easily implementable in protective relays. The proposed methods and algorithms have been tested in a 5 kVA laboratory generator, as well as in a 106 MVA synchronous generator with satisfactory and promising results.

NURBS-Based Geometry Parameterization for Aerodynamic Shape Optimization

La motivación de esta tesis es el desarrollo de una herramienta de optimización automática para la mejora del rendimiento de formas aerodinámicas enfocado en la industria aeronáutica. Este trabajo cubre varios aspectos esenciales, desde el empleo de Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS), al cálculo de gradientes utilizando la metodología del adjunto continuo, el uso de b-splines volumétricas como parámetros de diseño, el tratamiento de la malla en las intersecciones, y no menos importante, la adaptación de los algoritmos de la dinámica de fluidos computacional (CFD) en arquitecturas hardware de alto paralelismo, como las tarjetas gráficas, para acelerar el proceso de optimización. La metodología adjunta ha posibilitado que los métodos de optimización basados en gradientes sean una alternativa prometedora para la mejora de la eficiencia aerodinámica de los aviones. La formulación del adjunto permite calcular los gradientes de una función de coste, como la resistencia aerodinámica o la sustentación, independientemente del número de variables de diseño, a un coste computacional equivalente a una simulación CFD. Sin embargo, existen problemas prácticos que han imposibilitado su aplicación en la industria, que se pueden resumir en: integrabilidad, rendimiento computacional y robustez de la solución adjunta. Este trabajo aborda estas contrariedades y las analiza en casos prácticos. Como resumen, las contribuciones de esta tesis son: • El uso de NURBS como variables de diseño en un bucle de automático de optimización, aplicado a la mejora del rendimiento aerodinámico de alas en régimen transónico. • El desarrollo de algoritmos de inversión de punto, para calcular las coordenadas paramétricas de las coordenadas espaciales, para ligar los vértices de malla a las NURBS. • El uso y validación de la formulación adjunta para el calculo de los gradientes, a partir de las sensibilidades de la solución adjunta, comparado con diferencias finitas. • Se ofrece una estrategia para utilizar la geometría CAD, en forma de parches NURBS, para tratar las intersecciones, como el ala-fuselaje. • No existen muchas alternativas de librerías NURBS viables. En este trabajo se ha desarrollado una librería, DOMINO NURBS, y se ofrece a la comunidad como código libre y abierto. • También se ha implementado un código CFD en tarjeta gráfica, para realizar una valoración de cómo se puede adaptar un código sobre malla no estructurada a arquitecturas paralelas. • Finalmente, se propone una metodología, basada en la función de Green, como una forma eficiente de paralelizar simulaciones numéricas. Esta tesis ha sido apoyada por las actividades realizadas por el Área de Dinámica da Fluidos del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), a través de numerosos proyectos de financiación nacional: DOMINO, SIMUMAT, y CORESFMULAERO. También ha estado en consonancia con las actividades realizadas por el departamento de Métodos y Herramientas de Airbus España y con el grupo Investigación y Tecnología Aeronáutica Europeo (GARTEUR), AG/52. ABSTRACT The motivation of this work is the development of an automatic optimization strategy for large scale shape optimization problems that arise in the aeronautics industry to improve the aerodynamic performance; covering several aspects from the use of Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS), the calculation of the gradients with the continuous adjoint formulation, the development of volumetric b-splines parameterization, mesh adaptation and intersection handling, to the adaptation of Computational Fluid Dynamics (CFD) algorithms to take advantage of highly parallel architectures in order to speed up the optimization process. With the development of the adjoint formulation, gradient-based methods for aerodynamic optimization become a promising approach to improve the aerodynamic performance of aircraft designs. The adjoint methodology allows the evaluation the gradients to all design variables of a cost function, such as drag or lift, at the equivalent cost of more or less one CFD simulation. However, some practical problems have been delaying its full implementation to the industry, which can be summarized as: integrability, computer performance, and adjoint robustness. This work tackles some of these issues and analyse them in well-known test cases. As summary, the contributions comprises: • The employment of NURBS as design variables in an automatic optimization loop for the improvement of the aerodynamic performance of aircraft wings in transonic regimen. • The development of point inversion algorithms to calculate the NURBS parametric coordinates from the space coordinates, to link with the computational grid vertex. • The use and validation of the adjoint formulation to calculate the gradients from the surface sensitivities in an automatic optimization loop and evaluate its reliability, compared with finite differences. • This work proposes some algorithms that take advantage of the underlying CAD geometry description, in the form of NURBS patches, to handle intersections and mesh adaptations. • There are not many usable libraries for NURBS available. In this work an open source library DOMINO NURBS has been developed and is offered to the community as free, open source code. • The implementation of a transonic CFD solver from scratch in a graphic card, for an assessment of the implementability of conventional CFD solvers for unstructured grids to highly parallel architectures. • Finally, this research proposes the use of the Green's function as an efficient paralellization scheme of numerical solvers. The presented work has been supported by the activities carried out at the Fluid Dynamics branch of the National Institute for Aerospace Technology (INTA) through national founding research projects: DOMINO, SIMUMAT, and CORESIMULAERO; in line with the activities carried out by the Methods and Tools and Flight Physics department at Airbus and the Group for Aeronautical Research and Technology in Europe (GARTEUR) action group AG/52.

Vision-Based Tracking, Odometry and Control for UAV Autonomy

El principal objetivo de este trabajo es proporcionar una solución en tiempo real basada en visión estéreo o monocular precisa y robusta para que un vehículo aéreo no tripulado (UAV) sea autónomo en varios tipos de aplicaciones UAV, especialmente en entornos abarrotados sin señal GPS. Este trabajo principalmente consiste en tres temas de investigación de UAV basados en técnicas de visión por computador: (I) visual tracking, proporciona soluciones efectivas para localizar visualmente objetos de interés estáticos o en movimiento durante el tiempo que dura el vuelo del UAV mediante una aproximación adaptativa online y una estrategia de múltiple resolución, de este modo superamos los problemas generados por las diferentes situaciones desafiantes, tales como cambios significativos de aspecto, iluminación del entorno variante, fondo del tracking embarullado, oclusión parcial o total de objetos, variaciones rápidas de posición y vibraciones mecánicas a bordo. La solución ha sido utilizada en aterrizajes autónomos, inspección de plataformas mar adentro o tracking de aviones en pleno vuelo para su detección y evasión; (II) odometría visual: proporciona una solución eficiente al UAV para estimar la posición con 6 grados de libertad (6D) usando únicamente la entrada de una cámara estéreo a bordo del UAV. Un método Semi-Global Blocking Matching (SGBM) eficiente basado en una estrategia grueso-a-fino ha sido implementada para una rápida y profunda estimación del plano. Además, la solución toma provecho eficazmente de la información 2D y 3D para estimar la posición 6D, resolviendo de esta manera la limitación de un punto de referencia fijo en la cámara estéreo. Una robusta aproximación volumétrica de mapping basada en el framework Octomap ha sido utilizada para reconstruir entornos cerrados y al aire libre bastante abarrotados en 3D con memoria y errores correlacionados espacialmente o temporalmente; (III) visual control, ofrece soluciones de control prácticas para la navegación de un UAV usando Fuzzy Logic Controller (FLC) con la estimación visual. Y el framework de Cross-Entropy Optimization (CEO) ha sido usado para optimizar el factor de escala y la función de pertenencia en FLC. Todas las soluciones basadas en visión en este trabajo han sido probadas en test reales. Y los conjuntos de datos de imágenes reales grabados en estos test o disponibles para la comunidad pública han sido utilizados para evaluar el rendimiento de estas soluciones basadas en visión con ground truth. Además, las soluciones de visión presentadas han sido comparadas con algoritmos de visión del estado del arte. Los test reales y los resultados de evaluación muestran que las soluciones basadas en visión proporcionadas han obtenido rendimientos en tiempo real precisos y robustos, o han alcanzado un mejor rendimiento que aquellos algoritmos del estado del arte. La estimación basada en visión ha ganado un rol muy importante en controlar un UAV típico para alcanzar autonomía en aplicaciones UAV. ABSTRACT The main objective of this dissertation is providing real-time accurate robust monocular or stereo vision-based solution for Unmanned Aerial Vehicle (UAV) to achieve the autonomy in various types of UAV applications, especially in GPS-denied dynamic cluttered environments. This dissertation mainly consists of three UAV research topics based on computer vision technique: (I) visual tracking, it supplys effective solutions to visually locate interesting static or moving object over time during UAV flight with on-line adaptivity approach and multiple-resolution strategy, thereby overcoming the problems generated by the different challenging situations, such as significant appearance change, variant surrounding illumination, cluttered tracking background, partial or full object occlusion, rapid pose variation and onboard mechanical vibration. The solutions have been utilized in autonomous landing, offshore floating platform inspection and midair aircraft tracking for sense-and-avoid; (II) visual odometry: it provides the efficient solution for UAV to estimate the 6 Degree-of-freedom (6D) pose using only the input of stereo camera onboard UAV. An efficient Semi-Global Blocking Matching (SGBM) method based on a coarse-to-fine strategy has been implemented for fast depth map estimation. In addition, the solution effectively takes advantage of both 2D and 3D information to estimate the 6D pose, thereby solving the limitation of a fixed small baseline in the stereo camera. A robust volumetric occupancy mapping approach based on the Octomap framework has been utilized to reconstruct indoor and outdoor large-scale cluttered environments in 3D with less temporally or spatially correlated measurement errors and memory; (III) visual control, it offers practical control solutions to navigate UAV using Fuzzy Logic Controller (FLC) with the visual estimation. And the Cross-Entropy Optimization (CEO) framework has been used to optimize the scaling factor and the membership function in FLC. All the vision-based solutions in this dissertation have been tested in real tests. And the real image datasets recorded from these tests or available from public community have been utilized to evaluate the performance of these vision-based solutions with ground truth. Additionally, the presented vision solutions have compared with the state-of-art visual algorithms. Real tests and evaluation results show that the provided vision-based solutions have obtained real-time accurate robust performances, or gained better performance than those state-of-art visual algorithms. The vision-based estimation has played a critically important role for controlling a typical UAV to achieve autonomy in the UAV application.

Mining Abstractions in Scientific Workows

Los flujos de trabajo científicos han sido adoptados durante la última década para representar los métodos computacionales utilizados en experimentos in silico, así como para dar soporte a sus publicaciones asociadas. Dichos flujos de trabajo han demostrado ser útiles para compartir y reproducir experimentos científicos, permitiendo a investigadores visualizar, depurar y ahorrar tiempo a la hora de re-ejecutar un trabajo realizado con anterioridad. Sin embargo, los flujos de trabajo científicos pueden ser en ocasiones difíciles de entender y reutilizar. Esto es debido a impedimentos como el gran número de flujos de trabajo existentes en repositorios, su heterogeneidad o la falta generalizada de documentación y ejemplos de uso. Además, dado que normalmente es posible implementar un mismo método utilizando algoritmos o técnicas distintas, flujos de trabajo aparentemente distintos pueden estar relacionados a un determinado nivel de abstracción, basándose, por ejemplo, en su funcionalidad común. Esta tesis se centra en la reutilización de flujos de trabajo y su abstracción mediante la exploración de relaciones entre los flujos de trabajo de un repositorio y la extracción de abstracciones que podrían ayudar a la hora de reutilizar otros flujos de trabajo existentes. Para ello, se propone un modelo simple de representación de flujos de trabajo y sus ejecuciones, se analizan las abstracciones típicas que se pueden encontrar en los repositorios de flujos de trabajo, se exploran las prácticas habituales de los usuarios a la hora de reutilizar flujos de trabajo existentes y se describe un método para descubrir abstracciones útiles para usuarios, basadas en técnicas existentes de teoría de grafos. Los resultados obtenidos exponen las abstracciones y prácticas comunes de usuarios en términos de reutilización de flujos de trabajo, y muestran cómo las abstracciones que se extraen automáticamente tienen potencial para ser reutilizadas por usuarios que buscan diseñar nuevos flujos de trabajo. Abstract Scientific workflows have been adopted in the last decade to represent the computational methods used in in silico scientific experiments and their associated research products. Scientific workflows have demonstrated to be useful for sharing and reproducing scientific experiments, allowing scientists to visualize, debug and save time when re-executing previous work. However, scientific workflows may be difficult to understand and reuse. The large amount of available workflows in repositories, together with their heterogeneity and lack of documentation and usage examples may become an obstacle for a scientist aiming to reuse the work from other scientists. Furthermore, given that it is often possible to implement a method using different algorithms or techniques, seemingly disparate workflows may be related at a higher level of abstraction, based on their common functionality. In this thesis we address the issue of reusability and abstraction by exploring how workflows relate to one another in a workflow repository, mining abstractions that may be helpful for workflow reuse. In order to do so, we propose a simple model for representing and relating workflows and their executions, we analyze the typical common abstractions that can be found in workflow repositories, we explore the current practices of users regarding workflow reuse and we describe a method for discovering useful abstractions for workflows based on existing graph mining techniques. Our results expose the common abstractions and practices of users in terms of workflow reuse, and show how our proposed abstractions have potential to become useful for users designing new workflows.

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.