Optimización de operaciones unitarias utilizando líquidos iónicos como agentes materiales de separación

En este trabajo se estudia la modelización y optimización de procesos industriales de separación mediante el empleo de mezclas de líquidos iónicos como disolventes. Los disolventes habitualmente empleados en procesos de absorción o extracción suelen ser componentes orgánicos muy volátiles y dañinos para la salud humana. Las innovadoras propiedades que presentan los líquidos iónicos, los convierten en alternativas adecuadas para solucionar estos problemas. La presión de vapor de estos compuestos es muy baja y apenas varía con la temperatura. Por tanto, estos compuestos apenas se evaporan incluso a temperaturas altas. Esto supone una gran ventaja en cuanto al empleo de estos compuestos como disolventes industriales ya que permite el reciclaje continuo del disolvente al final del proceso sin necesidad de introducir disolvente fresco debido a la evaporación del mismo. Además, al no evaporarse, estos compuestos no suponen un peligro para la salud humana por inhalación; al contrario que otros disolventes como el benceno. El único peligro para la salud que tienen estos compuestos es por tanto el de contacto directo o ingesta, aunque de hecho muchos Líquidos Iónicos son inocuos con lo cual no existe peligro para la salud ni siquiera a través de estas vías. Los procesos de separación estudiados en este trabajo, se rigen por la termodinámica de fases, concretamente el equilibrio líquido-vapor. Para la predicción de los equilibrios se ha optado por el empleo de modelos COSMO (COnductor-like Screening MOdel). Estos modelos tienen su origen en el empleo de la termodinámica de solvatación y en la mecánica cuántica. En el desarrollo de procesos y productos, químicos e ingenieros frecuentemente precisan de la realización de cálculos de predicción de equilibrios de fase. Previamente al desarrollo de los modelos COSMO, se usaban métodos de contribución de grupos como UNIFAC o modelos de coeficientes de actividad como NRTL.La desventaja de estos métodos, es que requieren parámetros de interacción binaria que únicamente pueden obtenerse mediante ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a esto, estos métodos apenas tienen aplicabilidad para compuestos con grupos funcionales novedosos debido a que no se dispone de datos experimentales para llevar a cabo los ajustes por regresión correspondientes. Una alternativa a estos métodos, es el empleo de modelos de solvatación basados en la química cuántica para caracterizar las interacciones moleculares y tener en cuenta la no idealidad de la fase líquida. Los modelos COSMO, permiten la predicción de equilibrios sin la necesidad de ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a la falta de resultados experimentales de equilibrios líquido-vapor de mezclas en las que se ven involucrados los líquidos iónicos, el empleo de modelos COSMO es una buena alternativa para la predicción de equilibrios de mezclas con este tipo de materiales. Los modelos COSMO emplean las distribuciones superficiales de carga polarizada (sigma profiles) de los compuestos involucrados en la mezcla estudiada para la predicción de los coeficientes de actividad de la misma, definiéndose el sigma profile de una molécula como la distribución de probabilidad de densidad de carga superficial de dicha molécula. Dos de estos modelos son COSMO-RS (Realistic Solvation) y COSMO-SAC (Segment Activity Coefficient). El modelo COSMO-RS fue la primera extensión de los modelos de solvatación basados en continuos dieléctricos a la termodinámica de fases líquidas mientras que el modelo COSMO-SAC es una variación de este modelo, tal y como se explicará posteriormente. Concretamente en este trabajo se ha empleado el modelo COSMO-SAC para el cálculo de los coeficientes de actividad de las mezclas estudiadas. Los sigma profiles de los líquidos iónicos se han obtenido mediante el empleo del software de química computacional Turbomole y el paquete químico-cuántico COSMOtherm. El software Turbomole permite optimizar la geometría de la molécula para hallar la configuración más estable mientras que el paquete COSMOtherm permite la obtención del perfil sigma del compuesto mediante el empleo de los datos proporcionados por Turbomole. Por otra parte, los sigma profiles del resto de componentes se han obtenido de la base de datos Virginia Tech-2005 Sigma Profile Database. Para la predicción del equilibrio a partir de los coeficientes de actividad se ha empleado la Ley de Raoult modificada. Se ha supuesto por tanto que la fracción de cada componente en el vapor es proporcional a la fracción del mismo componente en el líquido, dónde la constante de proporcionalidad es el coeficiente de actividad del componente en la mezcla multiplicado por la presión de vapor del componente y dividido por la presión del sistema. Las presiones de vapor de los componentes se han obtenido aplicando la Ley de Antoine. Esta ecuación describe la relación entre la temperatura y la presión de vapor y se deduce a partir de la ecuación de Clausius-Clapeyron. Todos estos datos se han empleado para la modelización de una separación flash usando el algoritmo de Rachford-Rice. El valor de este modelo reside en la deducción de una función que relaciona las constantes de equilibrio, composición total y fracción de vapor. Para llevar a cabo la implementación del modelado matemático descrito, se ha programado un código empleando el software MATLAB de análisis numérico. Para comprobar la fiabilidad del código programado, se compararon los resultados obtenidos en la predicción de equilibrios de mezclas mediante el código con los resultados obtenidos mediante el simulador ASPEN PLUS de procesos químicos. Debido a la falta de datos relativos a líquidos iónicos en la base de datos de ASPEN PLUS, se han introducido estos componentes como pseudocomponentes, de manera que se han introducido únicamente los datos necesarios de estos componentes para realizar las simulaciones. El modelo COSMO-SAC se encuentra implementado en ASPEN PLUS, de manera que introduciendo los sigma profiles, los volúmenes de la cavidad y las presiones de vapor de los líquidos iónicos, es posible predecir equilibrios líquido-vapor en los que se ven implicados este tipo de materiales. De esta manera pueden compararse los resultados obtenidos con ASPEN PLUS y como el código programado en MATLAB y comprobar la fiabilidad del mismo. El objetivo principal del presente Trabajo Fin de Máster es la optimización de mezclas multicomponente de líquidos iónicos para maximizar la eficiencia de procesos de separación y minimizar los costes de los mismos. La estructura de este problema es la de un problema de optimización no lineal con variables discretas y continuas, es decir, un problema de optimización MINLP (Mixed Integer Non-Linear Programming). Tal y como se verá posteriormente, el modelo matemático de este problema es no lineal. Por otra parte, las variables del mismo son tanto continuas como binarias. Las variables continuas se corresponden con las fracciones molares de los líquidos iónicos presentes en las mezclas y con el caudal de la mezcla de líquidos iónicos. Por otra parte, también se ha introducido un número de variables binarias igual al número de líquidos iónicos presentes en la mezcla. Cada una de estas variables multiplican a las fracciones molares de sus correspondientes líquidos iónicos, de manera que cuando dicha variable es igual a 1, el líquido se encuentra en la mezcla mientras que cuando dicha variable es igual a 0, el líquido iónico no se encuentra presente en dicha mezcla. El empleo de este tipo de variables obliga por tanto a emplear algoritmos para la resolución de problemas de optimización MINLP ya que si todas las variables fueran continuas, bastaría con el empleo de algoritmos para la resolución de problemas de optimización NLP (Non-Linear Programming). Se han probado por tanto diversos algoritmos presentes en el paquete OPTI Toolbox de MATLAB para comprobar cuál es el más adecuado para abordar este problema. Finalmente, una vez validado el código programado, se han optimizado diversas mezclas de líquidos iónicos para lograr la máxima recuperación de compuestos aromáticos en un proceso de absorción de mezclas orgánicas. También se ha usado este código para la minimización del coste correspondiente a la compra de los líquidos iónicos de la mezcla de disolventes empleada en la operación de absorción. En este caso ha sido necesaria la introducción de restricciones relativas a la recuperación de aromáticos en la fase líquida o a la pureza de la mezcla obtenida una vez separada la mezcla de líquidos iónicos. Se han modelizado los dos problemas descritos previamente (maximización de la recuperación de Benceno y minimización del coste de operación) empleando tanto únicamente variables continuas (correspondientes a las fracciones o cantidades molares de los líquidos iónicos) como variables continuas y binarias (correspondientes a cada uno de los líquidos iónicos implicados en las mezclas).

Estudio del rendimiento bajo presión en los tiros libres en baloncesto, y su influencia sobre el porcentaje de acierto durante el último minuto de juego

El minuto final de un partido ajustado de baloncesto es un momento crítico que está sujeto a multitud de factores que influyen en su desarrollo. Así, el porcentaje de acierto en los tiros libres durante ese periodo de tiempo va a determinar, en muchas ocasiones, el resultado final del partido. La disminución de rendimiento (drop) en esta faceta de juego en condiciones de presión, puede estar relacionada con múltiples variables propias del contexto deportivo estudiado, como por ejemplo: los segundos restantes de posesión, la situación en el marcador (ir ganando, empatando o perdiendo), la localización del partido (jugar en casa o fuera), la fase de competición (fase regular o eliminatorias) o el nivel del equipo (mejores/peores equipos). Además, las características del jugador que realiza los lanzamientos tienen una gran importancia respecto a su edad y años de experiencia para afrontar los momentos críticos, así como el puesto de juego que ocupa en el equipo. En este sentido, la combinación de factores del contexto y del jugador, permiten interactuar en el rendimiento del lanzador en los momentos finales de partido durante sus lanzamientos de tiro libre. El presente trabajo de tesis doctoral tiene como objetivo encontrar aquellas variables más relacionadas con la disminución de rendimiento del jugador en los tiros libres durante el último minuto de juego, y la última serie de tiros libres en los partidos ajustados de baloncesto. Para alcanzar el objetivo del estudio se analizaron 124 partidos ajustados (diferencias iguales o inferiores a 2 puntos) de todas las competiciones (fase regular, playoff y copa del Rey) de la liga ACB durante las temporadas 2011-2012 a 2014-2015. Para el registro de variables se analizó el porcentaje de acierto en los tiros libres del lanzador en la liga regular, partido completo, último minuto y última serie. De este modo se trató de analizar qué variables del contexto y del jugador permitían explicar el rendimiento en los tiros libres durante el último minuto, y la última serie de tiros libres del partido. Por otro lado, se trató de conocer el grado de asociación entre el descenso del rendimiento (drop) en los momentos finales de partido, y las variables estudiadas del jugador: puesto de juego, edad, y años de experiencia profesional; mientras que las variables situacionales consideradas fueron: fase de competición, localización, clasificación, tiempo restante, y diferencia parcial en el marcador. Para el análisis de los datos se realizaron dos modelos estadísticos: 1º) un modelo de regresión lineal múltiple para conocer el efecto de las variables independientes en el porcentaje de aciertos del lanzador en el último minuto, y en la última serie de tiros libres del partido; y 2º) un análisis de regresión logística binomial para analizar la relación existente entre la probabilidad de tener un drop (disminución del rendimiento) y las características del lanzador, y las variables situacionales. Los resultados del modelo de regresión lineal múltiple mostraron efectos negativos significativos en el porcentaje de acierto en los tiros libres durante el último minuto, cuando los lanzadores son los pívots (-19,45%). Por otro lado, los resultados durante la última serie mostraron el efecto negativo significativo sobre la posición de pívot (- 19,30%) y la diferencia parcial en el marcador (-3,33%, para cada punto de diferencia en el marcador) en el porcentaje de acierto en los tiros libres. Las variables independientes edad, experiencia profesional, clasificación en la liga regular, fase de competición, localización, y tiempo restante, no revelaron efectos significativos en los modelos de regresión lineal. Los resultados de la regresión logística binomial revelaron que las variables experiencia profesional entre 13 y 18 años (OR = 4,63), jugar de alero (OR = 23,01), y jugar de base (OR = 10,68) están relacionadas con una baja probabilidad de disminuir el rendimiento durante el último minuto del partido; mientras que ir ganando, aumenta esta probabilidad (OR = 0,06). Además, los resultados de la última serie mostraron una menor disminución del rendimiento del jugador cuando tiene entre 13 y 18 años de experiencia (OR = 4,28), y juega de alero (OR = 8,06) o base (OR = 6,34). Por el contrario, las variables situacionales relacionadas con esa disminución del rendimiento del jugador son las fases eliminatorias (OR = 0,22) e ir ganando (OR = 0,04). Los resultados principales del estudio mostraron que existe una disminución del rendimiento del jugador en su porcentaje de acierto en los tiros libres durante el último minuto y en la última serie de lanzamientos del partido, y que está relacionada significativamente con la edad, experiencia profesional, puesto de juego del jugador, y diferencia parcial en el marcador. Encontrando relación también con la fase de competición, durante la última serie de tiros libres del partido. Esta información supone una valiosa información para el entrenador, y su aplicación en el ámbito competitivo real. En este sentido, la creación de simulaciones en el apartado de aplicaciones prácticas, permite predecir el porcentaje de acierto en los tiros libres de un jugador durante los momentos de mayor presión del partido, en base a su perfil de rendimiento. Lo que puede servir para realizar una toma de decisiones más idónea, con el objetivo de lograr el mejor resultado. Del mismo modo, orienta el tipo de proceso de entrenamiento que se ha de seguir, en relación a los jugadores más tendentes al drop, con el objetivo de minimizar el efecto de la presión sobre su capacidad para rendir adecuadamente en la ejecución de los tiros libres, y lograr de esta manera un rendimiento más homogéneo en todos los jugadores del equipo en esta faceta del juego, durante el momento crítico del final de partido. ABSTRACT. The final minute of a close game in basketball is a critical moment which is subject to many factors that influence its development. Thus, the success rate in free-throws during that period will determine, in many cases, the outcome of the game. Decrease of performance (drop) in this facet of play under pressure conditions, may be related to studied own multiple sports context variables, such as the remaining seconds of possession, the situation in the score (to be winning, drawing, or losing) the location of the match (playing at home or away), the competition phase (regular season or playoffs) or team level (best/worst teams). In addition, the characteristics of the player are very important related to his age and years of experience to face the critical moments, as well as his playing position into team. In this sense, the combination of factors in context and player, allows interact about performance of shooter in the final moments of the game during his free-throw shooting. The aim of this present doctoral thesis was find the most related variables to player´s drop in free throws in the last minute of the game and the last row of free-throws in closed games of basketball. To achieve the objective of the study, 124 closed games (less or equal than 2 points difference) were analyzed in every copetition in ACB league (regular season, playoff and cup) from 2011-2012 to 2014-2015 seasons. To record the variables, the percentage of success of the shooter in regular season, full game, last minute, and last row were analyzed. This way, it is tried to analyze which player and context variables explain the free-throw performance in last minute and last row of the game. On the other hand, it is tried to determine the degree of association between decrease of performance (drop) of the player in the final moments, and studied player variables: playing position, age, and years of professional experience; while considered situational variables considered were: competition phase, location, classification, remaining time, and score-line. For data analysis were performed two statistical models: 1) A multiple linear regression model to determine the effect of the independent variables in the succsess percentage of shooter at the last minute, and in the last row of free-throws in the game; and 2) A binomial logistic regression analysis to analyze the relationship between the probability of a drop (lower performance) and the characteristics of the shooter and situational variables. The results of multiple linear regression model showed significant negative effects on the free-throw percentage during last minute, when shooters are centers (-19.45%). On the other hand, results in the last series showed the significant negative effect on the center position (-19.30%) and score-line (-3.33% for each point difference in the score) in the free-throw percentage. The independent variables age, professional experience, ranking in the regular season, competition phase, location, and remaining time, revealed no significant effects on linear regression models. The results of the binomial logistic regression showed that the variables professional experience between 13 and 18 years (OR = 4.63), playing forward (OR = 23.01) and playing guard (OR = 10.68) are related to reduce the probability to decrease the performance during the last minute of the game. While wining, increases it (OR = 0.06). Furthermore, the results of the last row showed a reduction in performance degradation when player is between 13 and 18 years of experience (OR = 4.28), and playing forward (OR = 8.06) or guard (OR = 6.34). By contrast, the variables related to the decrease in performance of the player are the knockout phases (OR = 0.22) and wining (OR = 0.04). The main results of the study showed that there is a decrease in performance of the player in the percentage of success in free-throws in the last minute and last row of the game, and it is significantly associated with age, professional experience, and player position. Finding relationship with the competition phase, during last row of free-throws of the game too. This information is a valuable information for the coach, for applying in real competitive environment. In this sense, create simulations in the section of practical applications allows to predict the success rate of free-throw of a player during the most pressing moments of the game, based on their performance profile. What can be used to take more appropriate decisions in order to achieve the best result. Similarly, guides the type of training process must be followed in relation to the most favorable players to drop, in order to minimize the effect of pressure on their ability to perform properly in the execution of the free-throws. And to achieve, in this way, a more consistent performance in all team players in this facet of the game, during the critical moment in the final of the game.

Applications of Formal Languages to Management of Manned and Unmanned Aircraft

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

Programa Bolsa Família na coorte de nascimentos de Pelotas, 2004: focalização e impactos no IMC/Idade, obesidade e composição corporal de crianças

Introdução: O Programa Bolsa Família é a principal estratégia brasileira para amenizar a pobreza e vulnerabilidade social, com diferentes impactos na vida dos beneficiários. O aumento da renda, em função do benefício, poderia trazer resultados positivos na alimentação, uma vez que possibilitam uma maior diversidade da dieta. Porém, poderia trazer resultados negativos como a ingestão excessiva de energia e consequente aumento da adiposidade. As avaliações dos impactos do programa em termos de obesidade e massa gorda de crianças são inexistentes. Objetivo: Avaliar o impacto do Programa Bolsa Família no estado nutricional (IMC/idade) e na composição corporal aos 6 anos de idade entre as crianças da Coorte de Nascimentos de Pelotas (RS), 2004. Métodos: Os dados foram provenientes da integração dos bancos da Coorte de Nascimentos de Pelotas de 2004 e do Cadastro Único do Governo Federal. Foi realizada análise descritiva da cobertura e focalização do programa, com informações do nascimento e dos 6 anos de idade (n=4231). Considerou-se focalização o percentual de elegíveis entre o total de beneficiários e cobertura o percentual de famílias elegíveis que são beneficiárias do programa. Nos modelos de impacto (n=3446), as exposições principais foram o recebimento do benefício: beneficiário em 2010, no período de 2004-2010; o valor médio mensal recebido e o tempo de recebimento. Foram gerados modelos de regressão linear para os desfechos score-Z do índice de massa corporal por idade (IMC/I), percentual e índice de massa gorda (IMG), e percentual e índice de massa livre de gordura (IMLG); e de Poisson, com ajuste robusto, para o desfecho obesidade (score-Z IMC/I 2), todos estratificados por sexo. As informações antropométricas e de composição corporal (BOD POD) foram obtidas do acompanhamento aos 6-7 anos de idade. Potenciais fatores de confusão foram identificados por modelo hierárquico e por um diagrama causal (DAG). Para analisar os impactos foram usadas como medidas de efeito a diferença de médias na regressão linear múltipla (IMC/I, por cento MG, IMG, por cento MLG e IMLG, variáveis contínuas) e a razão de prevalência (obesidade, variável binária). Para permanecer no modelo, considerou-se valor p0,20. A análise dos dados foi realizada por meio do software STATA. Resultados: Entre 2004-2010, a proporção de famílias beneficiárias na coorte aumentou (11 por cento para 34 por cento ) enquanto, de acordo com a renda familiar, a proporção de famílias elegíveis diminui (29 por cento para 16 por cento ). No mesmo período, a cobertura do programa aumentou tanto pela renda familiar quanto pelo IEN. Já a focalização caiu de 78 por cento para 32 por cento de acordo com a renda familiar e, de acordo com o IEN, manteve-se em 37 por cento . A média (não ajustada) de IMC e de MG dos não beneficiários foi superior a dos não beneficiários tanto em meninos quanto em meninas. Meninos do 3º tercil de valor per capita recebido e meninas com menos de 7 meses de benefício em 2010 tiveram IMC maior do que, respectivamente, aqueles dos demais tercis e daquelas com mais de 7 meses de benefício em 2010; esse padrão foi semelhante para obesidade. Meninas não beneficiárias tiveram MG maior do que as beneficiárias e superior também aos meninos, independente de ser beneficiário ou não. Em relação à MLG observou-se um comportamento contrário, no qual meninas beneficiárias tiveram maior MLG, quando comparadas com meninas não beneficiárias e, meninos quando comparados com meninas. Nos modelos de regressão ajustados, não houve diferença significativa entre beneficiários e não beneficiários em nenhum desfecho. Conclusões: De acordo com os resultados, as famílias que receberam maiores valores per capita parecem incluir crianças com maior média de IMC. O programa, nessa análise, parece não ter impacto sobre a composição corporal das crianças, nem em termos de massa gorda, tampouco em termos de massa livre de gordura.

Análise genética da produção in vitro de embriões em bovinos Guzerá

O objetivo dessa pesquisa foi avaliar aspectos genéticos que relacionados à produção in vitro de embriões na raça Guzerá. O primeiro estudo focou na estimação de (co) variâncias genéticas e fenotípicas em características relacionadas a produção de embriões e na detecção de possível associação com a idade ao primeiro parto (AFC). Foi detectada baixa e média herdabilidade para características relacionadas à produção de oócitos e embriões. Houve fraca associação genética entre características ligadas a reprodução artificial e a idade ao primeiro parto. O segundo estudo avaliou tendências genéticas e de endogamia em uma população Guzerá no Brasil. Doadoras e embriões produzidos in vitro foram considerados como duas subpopulações de forma a realizar comparações acerca das diferenças de variação anual genética e do coeficiente de endogamia. A tendência anual do coeficiente de endogamia (F) foi superior para a população geral, sendo detectado efeito quadrático. No entanto, a média de F para a sub- população de embriões foi maior do que na população geral e das doadoras. Foi observado ganho genético anual superior para a idade ao primeiro parto e para a produção de leite (305 dias) entre embriões produzidos in vitro do que entre doadoras ou entre a população geral. O terceiro estudo examinou os efeitos do coeficiente de endogamia da doadora, do reprodutor (usado na fertilização in vitro) e dos embriões sobre resultados de produção in vitro de embriões na raça Guzerá. Foi detectado efeito da endogamia da doadora e dos embriões sobre as características estudadas. O quarto (e último) estudo foi elaborado para comparar a adequação de modelos mistos lineares e generalizados sob método de Máxima Verossimilhança Restrita (REML) e sua adequação a variáveis discretas. Quatro modelos hierárquicos assumindo diferentes distribuições para dados de contagem encontrados no banco. Inferência foi realizada com base em diagnósticos de resíduo e comparação de razões entre componentes de variância para os modelos em cada variável. Modelos Poisson superaram tanto o modelo linear (com e sem transformação da variável) quanto binomial negativo à qualidade do ajuste e capacidade preditiva, apesar de claras diferenças observadas na distribuição das variáveis. Entre os modelos testados, a pior qualidade de ajuste foi obtida para o modelo linear mediante transformação logarítmica (Log10 X +1) da variável resposta.

Efeito dos ácidos graxos ômega-3, ômega-6 e ômega-9 sobre o risco cardiovascular de indivíduos adultos: estudo clínico de prevenção primária.

INTRODUÇÃO: As doenças cardiovasculares (DCV) são a principal causa de morte no mundo, sendo muitos dos fatores de risco passíveis de prevenção e controle. Embora as DCV sejam complexas em sua etiologia e desenvolvimento, a concentração elevada de LDL-c e baixa de HDL-c constituem os fatores de risco modificáveis mais monitorados na prática clínica, embora não sejam capazes de explicar todos os eventos cardiovasculares. Portanto, investigar como intervenções farmacológicas e nutricionais podem modular parâmetros oxidativos, físicos e estruturais das lipoproteínas pode fornecer estimativa adicional ao risco cardiovascular. Dentre os diversos nutrientes e compostos bioativos relacionados às DCV, os lipídeos representam os mais investigados e descritos na literatura. Nesse contexto, os ácidos graxos insaturados (ômega-3, ômega-6 e ômega-9) têm sido foco de inúmeros estudos. OBJETIVOS: Avaliar o efeito da suplementação com ômega-3, ômega-6 e ômega-9 sobre os parâmetros cardiometabólicos em indivíduos adultos com múltiplos fatores de risco e sem evento cardiovascular prévio. MATERIAL E MÉTODOS: Estudo clínico, randomizado, duplo-cego, baseado em intervenção nutricional (3,0 g/dia de ácidos graxos) sob a fórmula de cápsulas contendo: ômega-3 (37 por cento de EPA e 23 por cento de DHA) ou ômega-6 (65 por cento de ácido linoleico) ou ômega-9 (72 por cento de ácido oleico). A amostra foi composta por indivíduos de ambos os sexos, com idade entre 30 e 74 anos, apresentando pelo menos um dos seguintes fatores de risco: Dislipidemia, Diabetes Mellitus, Obesidade e Hipertensão Arterial Sistêmica. Após aprovação do Comitê de Ética, os indivíduos foram distribuídos nos três grupos de intervenção. No momento basal, os indivíduos foram caracterizados quanto aos aspectos demográficos (sexo, idade e etnia) e clínicos (medicamentos, doenças atuais e antecedentes familiares). Nos momentos basal e após 8 semanas de intervenção, amostras de sangue foram coletadas após 12h de jejum. A partir do plasma foram analisados: perfil lipídico (CT, LDL-c, HDL-c, TG), apolipoproteínas AI e B, ácidos graxos não esterificados, atividade da PON1, LDL(-) e auto-anticorpos, ácidos graxos, glicose, insulina, tamanho e distribuição percentual da LDL (7 subfrações e fenótipo A e não-A) e HDL (10 subfrações). O efeito do tempo, da intervenção e associações entre os ácidos graxos e aspectos qualitativos das lipoproteínas foram testados (SPSS versão 20.0, p <0,05). RESULTADOS: Uma primeira análise dos resultados baseada em um corte transversal demonstrou, por meio da análise de tendência linear ajustada pelo nível de risco cardiovascular, que o maior tercil plasmático de DHA se associou positivamente com HDL-c, HDLGRANDE e tamanho de LDL e negativamente com HDLPEQUENA e TG. Observou-se também que o maior tercil plasmático de ácido linoleico se associou positivamente com HDLGRANDE e tamanho de LDL e negativamente com HDLPEQUENA e TG. Esse perfil de associação não foi observado quando foram avaliados os parâmetros dietéticos. Avaliando uma subamostra que incluiu indivíduos tabagistas suplementados com ômega-6 e ômega-3, observou-se que ômega-3 modificou positivamente o perfil lipídico e as subfrações da HDL. Nos modelos de regressão linear ajustados pela idade, sexo e hipertensão, o DHA plasmático apresentou associações negativas com a HDLPEQUENA. Quando se avaliou exclusivamente o efeito do ômega-3 em indivíduos tabagistas e não tabagistas, observou-se que fumantes, do sexo masculino, acima de 60 anos de idade, apresentando baixo percentual plasmático de EPA e DHA (<8 por cento ), com excesso de peso e gordura corporal elevada, apresentam maior probabilidade de ter um perfil de subfrações de HDL mais aterogênicas. Tendo por base os resultados acima, foi comparado o efeito do ômega-3, ômega-6 e ômega-9 sobre os parâmetros cardiometabólicos. O ômega-3 promoveu redução no TG, aumento do percentual de HDLGRANDE e redução de HDLPEQUENA. O papel cardioprotetor do ômega-3 foi reforçado pelo aumento na incorporação de EPA e DHA, no qual indivíduos com EPA e DHA acima de 8 por cento apresentaram maior probabilidade de ter HDLGRANDE e menor de ter HDLPEQUENA. Em adição, observou-se também que o elevado percentual plasmático de ômega-9 se associou com partículas de LDL menos aterogênicas (fenótipo A). CONCLUSÃO: Ácidos graxos plasmáticos, mas não dietéticos, se correlacionam com parâmetros cardiometabólicos. A suplementação com ômega-3, presente no óleo de peixe, promoveu redução no TG e melhoria nos parâmetros qualitativos da HDL (mais HDLGRANDE e menos HDLPEQUENA). Os benefícios do ômega-3 foram particularmente relevantes nos indivíduos tabagistas e naqueles com menor conteúdo basal de EPA e DHA plasmáticos. Observou-se ainda que o ômega-9 plasmático, presente no azeite de oliva, exerceu impacto positivo no tamanho e subfrações da LDL.

Impactos de regulações ambientais sobre o transporte de cargas no Brasil: uma análise para o transporte de soja

O aumento da concentração de gases de efeito estufa na atmosfera levou a uma preocupação de como se reduzir as emissões destes gases. Desta preocupação surgiram instrumentos de regulação a fim de reduzir ou controlar os níveis de poluição. Dentro deste contexto, esta pesquisa analisou o setor de transportes de cargas, com ênfase no transporte de soja. No Brasil, o setor de transportes é um dos principais responsáveis pelas emissões de gases de efeito estufa provenientes da queima de combustíveis fósseis. No setor de transportes, as emissões diferem entre os modais, sendo que as ferrovias e hidrovias poluem menos que as rodovias. Desta forma, simulou-se por meio de um modelo de programação linear se a adoção de medidas regulatórias sobre as emissões de CO2 traria uma alteração no uso das ferrovias e hidrovias. Uma das constatações, ao se utilizar o modelo de Minimização de Fluxo de Custo Mínimo para o transporte de soja em 2013, foi que a capacidade de embarque nos terminais ferroviários e hidroviários desempenha um papel fundamental na redução das emissões de CO2. Se não houver capacidade suficiente, a adoção de uma taxa pode não provocar a redução das emissões. No caso do sistema de compra e crédito de carbono, seria necessária a compra de créditos de carbono, numa situação em que a capacidade de embarque nos terminais intermodais seja limitada. Verificou-se, ainda, que melhorias na infraestrutura podem desempenhar um papel mitigador das emissões. Um aumento da capacidade dos terminais ferroviários e hidroviários existentes, bem como o aumento da capacidade dos portos, pode provocar a redução das emissões de CO2. Se os projetos de expansão das ferrovias e hidrovias desenvolvidos por órgãos governamentais saírem do papel, pode-se chegar a uma redução de pouco mais de 50% das emissões de CO2. Consideraram-se ainda quais seriam os efeitos do aumento do uso de biodiesel como combustível e percebeu-se que seria possível obter reduções tanto das emissões quanto do custo de transporte. Efeitos semelhantes foram encontrados quando se simulou um aumento da eficiência energética. Por fim, percebeu-se nesta pesquisa que a adoção de uma taxa não traria tantos benefícios, econômicos e ambientais, quanto a melhoria da infraestrutura logística do país.

Optimización (curso 2011-2012)

Material docente de la asignatura «Simulación y Optimización de procesos químicos». Parte de Optimización OPTIMIZACIÓN TEMA 6. Conceptos Básicos 6.1 Introducción. Desarrollo histórico de la optimización de procesos. 6.2 Funciones y regiones cóncavas y convexas. 6.3 Optimización sin restricciones. 6.4 Optimización con restricciones de igualdad y desigualdad. Condiciones de optimalidad de Karush Khun Tucker 6.5 Interpretación de los Multiplicadores de Lagrange. TEMA 7. Programación lineal 7.1 Introducción. Planteamiento del problema en forma canónica y forma estándar. 7.2 Teoremas de la programación lineal 7.3 Resolución gráfica 7.4 Resolución en forma de tabla. El método simplex. 7.5 Variables artificiales. Método de la Gran M y método de las dos fases. 7.6 Conceptos básicos de dualidad. TEMA 8. Programación no lineal 8.1 Repaso de métodos numéricos de optimización sin restricciones 8.2 Optimización con restricciones. Fundamento de los métodos de programación cuadrática sucesiva y de gradiente reducido. TEMA 9. Introducción a la programación lineal y no lineal con variables discretas. 9.1 Conceptos básicos para la resolución de problemas lineales con variables discretas.(MILP, mixed integer linear programming) 9.2 Introducción a la programación no lineal con variables continuas y discretas (MINLP mixed integer non linear programming) 9.3 Modelado de problemas con variables binarias: 9.3.1 Conceptos básicos de álgebra de Boole 9.3.2 Transformación de expresiones lógicas a expresiones algebraicas 9.3.3 Modelado con variables discretas y continuas. Formulación de envolvente convexa y de la gran M.

Combined simulation-optimization methodology for the design of environmental conscious absorption systems

This work addresses the optimization of ammonia–water absorption cycles for cooling and refrigeration applications with economic and environmental concerns. Our approach combines the capabilities of process simulation, multi-objective optimization (MOO), cost analysis and life cycle assessment (LCA). The optimization task is posed in mathematical terms as a multi-objective mixed-integer nonlinear program (moMINLP) that seeks to minimize the total annualized cost and environmental impact of the cycle. This moMINLP is solved by an outer-approximation strategy that iterates between primal nonlinear programming (NLP) subproblems with fixed binaries and a tailored mixed-integer linear programming (MILP) model. The capabilities of our approach are illustrated through its application to an ammonia–water absorption cycle used in cooling and refrigeration applications.

Hybrid simulation-optimization based approach for the optimal design of single-product biotechnological processes

In this work, we present a systematic method for the optimal development of bioprocesses that relies on the combined use of simulation packages and optimization tools. One of the main advantages of our method is that it allows for the simultaneous optimization of all the individual components of a bioprocess, including the main upstream and downstream units. The design task is mathematically formulated as a mixed-integer dynamic optimization (MIDO) problem, which is solved by a decomposition method that iterates between primal and master sub-problems. The primal dynamic optimization problem optimizes the operating conditions, bioreactor kinetics and equipment sizes, whereas the master levels entails the solution of a tailored mixed-integer linear programming (MILP) model that decides on the values of the integer variables (i.e., number of equipments in parallel and topological decisions). The dynamic optimization primal sub-problems are solved via a sequential approach that integrates the process simulator SuperPro Designer® with an external NLP solver implemented in Matlab®. The capabilities of the proposed methodology are illustrated through its application to a typical fermentation process and to the production of the amino acid L-lysine.

Multi-objective optimization of environmentally conscious chemical supply chains under demand uncertainty

In this work, we analyze the effect of demand uncertainty on the multi-objective optimization of chemical supply chains (SC) considering simultaneously their economic and environmental performance. To this end, we present a stochastic multi-scenario mixed-integer linear program (MILP) with the unique feature of incorporating explicitly the demand uncertainty using scenarios with given probability of occurrence. The environmental performance is quantified following life cycle assessment (LCA) principles, which are represented in the model formulation through standard algebraic equations. The capabilities of our approach are illustrated through a case study. We show that the stochastic solution improves the economic performance of the SC in comparison with the deterministic one at any level of the environmental impact.

Rigorous Design of Complex Distillation Columns Using Process Simulators and the Particle Swarm Optimization Algorithm

We present a derivative-free optimization algorithm coupled with a chemical process simulator for the optimal design of individual and complex distillation processes using a rigorous tray-by-tray model. The proposed approach serves as an alternative tool to the various models based on nonlinear programming (NLP) or mixed-integer nonlinear programming (MINLP) . This is accomplished by combining the advantages of using a commercial process simulator (Aspen Hysys), including especially suited numerical methods developed for the convergence of distillation columns, with the benefits of the particle swarm optimization (PSO) metaheuristic algorithm, which does not require gradient information and has the ability to escape from local optima. Our method inherits the superstructure developed in Yeomans, H.; Grossmann, I. E.Optimal design of complex distillation columns using rigorous tray-by-tray disjunctive programming models. Ind. Eng. Chem. Res.2000, 39 (11), 4326–4335, in which the nonexisting trays are considered as simple bypasses of liquid and vapor flows. The implemented tool provides the optimal configuration of distillation column systems, which includes continuous and discrete variables, through the minimization of the total annual cost (TAC). The robustness and flexibility of the method is proven through the successful design and synthesis of three distillation systems of increasing complexity.

Handling of Uncertainty in Life Cycle Inventory by Correlated Multivariate Lognormal Distributions: Application to the Design of Supply Chain Networks

Poster presented in the 24th European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE 24), Budapest, Hungary, June 15-18, 2014.

Handling of Uncertainty in Life Cycle Inventory by Correlated Multivariate Lognormal Distributions: Application to the Design of Supply Chain Networks

In this work, we analyze the effect of incorporating life cycle inventory (LCI) uncertainty on the multi-objective optimization of chemical supply chains (SC) considering simultaneously their economic and environmental performance. To this end, we present a stochastic multi-scenario mixed-integer linear programming (MILP) coupled with a two-step transformation scenario generation algorithm with the unique feature of providing scenarios where the LCI random variables are correlated and each one of them has the desired lognormal marginal distribution. The environmental performance is quantified following life cycle assessment (LCA) principles, which are represented in the model formulation through standard algebraic equations. The capabilities of our approach are illustrated through a case study of a petrochemical supply chain. We show that the stochastic solution improves the economic performance of the SC in comparison with the deterministic one at any level of the environmental impact, and moreover the correlation among environmental burdens provides more realistic scenarios for the decision making process.

Isobutane Alkylation Process Synthesis by means of Hybrid Simulation-Multiobjective Optimization

Multiobjective Generalized Disjunctive Programming (MO-GDP) optimization has been used for the synthesis of an important industrial process, isobutane alkylation. The two objective functions to be simultaneously optimized are the environmental impact, determined by means of LCA (Life Cycle Assessment), and the economic potential of the process. The main reason for including the minimization of the environmental impact in the optimization process is the widespread environmental concern by the general public. For the resolution of the problem we employed a hybrid simulation- optimization methodology, i.e., the superstructure of the process was developed directly in a chemical process simulator connected to a state of the art optimizer. The model was formulated as a GDP and solved using a logic algorithm that avoids the reformulation as MINLP -Mixed Integer Non Linear Programming-. Our research gave us Pareto curves compounded by three different configurations where the LCA has been assessed by two different parameters: global warming potential and ecoindicator-99.