Regularization for sparsity in statistical analysis and machine learning

Pragmatism is the leading motivation of regularization. We can understand regularization as a modification of the maximum-likelihood estimator so that a reasonable answer could be given in an unstable or ill-posed situation. To mention some typical examples, this happens when fitting parametric or non-parametric models with more parameters than data or when estimating large covariance matrices. Regularization is usually used, in addition, to improve the bias-variance tradeoff of an estimation. Then, the definition of regularization is quite general, and, although the introduction of a penalty is probably the most popular type, it is just one out of multiple forms of regularization. In this dissertation, we focus on the applications of regularization for obtaining sparse or parsimonious representations, where only a subset of the inputs is used. A particular form of regularization, L1-regularization, plays a key role for reaching sparsity. Most of the contributions presented here revolve around L1-regularization, although other forms of regularization are explored (also pursuing sparsity in some sense). In addition to present a compact review of L1-regularization and its applications in statistical and machine learning, we devise methodology for regression, supervised classification and structure induction of graphical models. Within the regression paradigm, we focus on kernel smoothing learning, proposing techniques for kernel design that are suitable for high dimensional settings and sparse regression functions. We also present an application of regularized regression techniques for modeling the response of biological neurons. Supervised classification advances deal, on the one hand, with the application of regularization for obtaining a na¨ıve Bayes classifier and, on the other hand, with a novel algorithm for brain-computer interface design that uses group regularization in an efficient manner. Finally, we present a heuristic for inducing structures of Gaussian Bayesian networks using L1-regularization as a filter. El pragmatismo es la principal motivación de la regularización. Podemos entender la regularización como una modificación del estimador de máxima verosimilitud, de tal manera que se pueda dar una respuesta cuando la configuración del problema es inestable. A modo de ejemplo, podemos mencionar el ajuste de modelos paramétricos o no paramétricos cuando hay más parámetros que casos en el conjunto de datos, o la estimación de grandes matrices de covarianzas. Se suele recurrir a la regularización, además, para mejorar el compromiso sesgo-varianza en una estimación. Por tanto, la definición de regularización es muy general y, aunque la introducción de una función de penalización es probablemente el método más popular, éste es sólo uno de entre varias posibilidades. En esta tesis se ha trabajado en aplicaciones de regularización para obtener representaciones dispersas, donde sólo se usa un subconjunto de las entradas. En particular, la regularización L1 juega un papel clave en la búsqueda de dicha dispersión. La mayor parte de las contribuciones presentadas en la tesis giran alrededor de la regularización L1, aunque también se exploran otras formas de regularización (que igualmente persiguen un modelo disperso). Además de presentar una revisión de la regularización L1 y sus aplicaciones en estadística y aprendizaje de máquina, se ha desarrollado metodología para regresión, clasificación supervisada y aprendizaje de estructura en modelos gráficos. Dentro de la regresión, se ha trabajado principalmente en métodos de regresión local, proponiendo técnicas de diseño del kernel que sean adecuadas a configuraciones de alta dimensionalidad y funciones de regresión dispersas. También se presenta una aplicación de las técnicas de regresión regularizada para modelar la respuesta de neuronas reales. Los avances en clasificación supervisada tratan, por una parte, con el uso de regularización para obtener un clasificador naive Bayes y, por otra parte, con el desarrollo de un algoritmo que usa regularización por grupos de una manera eficiente y que se ha aplicado al diseño de interfaces cerebromáquina. Finalmente, se presenta una heurística para inducir la estructura de redes Bayesianas Gaussianas usando regularización L1 a modo de filtro.

El problema del rozamiento en el análisis de estructuras de fábrica mediante modelos de sólidos rígidos

La evaluación de la seguridad de estructuras antiguas de fábrica es un problema abierto.El material es heterogéneo y anisótropo, el estado previo de tensiones difícil de conocer y las condiciones de contorno inciertas. A comienzos de los años 50 se demostró que el análisis límite era aplicable a este tipo de estructuras, considerándose desde entonces como una herramienta adecuada. En los casos en los que no se produce deslizamiento la aplicación de los teoremas del análisis límite estándar constituye una herramienta formidable por su simplicidad y robustez. No es necesario conocer el estado real de tensiones. Basta con encontrar cualquier solución de equilibrio, y que satisfaga las condiciones de límite del material, en la seguridad de que su carga será igual o inferior a la carga real de inicio de colapso. Además esta carga de inicio de colapso es única (teorema de la unicidad) y se puede obtener como el óptimo de uno cualquiera entre un par de programas matemáticos convexos duales. Sin embargo, cuando puedan existir mecanismos de inicio de colapso que impliquen deslizamientos, cualquier solución debe satisfacer tanto las restricciones estáticas como las cinemáticas, así como un tipo especial de restricciones disyuntivas que ligan las anteriores y que pueden plantearse como de complementariedad. En este último caso no está asegurada la existencia de una solución única, por lo que es necesaria la búsqueda de otros métodos para tratar la incertidumbre asociada a su multiplicidad. En los últimos años, la investigación se ha centrado en la búsqueda de un mínimo absoluto por debajo del cual el colapso sea imposible. Este método es fácil de plantear desde el punto de vista matemático, pero intratable computacionalmente, debido a las restricciones de complementariedad 0 y z 0 que no son ni convexas ni suaves. El problema de decisión resultante es de complejidad computacional No determinista Polinomial (NP)- completo y el problema de optimización global NP-difícil. A pesar de ello, obtener una solución (sin garantía de exito) es un problema asequible. La presente tesis propone resolver el problema mediante Programación Lineal Secuencial, aprovechando las especiales características de las restricciones de complementariedad, que escritas en forma bilineal son del tipo y z = 0; y 0; z 0 , y aprovechando que el error de complementariedad (en forma bilineal) es una función de penalización exacta. Pero cuando se trata de encontrar la peor solución, el problema de optimización global equivalente es intratable (NP-difícil). Además, en tanto no se demuestre la existencia de un principio de máximo o mínimo, existe la duda de que el esfuerzo empleado en aproximar este mínimo esté justificado. En el capítulo 5, se propone hallar la distribución de frecuencias del factor de carga, para todas las soluciones de inicio de colapso posibles, sobre un sencillo ejemplo. Para ello, se realiza un muestreo de soluciones mediante el método de Monte Carlo, utilizando como contraste un método exacto de computación de politopos. El objetivo final es plantear hasta que punto está justificada la busqueda del mínimo absoluto y proponer un método alternativo de evaluación de la seguridad basado en probabilidades. Las distribuciones de frecuencias, de los factores de carga correspondientes a las soluciones de inicio de colapso obtenidas para el caso estudiado, muestran que tanto el valor máximo como el mínimo de los factores de carga son muy infrecuentes, y tanto más, cuanto más perfecto y contínuo es el contacto. Los resultados obtenidos confirman el interés de desarrollar nuevos métodos probabilistas. En el capítulo 6, se propone un método de este tipo basado en la obtención de múltiples soluciones, desde puntos de partida aleatorios y calificando los resultados mediante la Estadística de Orden. El propósito es determinar la probabilidad de inicio de colapso para cada solución.El método se aplica (de acuerdo a la reducción de expectativas propuesta por la Optimización Ordinal) para obtener una solución que se encuentre en un porcentaje determinado de las peores. Finalmente, en el capítulo 7, se proponen métodos híbridos, incorporando metaheurísticas, para los casos en que la búsqueda del mínimo global esté justificada. Abstract Safety assessment of the historic masonry structures is an open problem. The material is heterogeneous and anisotropic, the previous state of stress is hard to know and the boundary conditions are uncertain. In the early 50's it was proven that limit analysis was applicable to this kind of structures, being considered a suitable tool since then. In cases where no slip occurs, the application of the standard limit analysis theorems constitutes an excellent tool due to its simplicity and robustness. It is enough find any equilibrium solution which satisfy the limit constraints of the material. As we are certain that this load will be equal to or less than the actual load of the onset of collapse, it is not necessary to know the actual stresses state. Furthermore this load for the onset of collapse is unique (uniqueness theorem), and it can be obtained as the optimal from any of two mathematical convex duals programs However, if the mechanisms of the onset of collapse involve sliding, any solution must satisfy both static and kinematic constraints, and also a special kind of disjunctive constraints linking the previous ones, which can be formulated as complementarity constraints. In the latter case, it is not guaranted the existence of a single solution, so it is necessary to look for other ways to treat the uncertainty associated with its multiplicity. In recent years, research has been focused on finding an absolute minimum below which collapse is impossible. This method is easy to set from a mathematical point of view, but computationally intractable. This is due to the complementarity constraints 0 y z 0 , which are neither convex nor smooth. The computational complexity of the resulting decision problem is "Not-deterministic Polynomialcomplete" (NP-complete), and the corresponding global optimization problem is NP-hard. However, obtaining a solution (success is not guaranteed) is an affordable problem. This thesis proposes solve that problem through Successive Linear Programming: taking advantage of the special characteristics of complementarity constraints, which written in bilinear form are y z = 0; y 0; z 0 ; and taking advantage of the fact that the complementarity error (bilinear form) is an exact penalty function. But when it comes to finding the worst solution, the (equivalent) global optimization problem is intractable (NP-hard). Furthermore, until a minimum or maximum principle is not demonstrated, it is questionable that the effort expended in approximating this minimum is justified. XIV In chapter 5, it is proposed find the frequency distribution of the load factor, for all possible solutions of the onset of collapse, on a simple example. For this purpose, a Monte Carlo sampling of solutions is performed using a contrast method "exact computation of polytopes". The ultimate goal is to determine to which extent the search of the global minimum is justified, and to propose an alternative approach to safety assessment based on probabilities. The frequency distributions for the case study show that both the maximum and the minimum load factors are very infrequent, especially when the contact gets more perfect and more continuous. The results indicates the interest of developing new probabilistic methods. In Chapter 6, is proposed a method based on multiple solutions obtained from random starting points, and qualifying the results through Order Statistics. The purpose is to determine the probability for each solution of the onset of collapse. The method is applied (according to expectations reduction given by the Ordinal Optimization) to obtain a solution that is in a certain percentage of the worst. Finally, in Chapter 7, hybrid methods incorporating metaheuristics are proposed for cases in which the search for the global minimum is justified.

Tratamiento consistente de restricciones e impacto en dinámica de sistemas multicuerpo

Esta tesis está enmarcada en el estudio de diferentes procedimientos numéricos para resolver la dinámica de un sistema multicuerpo sometido a restricciones e impacto, que puede estar compuesto por sólidos rígidos y deformables conectados entre sí por diversos tipos de uniones. Dentro de los métodos numéricos analizados se presta un especial interés a los métodos consistentes, los cuales tienen por objetivo que la energía calculada en cada paso de tiempo, para un sistema mecánico, tenga una evolución coherente con el comportamiento teórico de la energía. En otras palabras, un método consistente mantiene constante la energía total en un problema conservativo, y en presencia de fuerzas disipativas proporciona un decremento positivo de la energía total. En esta línea se desarrolla un algoritmo numérico consistente con la energía total para resolver las ecuaciones de la dinámica de un sistema multicuerpo. Como parte de este algoritmo se formulan energéticamente consistentes las restricciones y el contacto empleando multiplicadores de Lagrange, penalización y Lagrange aumentado. Se propone también un método para el contacto con sólidos rígidos representados mediante superficies implícitas, basado en una restricción regularizada que se adaptada adecuadamente para el cumplimiento exacto de la restricción de contacto y para ser consistente con la conservación de la energía total. En este contexto se estudian dos enfoques: uno para el contacto elástico puro (sin deformación) formulado con penalización y Lagrange aumentado; y otro basado en un modelo constitutivo para el contacto con penetración. En el segundo enfoque se usa un potencial de penalización que, en ausencia de componentes disipativas, restaura la energía almacenada en el contacto y disipa energía de forma consistente con el modelo continuo cuando las componentes de amortiguamiento y fricción son consideradas. This thesis focuses on the study of several numerical procedures used to solve the dynamics of a multibody system subjected to constraints and impact. The system may be composed by rigid and deformable bodies connected by different types of joints. Within this framework, special attention is paid to consistent methods, which preserve the theoretical behavior of the energy at each time step. In other words, a consistent method keeps the total energy constant in a conservative problem, and provides a positive decrease in the total energy when dissipative forces are present. A numerical algorithm has been developed for solving the dynamical equations of multibody systems, which is energetically consistent. Energetic consistency in contacts and constraints is formulated using Lagrange multipliers, penalty and augmented Lagrange methods. A contact methodology is proposed for rigid bodies with a boundary represented by implicit surfaces. The method is based on a suitable regularized constraint formulation, adapted both to fulfill exactly the contact constraint, and to be consistent with the conservation of the total energy. In this context two different approaches are studied: the first applied to pure elastic contact (without deformation), formulated with penalty and augmented Lagrange; and a second one based on a constitutive model for contact with penetration. In this second approach, a penalty potential is used in the constitutive model, that restores the energy stored in the contact when no dissipative effects are present. On the other hand, the energy is dissipated consistently with the continuous model when friction and damping are considered.

Thermal food processing optimization: Algorithms and software

The algorithms and graphic user interface software package ?OPT-PROx? are developed to meet food engineering needs related to canned food thermal processing simulation and optimization. The adaptive random search algorithm and its modification coupled with penalty function?s approach, and the finite difference methods with cubic spline approximation are utilized by ?OPT-PROx? package (http://tomakechoice. com/optprox/index.html). The diversity of thermal food processing optimization problems with different objectives and required constraints are solvable by developed software. The geometries supported by the ?OPT-PROx? are the following: (1) cylinder, (2) rectangle, (3) sphere. The mean square error minimization principle is utilized in order to estimate the heat transfer coefficient of food to be heated under optimal condition. The developed user friendly dialogue and used numerical procedures makes the ?OPT-PROx? software useful to food scientists in research and education, as well as to engineers involved in optimization of thermal food processing.

Kinematic pattern of the drag-flick: a case study

The drag-flick is more efficient than hits or pushes when a penalty corner situation is in effect in field hockey. Previous research has studied the biomechanical pattern of the drag-flick, trying to find the cues for an optimal performance. On the other hand, some other studies have examined the most effective visual pick-up of relevant information in shots and goalkeeper anticipation. The aim of this study was to analyse the individual differences in the drag-flick pattern in order to provide relevant information for goalkeepers. One female skilled drag-flicker participated in the study. A VICON optoelectronic sy stem (Oxford Metrics, Oxford, UK) was used to capture the drag-flicks with six cameras. The results showed that the main significant differences between right and left shots (p<0.05) in the stick angles, stick minimum angular velocity and front foot-ball distance were when the front foot heel contacted the floor(T1) and at the minimum velocity of the stick, before the dragging action (T3). The findings showed that the most relevant information might be picked up at the ball-and-stick location before the dragging action.

Training-induced changes in drag-flick technique in female field hockey players

The penalty corner is one of the most important goal plays in field hockey. The drag-flick is used less by women than men in a penalty corner. The aim of this study was to describe training-induced changes in the drag-flick technique in female field hockey players. Four female players participated in the study. The VICON optoelectronic system (Oxford Metrics, Oxford, UK) measured the kinematic parameters of the drag-flick with six cameras sampling at 250 Hz, prior to and after training. Fifteen shots were captured for each subject. A Wilcoxon test assessed the differences between pre-training and post-training parameters. Two players received specific training twice a week for 8 weeks; the other two players did not train. The proposed drills improved the position of the stick at the beginning of the shot (p<0.05), the total distance of the shot (p<0.05)and the rotation radius at ball release (p<0.01). It was noted that all players had lost speed of the previous run. Further studies should include a larger sample, in order to provide more information on field hockey performance.

The facility manager architect : the social responsability as an added value.

From the very first steps to execute a building, it is essential to analyze its life cycle. Similarly, we should consider the life cycle when projecting an urban intervention. Professionals of the Facility Management take part in construction projects, developing and managing DBFMO projects (Design, Build, Finance, Maintenance & Operate). Whatever the nature of the promoter is – private or public – promoters are leaders in projects of responsible management of spaces, whether these are work spaces, leisure spaces or residential spaces. They know and identify with the company and its performance, its values and its needs. These professionals give sustainable solutions in the life cycle of buildings (offices and housing), new ways to work and initiatives of innovations linked to current social changes: technology, social networks, and new habits. Concepts where innovation is essential should consider responsible values. Social, economic and sustainable aspects have to associate with the management performed by a Facilities Manager when considering the three groups of stakeholders with which it is linked: economic (shareholders), contractual (users), non-contractual (neighborhoods, organizations, etc.). Marcus Vitruvius Pollio, at the beginning of his book "The Ten Books on Architecture" describes and argues how the distribution in buildings must always adapt to their inhabitants. Let us build cities and buildings with responsible criteria, bearing in mind all its users and the needs of each one of them. Not to mention the need to adapt to future requirements with minimum cost and maximum profitability. These needs, under responsible management, are competencies developed by a Facilities Manager in his day to day. He cares and takes over the entire life cycle of buildings and their surroundings. This work is part of the PhD project whose main aim is to study the added value to the architectural profession when social responsibility criteria are applied in his/her role as Facility Manager.

Simulación en tiempo real de vehículos industriales con modelos multicuerpo de gran complejidad

El objetivo de esta Tesis ha sido la consecución de simulaciones en tiempo real de vehículos industriales modelizados como sistemas multicuerpo complejos formados por sólidos rígidos. Para el desarrollo de un programa de simulación deben considerarse cuatro aspectos fundamentales: la modelización del sistema multicuerpo (tipos de coordenadas, pares ideales o impuestos mediante fuerzas), la formulación a utilizar para plantear las ecuaciones diferenciales del movimiento (coordenadas dependientes o independientes, métodos globales o topológicos, forma de imponer las ecuaciones de restricción), el método de integración numérica para resolver estas ecuaciones en el tiempo (integradores explícitos o implícitos) y finalmente los detalles de la implementación realizada (lenguaje de programación, librerías matemáticas, técnicas de paralelización). Estas cuatro etapas están interrelacionadas entre sí y todas han formado parte de este trabajo. Desde la generación de modelos de una furgoneta y de camión con semirremolque, el uso de tres formulaciones dinámicas diferentes, la integración de las ecuaciones diferenciales del movimiento mediante métodos explícitos e implícitos, hasta el uso de funciones BLAS, de técnicas de matrices sparse y la introducción de paralelización para utilizar los distintos núcleos del procesador. El trabajo presentado en esta Tesis ha sido organizado en 8 capítulos, dedicándose el primero de ellos a la Introducción. En el Capítulo 2 se presentan dos formulaciones semirrecursivas diferentes, de las cuales la primera está basada en una doble transformación de velocidades, obteniéndose las ecuaciones diferenciales del movimiento en función de las aceleraciones relativas independientes. La integración numérica de estas ecuaciones se ha realizado con el método de Runge-Kutta explícito de cuarto orden. La segunda formulación está basada en coordenadas relativas dependientes, imponiendo las restricciones por medio de penalizadores en posición y corrigiendo las velocidades y aceleraciones mediante métodos de proyección. En este segundo caso la integración de las ecuaciones del movimiento se ha llevado a cabo mediante el integrador implícito HHT (Hilber, Hughes and Taylor), perteneciente a la familia de integradores estructurales de Newmark. En el Capítulo 3 se introduce la tercera formulación utilizada en esta Tesis. En este caso las uniones entre los sólidos del sistema se ha realizado mediante uniones flexibles, lo que obliga a imponer los pares por medio de fuerzas. Este tipo de uniones impide trabajar con coordenadas relativas, por lo que la posición del sistema y el planteamiento de las ecuaciones del movimiento se ha realizado utilizando coordenadas Cartesianas y parámetros de Euler. En esta formulación global se introducen las restricciones mediante fuerzas (con un planteamiento similar al de los penalizadores) y la estabilización del proceso de integración numérica se realiza también mediante proyecciones de velocidades y aceleraciones. En el Capítulo 4 se presenta una revisión de las principales herramientas y estrategias utilizadas para aumentar la eficiencia de las implementaciones de los distintos algoritmos. En primer lugar se incluye una serie de consideraciones básicas para aumentar la eficiencia numérica de las implementaciones. A continuación se mencionan las principales características de los analizadores de códigos utilizados y también las librerías matemáticas utilizadas para resolver los problemas de álgebra lineal tanto con matrices densas como sparse. Por último se desarrolla con un cierto detalle el tema de la paralelización en los actuales procesadores de varios núcleos, describiendo para ello el patrón empleado y las características más importantes de las dos herramientas propuestas, OpenMP y las TBB de Intel. Hay que señalar que las características de los sistemas multicuerpo problemas de pequeño tamaño, frecuente uso de la recursividad, y repetición intensiva en el tiempo de los cálculos con fuerte dependencia de los resultados anteriores dificultan extraordinariamente el uso de técnicas de paralelización frente a otras áreas de la mecánica computacional, tales como por ejemplo el cálculo por elementos finitos. Basándose en los conceptos mencionados en el Capítulo 4, el Capítulo 5 está dividido en tres secciones, una para cada formulación propuesta en esta Tesis. En cada una de estas secciones se describen los detalles de cómo se han realizado las distintas implementaciones propuestas para cada algoritmo y qué herramientas se han utilizado para ello. En la primera sección se muestra el uso de librerías numéricas para matrices densas y sparse en la formulación topológica semirrecursiva basada en la doble transformación de velocidades. En la segunda se describe la utilización de paralelización mediante OpenMP y TBB en la formulación semirrecursiva con penalizadores y proyecciones. Por último, se describe el uso de técnicas de matrices sparse y paralelización en la formulación global con uniones flexibles y parámetros de Euler. El Capítulo 6 describe los resultados alcanzados mediante las formulaciones e implementaciones descritas previamente. Este capítulo comienza con una descripción de la modelización y topología de los dos vehículos estudiados. El primer modelo es un vehículo de dos ejes del tipo chasis-cabina o furgoneta, perteneciente a la gama de vehículos de carga medianos. El segundo es un vehículo de cinco ejes que responde al modelo de un camión o cabina con semirremolque, perteneciente a la categoría de vehículos industriales pesados. En este capítulo además se realiza un estudio comparativo entre las simulaciones de estos vehículos con cada una de las formulaciones utilizadas y se presentan de modo cuantitativo los efectos de las mejoras alcanzadas con las distintas estrategias propuestas en esta Tesis. Con objeto de extraer conclusiones más fácilmente y para evaluar de un modo más objetivo las mejoras introducidas en la Tesis, todos los resultados de este capítulo se han obtenido con el mismo computador, que era el top de la gama Intel Xeon en 2007, pero que hoy día está ya algo obsoleto. Por último los Capítulos 7 y 8 están dedicados a las conclusiones finales y las futuras líneas de investigación que pueden derivar del trabajo realizado en esta Tesis. Los objetivos de realizar simulaciones en tiempo real de vehículos industriales de gran complejidad han sido alcanzados con varias de las formulaciones e implementaciones desarrolladas. ABSTRACT The objective of this Dissertation has been the achievement of real time simulations of industrial vehicles modeled as complex multibody systems made up by rigid bodies. For the development of a simulation program, four main aspects must be considered: the modeling of the multibody system (types of coordinates, ideal joints or imposed by means of forces), the formulation to be used to set the differential equations of motion (dependent or independent coordinates, global or topological methods, ways to impose constraints equations), the method of numerical integration to solve these equations in time (explicit or implicit integrators) and the details of the implementation carried out (programming language, mathematical libraries, parallelization techniques). These four stages are interrelated and all of them are part of this work. They involve the generation of models for a van and a semitrailer truck, the use of three different dynamic formulations, the integration of differential equations of motion through explicit and implicit methods, the use of BLAS functions and sparse matrix techniques, and the introduction of parallelization to use the different processor cores. The work presented in this Dissertation has been structured in eight chapters, the first of them being the Introduction. In Chapter 2, two different semi-recursive formulations are shown, of which the first one is based on a double velocity transformation, thus getting the differential equations of motion as a function of the independent relative accelerations. The numerical integration of these equations has been made with the Runge-Kutta explicit method of fourth order. The second formulation is based on dependent relative coordinates, imposing the constraints by means of position penalty coefficients and correcting the velocities and accelerations by projection methods. In this second case, the integration of the motion equations has been carried out by means of the HHT implicit integrator (Hilber, Hughes and Taylor), which belongs to the Newmark structural integrators family. In Chapter 3, the third formulation used in this Dissertation is presented. In this case, the joints between the bodies of the system have been considered as flexible joints, with forces used to impose the joint conditions. This kind of union hinders to work with relative coordinates, so the position of the system bodies and the setting of the equations of motion have been carried out using Cartesian coordinates and Euler parameters. In this global formulation, constraints are introduced through forces (with a similar approach to the penalty coefficients) are presented. The stabilization of the numerical integration is carried out also by velocity and accelerations projections. In Chapter 4, a revision of the main computer tools and strategies used to increase the efficiency of the implementations of the algorithms is presented. First of all, some basic considerations to increase the numerical efficiency of the implementations are included. Then the main characteristics of the code’ analyzers used and also the mathematical libraries used to solve linear algebra problems (both with dense and sparse matrices) are mentioned. Finally, the topic of parallelization in current multicore processors is developed thoroughly. For that, the pattern used and the most important characteristics of the tools proposed, OpenMP and Intel TBB, are described. It needs to be highlighted that the characteristics of multibody systems small size problems, frequent recursion use and intensive repetition along the time of the calculation with high dependencies of the previous results complicate extraordinarily the use of parallelization techniques against other computational mechanics areas, as the finite elements computation. Based on the concepts mentioned in Chapter 4, Chapter 5 is divided into three sections, one for each formulation proposed in this Dissertation. In each one of these sections, the details of how these different proposed implementations have been made for each algorithm and which tools have been used are described. In the first section, it is shown the use of numerical libraries for dense and sparse matrices in the semirecursive topological formulation based in the double velocity transformation. In the second one, the use of parallelization by means OpenMP and TBB is depicted in the semi-recursive formulation with penalization and projections. Lastly, the use of sparse matrices and parallelization techniques is described in the global formulation with flexible joints and Euler parameters. Chapter 6 depicts the achieved results through the formulations and implementations previously described. This chapter starts with a description of the modeling and topology of the two vehicles studied. The first model is a two-axle chassis-cabin or van like vehicle, which belongs to the range of medium charge vehicles. The second one is a five-axle vehicle belonging to the truck or cabin semi-trailer model, belonging to the heavy industrial vehicles category. In this chapter, a comparative study is done between the simulations of these vehicles with each one of the formulations used and the improvements achieved are presented in a quantitative way with the different strategies proposed in this Dissertation. With the aim of deducing the conclusions more easily and to evaluate in a more objective way the improvements introduced in the Dissertation, all the results of this chapter have been obtained with the same computer, which was the top one among the Intel Xeon range in 2007, but which is rather obsolete today. Finally, Chapters 7 and 8 are dedicated to the final conclusions and the future research projects that can be derived from the work presented in this Dissertation. The objectives of doing real time simulations in high complex industrial vehicles have been achieved with the formulations and implementations developed.

Reducing Cache Hierarchy Energy Consumption by Predicting Forwarding and Disabling Associative Sets

The first level data cache un modern processors has become a major consumer of energy due to its increasing size and high frequency access rate. In order to reduce this high energy con sumption, we propose in this paper a straightforward filtering technique based on a highly accurate forwarding predictor. Specifically, a simple structure predicts whether a load instruction will obtain its corresponding data via forwarding from the load-store structure -thus avoiding the data cache access - or if it will be provided by the data cache. This mechanism manages to reduce the data cache energy consumption by an average of 21.5% with a negligible performance penalty of less than 0.1%. Furthermore, in this paper we focus on the cache static energy consumption too by disabling a portin of sets of the L2 associative cache. Overall, when merging both proposals, the combined L1 and L2 total energy consumption is reduced by an average of 29.2% with a performance penalty of just 0.25%. Keywords: Energy consumption; filtering; forwarding predictor; cache hierarchy

A multi-criteria optimization and decision-making approach for improvement of food engineering processes.

The objective of this study was to propose a multi-criteria optimization and decision-making technique to solve food engineering problems. This technique was demostrated using experimental data obtained on osmotic dehydratation of carrot cubes in a sodium chloride solution. The Aggregating Functions Approach, the Adaptive Random Search Algorithm, and the Penalty Functions Approach were used in this study to compute the initial set of non-dominated or Pareto-optimal solutions. Multiple non-linear regression analysis was performed on a set of experimental data in order to obtain particular multi-objective functions (responses), namely water loss, solute gain, rehydration ratio, three different colour criteria of rehydrated product, and sensory evaluation (organoleptic quality). Two multi-criteria decision-making approaches, the Analytic Hierarchy Process (AHP) and the Tabular Method (TM), were used simultaneously to choose the best alternative among the set of non-dominated solutions. The multi-criteria optimization and decision-making technique proposed in this study can facilitate the assessment of criteria weights, giving rise to a fairer, more consistent, and adequate final compromised solution or food process. This technique can be useful to food scientists in research and education, as well as to engineers involved in the improvement of a variety of food engineering processes.

3D Frangi-based lung vessel enhancement filter penalizing airways

This paper describes a fully automatic simultaneous lung vessel and airway enhancement filter. The approach consists of a Frangi-based multiscale vessel enhancement filtering specifically designed for lung vessel and airway detection, where arteries and veins have high contrast with respect to the lung parenchyma, and airway walls are hollow tubular structures with a non negative response using the classical Frangi's filter. The features extracted from the Hessian matrix are used to detect centerlines and approximate walls of airways, decreasing the filter response in those areas by applying a penalty function to the vesselness measure. We validate the segmentation method in 20 CT scans with different pathological states within the VESSEL12 challenge framework. Results indicate that our approach obtains good results, decreasing the number of false positives in airway walls.

Dealing in practice with hot-spots

The hot-spot phenomenon is a relatively frequent problem in current photovoltaic generators. It entails both a risk for the photovoltaic module's lifetime and a decrease in its operational efficiency. Nevertheless, there is still a lack of widely accepted procedures for dealing with them in practice. This paper presents the IES UPM observations on 200 affected modules. Visual and infrared inspection, electroluminescence, peak power and operating voltage tests have been accomplished. Hot-spot observation procedures and well defined acceptance and rejection criteria are proposed, addressing both the lifetime and the operational efficiency of the modules. The operating voltage has come out as the best parameter to control effective efficiency losses for the affected modules. This procedure is oriented to its possible application in contractual frameworks.

Desarrollo de un modelo de predimensionado de costes de construcción en el proyecto arquitectónico

El objetivo de la presente investigación es el desarrollo de un modelo de cálculo rápido, eficiente y preciso, para la estimación de los costes finales de construcción, en las fases preliminares del proyecto arquitectónico. Se trata de una herramienta a utilizar durante el proceso de elaboración de estudios previos, anteproyecto y proyecto básico, no siendo por tanto preciso para calcular el “predimensionado de costes” disponer de la total definición grafica y literal del proyecto. Se parte de la hipótesis de que en la aplicación práctica del modelo no se producirán desviaciones superiores al 10 % sobre el coste final de la obra proyectada. Para ello se formulan en el modelo de predimensionado cinco niveles de estimación de costes, de menor a mayor definición conceptual y gráfica del proyecto arquitectónico. Los cinco niveles de cálculo son: dos que toman como referencia los valores “exógenos” de venta de las viviendas (promoción inicial y promoción básica) y tres basados en cálculos de costes “endógenos” de la obra proyectada (estudios previos, anteproyecto y proyecto básico). El primer nivel de estimación de carácter “exógeno” (nivel .1), se calcula en base a la valoración de mercado de la promoción inmobiliaria y a su porcentaje de repercusión de suelo sobre el valor de venta de las viviendas. El quinto nivel de valoración, también de carácter “exógeno” (nivel .5), se calcula a partir del contraste entre el valor externo básico de mercado, los costes de construcción y los gastos de promoción estimados de la obra proyectada. Este contraste entre la “repercusión del coste de construcción” y el valor de mercado, supone una innovación respecto a los modelos de predimensionado de costes existentes, como proceso metodológico de verificación y validación extrínseca, de la precisión y validez de las estimaciones resultantes de la aplicación práctica del modelo, que se denomina Pcr.5n (Predimensionado costes de referencia con .5niveles de cálculo según fase de definición proyectual / ideación arquitectónica). Los otros tres niveles de predimensionado de costes de construcción “endógenos”, se estiman mediante cálculos analíticos internos por unidades de obra y cálculos sintéticos por sistemas constructivos y espacios funcionales, lo que se lleva a cabo en las etapas iniciales del proyecto correspondientes a estudios previos (nivel .2), anteproyecto (nivel .3) y proyecto básico (nivel .4). Estos cálculos teóricos internos son finalmente evaluados y validados mediante la aplicación práctica del modelo en obras de edificación residencial, de las que se conocen sus costes reales de liquidación final de obra. Según va evolucionando y se incrementa el nivel de definición y desarrollo del proyecto, desde los estudios previos hasta el proyecto básico, el cálculo se va perfeccionando en su nivel de eficiencia y precisión de la estimación, según la metodología aplicada: [aproximaciones sucesivas en intervalos finitos], siendo la hipótesis básica como anteriormente se ha avanzado, lograr una desviación máxima de una décima parte en el cálculo estimativo del predimensionado del coste real de obra. El cálculo del coste de ejecución material de la obra, se desarrolla en base a parámetros cúbicos funcionales “tridimensionales” del espacio proyectado y parámetros métricos constructivos “bidimensionales” de la envolvente exterior de cubierta/fachada y de la huella del edificio sobre el terreno. Los costes funcionales y constructivos se ponderan en cada fase del proceso de cálculo con sus parámetros “temáticos/específicos” de gestión (Pg), proyecto (Pp) y ejecución (Pe) de la concreta obra presupuestada, para finalmente estimar el coste de construcción por contrata, como resultado de incrementar al coste de ejecución material el porcentaje correspondiente al parámetro temático/especifico de la obra proyectada. El modelo de predimensionado de costes de construcción Pcr.5n, será una herramienta de gran interés y utilidad en el ámbito profesional, para la estimación del coste correspondiente al Proyecto Básico previsto en el marco técnico y legal de aplicación. Según el Anejo I del Código Técnico de la Edificación (CTE), es de obligado cumplimiento que el proyecto básico contenga una “Valoración aproximada de la ejecución material de la obra proyectada por capítulos”, es decir , que el Proyecto Básico ha de contener al menos un “presupuesto aproximado”, por capítulos, oficios ó tecnologías. El referido cálculo aproximado del presupuesto en el Proyecto Básico, necesariamente se ha de realizar mediante la técnica del predimensionado de costes, dado que en esta fase del proyecto arquitectónico aún no se dispone de cálculos de estructura, planos de acondicionamiento e instalaciones, ni de la resolución constructiva de la envolvente, por cuanto no se han desarrollado las especificaciones propias del posterior proyecto de ejecución. Esta estimación aproximada del coste de la obra, es sencilla de calcular mediante la aplicación práctica del modelo desarrollado, y ello tanto para estudiantes como para profesionales del sector de la construcción. Como se contiene y justifica en el presente trabajo, la aplicación práctica del modelo para el cálculo de costes en las fases preliminares del proyecto, es rápida y certera, siendo de sencilla aplicación tanto en vivienda unifamiliar (aisladas y pareadas), como en viviendas colectivas (bloques y manzanas). También, el modelo es de aplicación en el ámbito de la valoración inmobiliaria, tasaciones, análisis de viabilidad económica de promociones inmobiliarias, estimación de costes de obras terminadas y en general, cuando no se dispone del proyecto de ejecución y sea preciso calcular los costes de construcción de las obras proyectadas. Además, el modelo puede ser de aplicación para el chequeo de presupuestos calculados por el método analítico tradicional (estado de mediciones pormenorizadas por sus precios unitarios y costes descompuestos), tanto en obras de iniciativa privada como en obras promovidas por las Administraciones Públicas. Por último, como líneas abiertas a futuras investigaciones, el modelo de “predimensionado costes de referencia 5 niveles de cálculo”, se podría adaptar y aplicar para otros usos y tipologías diferentes a la residencial, como edificios de equipamientos y dotaciones públicas, valoración de edificios históricos, obras de urbanización interior y exterior de parcela, proyectos de parques y jardines, etc….. Estas lineas de investigación suponen trabajos paralelos al aquí desarrollado, y que a modo de avance parcial se recogen en las comunicaciones presentadas en los Congresos internacionales Scieconf/Junio 2013, Rics‐Cobra/Septiembre 2013 y en el IV Congreso nacional de patología en la edificación‐Ucam/Abril 2014. ABSTRACT The aim of this research is to develop a fast, efficient and accurate calculation model to estimate the final costs of construction, during the preliminary stages of the architectural project. It is a tool to be used during the preliminary study process, drafting and basic project. It is not therefore necessary to have the exact, graphic definition of the project in order to be able to calculate the cost‐scaling. It is assumed that no deviation 10% higher than the final cost of the projected work will occur during the implementation. To that purpose five levels of cost estimation are formulated in the scaling model, from a lower to a higher conceptual and graphic definition of the architectural project. The five calculation levels are: two that take as point of reference the ”exogenous” values of house sales (initial development and basic development), and three based on calculation of endogenous costs (preliminary study, drafting and basic project). The first ”exogenous” estimation level (level.1) is calculated over the market valuation of real estate development and the proportion the cost of land has over the value of the houses. The fifth level of valuation, also an ”exogenous” one (level.5) is calculated from the contrast between the basic external market value, the construction costs, and the estimated development costs of the projected work. This contrast between the ”repercussions of construction costs” and the market value is an innovation regarding the existing cost‐scaling models, as a methodological process of extrinsic verification and validation, of the accuracy and validity of the estimations obtained from the implementation of the model, which is called Pcr.5n (reference cost‐scaling with .5calculation levels according to the stage of project definition/ architectural conceptualization) The other three levels of “endogenous” construction cost‐scaling are estimated from internal analytical calculations by project units and synthetic calculations by construction systems and functional spaces. This is performed during the initial stages of the project corresponding to preliminary study process (level.2), drafting (level.3) and basic project (level.4). These theoretical internal calculations are finally evaluated and validated via implementation of the model in residential buildings, whose real costs on final payment of the works are known. As the level of definition and development of the project evolves, from preliminary study to basic project, the calculation improves in its level of efficiency and estimation accuracy, following the applied methodology: [successive approximations at finite intervals]. The basic hypothesis as above has been made, achieving a maximum deviation of one tenth, in the estimated calculation of the true cost of predimensioning work. The cost calculation for material execution of the works is developed from functional “three‐dimensional” cubic parameters for the planned space and constructive “two dimensional” metric parameters for the surface that envelopes around the facade and the building’s footprint on the plot. The functional and building costs are analyzed at every stage of the process of calculation with “thematic/specific” parameters of management (Pg), project (Pp) and execution (Pe) of the estimated work in question, and finally the cost of contractual construction is estimated, as a consequence of increasing the cost of material execution with the percentage pertaining to the thematic/specific parameter of the projected work. The construction cost‐scaling Pcr.5n model will be a useful tool of great interest in the professional field to estimate the cost of the Basic Project as prescribed in the technical and legal framework of application. According to the appendix of the Technical Building Code (CTE), it is compulsory that the basic project contains an “approximate valuation of the material execution of the work, projected by chapters”, that is, that the basic project must contain at least an “approximate estimate” by chapter, trade or technology. This approximate estimate in the Basic Project is to be performed through the cost‐scaling technique, given that structural calculations, reconditioning plans and definitive contruction details of the envelope are still not available at this stage of the architectural project, insofar as specifications pertaining to the later project have not yet been developed. This approximate estimate of the cost of the works is easy to calculate through the implementation of the given model, both for students and professionals of the building sector. As explained and justified in this work, the implementation of the model for cost‐scaling during the preliminary stage is fast and accurate, as well as easy to apply both in single‐family houses (detached and semi‐detached) and collective housing (blocks). The model can also be applied in the field of the real‐estate valuation, official appraisal, analysis of the economic viability of real estate developments, estimate of the cost of finished projects and, generally, when an implementation project is not available and it is necessary to calculate the building costs of the projected works. The model can also be applied to check estimates calculated by the traditional analytical method (state of measurements broken down into price per unit cost details), both in private works and those promoted by Public Authorities. Finally, as potential lines for future research, the “five levels of calculation cost‐scaling model”, could be adapted and applied to purposes and typologies other than the residential one, such as service buildings and public facilities, valuation of historical buildings, interior and exterior development works, park and garden planning, etc… These lines of investigation are parallel to this one and, by way of a preview, can be found in the dissertations given in the International Congresses Scieconf/June 2013, Rics‐Cobra/September 2013 and in the IV Congress on building pathology ‐Ucam/April 2014.

Cross-Products LASSO

Negative co-occurrence is a common phenomenon in many signal processing applications. In some cases the signals involved are sparse, and this information can be exploited to recover them. In this paper, we present a sparse learning approach that explicitly takes into account negative co-occurrence. This is achieved by adding a novel penalty term to the LASSO cost function based on the cross-products between the reconstruction coefficients. Although the resulting optimization problem is non-convex, we develop a new and efficient method for solving it based on successive convex approximations. Results on synthetic data, for both complete and overcomplete dictionaries, are provided to validate the proposed approach.

Los residuos de envases y embalajes en edificación residencial. Patrones de generación y estrategias de mejora de su gestión

Uno de los retos a los que se enfrenta la humanidad es la demanda de una sociedad con casi cero residuos: la búsqueda de una economía más eficiente en el uso de los recursos teniendo en cuenta el cambio climático y un abastecimiento sostenible de materias primas que permitan satisfacer las necesidades de una población mundial cada vez mayor, dentro de los límites sostenibles de los recursos naturales del planeta. Abordar este desafío implica la recuperación y reciclaje de materiales para reducir consumos de materias primas y, para ello, debe promoverse la innovación en la prevención y gestión de residuos, como estrategia hacia un desarrollo urbano sostenible. Los envases y embalajes forman parte de la cultura actual, relacionándose con el grado de desarrollo de países y regiones; el sector de la construcción no es ajeno a la problemática y genera un importante volumen de embalajes en las obras que no se gestionan de forma adecuada. El modelo de gestión de Residuos de Construcción Demolición (RCD) actual es poco eficaz, ya que los vertederos siguen recibiendo grandes cantidades de residuos valorizables. La normativa ha conseguido minimizar las prácticas ilegales, pero se comprueba que la gestión actual de los RCD en obra deja en manos de las plantas de tratamiento la misión de separar los residuos según su naturaleza y los datos aportados por las distintas plantas no permiten afirmar el grado de alcance de dicho objetivo, ni el destino de los mismos. Los envases y embalajes son un tipo de residuos que por su naturaleza suponen una fuente de recursos valorizables y por ello están presentes en directivas y leyes, dirigidas fundamentalmente al sector de la alimentación. En el ámbito de la construcción, hasta la fecha, no se habían tratado de forma específica, motivo que justifica este trabajo. Esta Tesis Doctoral tiene como objetivo principal mejorar la gestión de residuos de embalajes procedentes de materiales de construcción. Para ello se estudia un importante conjunto de obras de edificación residencial colectiva de 1173 viviendas, análisis que llevará a conocer los patrones de producción de los Residuos de Envases y Embalajes en Construcción (REEC) e identificar los productos o materiales responsables de su generación. La monitorización realizada, permitirá diseñar estrategias específicas que minimicen la generación de estos residuos y optimicen su valorización. Se ha podido comprobar que el tratamiento particularizado de los REEC puede mejorar los resultados de la gestión del conjunto de RCD, debido a que, al no mezclarse, se elimina un importante agente contaminador de los residuos inertes. Las obras analizadas alcanzan un nivel de segregación in situ muy bajo, y los capítulos de cerramientos e instalaciones suman más del 50% del global de REEC. Particularizando en cada tipo de material, el cartón predomina en los trabajos de electricidad, el plástico en las particiones y la madera en fachadas. Se evalúa la opción del eco-­‐rediseño para uno de los embalajes predominantes, y se identifican estrategias para minimizar su impacto. Se comprueba que el ahorro en la gestión de RCD en caso de impulsar la segregación in situ no es muy significativo en las obras estudiadas, si bien se demuestra que la viabilidad económica es el factor más importante para motivar a las empresas constructoras. Las Administraciones Públicas deberían incentivar la gestión responsable, estableciendo medidas de control en las plantas de tratamiento e implementando en sus obras medidas de gestión de RCD ejemplares para el mercado. Una adecuada planificación de la obra, y formación específica para el personal son medidas que facilitan la segregación in situ y mejoran los resultados. Los promotores, mediante su relación contractual con el resto de agentes, tienen la capacidad de establecer objetivos de reducción, planificación y gestión sostenible de los REEC. Por último, se propone un sistema de gestión de REEC, integrable dentro del Sistema de Gestión de la empresa constructora, que permite evitar que residuos valorizables tales como los envases y embalajes se envíen a vertedero, guiando al sector hacia un futuro más respetuoso, alineado con el desarrollo sostenible. ABSTRACT One of the challenges humanity faces is the demand of an almost zero waste society: the search for a more efficient economy in the use of resources, taking into account climate change and a sustainable supply of raw materials, that meet the needs of an increasing world population within the sustainable limits of the planet's natural resources. Addressing this challenge involves the recovery and recycling of materials to reduce consumption of raw materials, so innovation must therefore be promoted in the prevention and management of waste, as a strategy towards a sustainable urban development. Packaging is part of our current culture and is related to the degree of development of countries and regions; the construction sector is no stranger to this problem and generates a significant amount of packaging waste in the site works, which nowadays is not managed properly. The current Construction Demolition Waste (CDW) management model is ineffective, since landfills continue to receive large amounts of recoverable waste. The legislation has managed to minimize illegal practices, but it has been observed that the current management of CDW in the analysed works leaves the mission of separating waste according to their nature to the plants, and data provided by the latter does not allow for checking the scope of this objective, nor the destiny of the waste. Packaging is a type of waste which, by its nature, represents a source of recoverable resources and is therefore present in directives and laws, focused primarily on the food industry. It has not been specifically treated to date in the construction field, hence the reason that justifies this work. This Thesis aims to improve the management of packaging waste from construction materials. An important set of residential building works with 1173 dwellings is analysed, which leads to knowledge on the production patterns of packaging waste (PW) in the construction industry, and the identification of the products responsible for its generation. The monitorization also allows for the design of specific strategies which minimise the generation of waste and optimize recovery. It has been found that the individualized treatment of PW can improve the results of the management of the whole CDW since, when not mixed, a major pollutant of inert waste is removed. The analysed works reached a very low segregation level and the façades and building services phases account for more than 50% of the overall PW. Focusing on each type of material, cardboard predominates electricity works, plastic on partitions and wood on façades. Eco-­‐redesign is evaluated for one of the predominant packages, and strategies are identified to minimise their impact are . There is evidence that the savings in the CDW management in case of promoting segregation on site are not very significant at the studied works, although economic feasibility is the most important factor to motivate the construction companies. Public Administrations should encourage responsible management, establishing control measures in treatment plants and implementing CDW management exemplary measures on their work sites for the market. A proper planning of the works and specific training for the personnel are measures that facilitate in situ segregation and improve outcomes. The developers, through their contractual relationship with the other agents, have the ability to set reduction targets, planning and sustainable management of PW. Finally, a management system for PW is proposed, integrated within the Management System of the construction company, which aims to avoid that recoverable waste such as packaging is sent to landfill, leading the industry towards a more environmentally friendly future, aligned with sustainable development.