Desarrollo de un Marco Tecnocultural para una SocioTecnología de la Información y Cultura, con aplicación en el ámbito de la Educación Superior para la formación de infoprofesionales.

La intensa relación de las infotecnologías con el ámbito educativo no es algo nuevo. Ha ido pasando por diferentes etapas marcadas por uno u otro modelo para el proceso de enseñanza-aprendizaje: tele-enseñanza o educación a distancia, Computer-Based Learning (CBL), E-Learning, Blended Learning o B-Learning son algunos de ellos. En cada caso se han incorporando diferentes tecnologías, desde las cintas magnéticas de audio y vídeo hasta los portátiles, las tabletas y las pizarras electrónicas, pasando por la vídeoconferencia o la mensajería instantánea. Hoy hablamos de E-Learning 2.0 (Downes, 2005) y Technology-Enhanced Learning (TEL). Todos esos modelos y sus metáforas asociadas han ido integrando, además de las diferentes capacidades tecnologías disponibles, distintas teorías pedagógicas, empezando por las tradicionalmente conocidas en la literatura del ámbito de la psicología educativa: el conductismo, el constructivismo o el constructivismo social. En la tabla 1 puede encontrar el lector esa asociación sintética, conjeturando con la definición de los roles de enseñante y aprendiz en cada modelo. Los cambios de “paradigma” –que habitualmente obvian la naturaleza original de este término para generalizarlo de forma poco rigurosa- anunciados y demandados en el ámbito educativo durante décadas se articulaban en (Barr y Tagg, 1995) alrededor de elementos como la misión y los objetivos de las instituciones educativas, la estructuración de los procesos educativos, su coste y productividad, los roles de los diferentes actores involucrados, la definición teórica del proceso de enseñanza-aprendizaje o las métricas de tal proceso. Downes (2005) lo resume de forma muy sintética con la siguiente afirmación (la traducción es mía): “el modelo de E-Learning que lo define en términos de unos contenidos, producidos por los editores, organizados y estructurados en cursos y consumidos por los estudiantes, se está dando la vuelta. En lo que se refiere al contenido, es mucho más probable que sea usado antes que “leído” y, en cualquier caso, es mucho más probable que sea producido por los propios estudiantes que por los autores especializados en la producción de cursos. En lo que se refiere a la estructura, es más probable que se parezca más a un idioma o una conversación que a un manual o libro de texto”. La irrupción en la escena tecnológica de la Web 2.0 como fenómeno social, sociotécnico en los términos de (Fumero, Roca y Sáez Vacas, 2007), ha hecho que se recuperen antiguas ambiciones teóricas asociadas a algunas de aquellas teorías clásicas, especialmente las que tienen que ver con el constructivismo cognitivo de J. Piaget (1964) y el constructivismo social de L. Vygotsky (1978). Esas teorías, enriquecidas con apuestas más atrevidas como el “conectivismo” (Siemens, 2004), han dado lugar al relanzamiento de modelos pedagógicos como el aprendizaje auto-gestionado o auto-dirigido, con sus matices de formulación (Self-Managed vs. Self-Directed Learning) que se han ido complementando a lo largo del tiempo con modelos de intervención asistidos, basados en un proceso de “andamiaje” o ‘scaffolding’ (véase en el capítulo 3, bajo el epígrafe “Psicología educativa para ingenieros”). Hoy podemos ver cómo, mientras se empieza a consolidar la reorganización del escenario institucional de la Educación Superior en Europa, tras el agotamiento de todos los plazos y las prórrogas contempladas por el acuerdo de Bolonia para su implementación –véase, por ejemplo, (Ortega, 2005) y su reflexión acerca de los “ingenieros creativos” en relación con esta reforma- se ha vuelto a plantear la implantación de procesos educativos basados en el aprendizaje informal (frente al formal y dando lugar a la definición del aprendizaje “no formal”), procesos que realmente se implementan como experiencias de aprendizaje mutuo (peer learning), en comunidad y ayudados por unas infotecnologías que, a pesar de su característica “cotidianeidad” (véase en el Prontuario el epígrafe “Tecnologías para la VIda Cotidiana”) siguen arrastrando el atributo de “educativas”. Evidentemente, la “tecnificación” de las instituciones de enseñanza superior ha ido consolidando algunos elementos tecnológicos que hoy son estándares de facto, como por ejemplo los sistemas integrados de gestión conocidos por sus siglas anglosajonas, LMS (Learning Management Systems). Los enormes esfuerzos, organizativos y técnicos, de integración que se han ido desarrollando en ese sentido –véase por ejemplo en (Aguirre, 2012)- han permanecido un tanto insensibles al desarrollo paralelo que, animados por la proliferación de herramientas más ricas y accesibles, llevaban a cabo los usuarios (profesores y alumnos; enseñantes y aprendices) que, manteniendo algún tipo de relación con una de esas instituciones (véase el escenario a que dan lugar en la figura 4) hacían un uso creativo de las tecnologías que la Red ponía a su alcance. En el escenario actual –aun predominando la excitación tecnológica- han acabado encontrándose ambas corrientes, generando un nuevo espacio de incertidumbre (léase de oportunidades) en el que se encuentran las soluciones establecidas, en forma de LMS, con las primeras formulaciones de esas combinaciones creativas de herramientas, metodologías y modelos, también conocidos como entornos personales de aprendizaje (Personal Learning Environments, PLE), que han revitalizado otras propuestas tecnológicas, como los e-Portfolios, o pedagógicas, como los contratos de aprendizaje (véase su aplicación en el caso de estudio del proyecto iCamp, en el capítulo 4). Es en ese escenario y desde una perspectiva interdisciplinar, híbrida, mestiza y conciliadora, donde tiene sentido plantear, como objeto de un trabajo de investigación consistente, la consolidación de un modelo que nos ayude a contextualizar la situación de cambio infotecnológico, organizativo y social a la que nos enfrentamos y que nos guíe en su instrumentalización para afrontar “situaciones de complejidad” similares que, sin duda, tendremos que abordar en el medio plazo. Esto me lleva a contemplar el problema desde una perspectiva suficientemente amplia, pero con un foco bien definido sobre los procesos educativos –de enseñanza y aprendizaje- en el ámbito de la Educación Superior y, específicamente, en lo referente a la formación de los infoprofesionales. Un escenario en el que se dan cita necesariamente la Tecnología Educativa y la Web 2.0 como fenómeno sociotécnico y que me llevan al análisis de modelos de intervención basados en lo que se conoce como “software social” –en sentido amplio, considerando herramientas, tecnologías y metodologías-, ensayados en ese ámbito extendido a la capacitación y la formación profesionales. Se establece, por tanto, como escenario del trabajo de investigación –y ámbito para el diseño de aquellas intervenciones- el de las organizaciones educativas, aplicando la definición sintética que recoge el propio Fernando Sáez Vacas (FSV) de la reingeniería de procesos (la negrita y las anotaciones, entre paréntesis, son mías), “que consiste en reinventar la forma de desarrollar las operaciones de la empresa (institución educativa, universitaria por ejemplo), partiendo de nuevos enfoques muy orientados a las necesidades de los clientes (los aprendices o estudiantes), con rotura de las tradicionales formas organizativas verticales y del desempeño humano y un uso masivo de las modernas tecnologías de la información y de la comunicación”; y que se aplicarán de acuerdo con la integración de los elementos metodológicos y conceptuales, que conformarán las bases de una SocioTecnología de la Información y Cultura (STIC) y que hunden sus raíces en la complejidad y la sistémica (véase en el Prontuario). El objetivo genérico que se planteaba en la propuesta original de tesis doctoral era ambicioso: “desarrollar y potenciar las bases de un ‘movimiento’ de I+D+i (+d) –con “d” minúscula de difusión, divulgación, diseminación-, sobre socioinfotecnocultura enfocado en el contexto de este trabajo específicamente en su difusión educativa y principalmente en el ámbito de la Educación Superior” y para la formación de los infoprofesionales. El objetivo específico del mismo era el de “diseñar un (conjunto) instrumental cognitivo básico, aunque relativamente complejo y denso en su formulación, para los infoprofesionales, considerados como agentes activos de la infotecnología con visión y aplicación social”. La tesis de partida es que existe –en palabras de FSV- la necesidad “de desarrollar educativamente los conocimientos y modelos socioinfotecnoculturales para nutrir una actitud en principio favorable a los progresos infotecnológicos, pero encauzada por una mentalidad “abierta, positiva, crítica, activa y responsable” y orientar con la mayor profundidad posible a los infoprofesionales y, en un grado razonable, a los infociudadanos hacia usos positivos desde puntos de vista humanos y sociales”. Justificar, documentar y caracterizar esa necesidad latente –y en muchos aspectos patente en el actual escenario educativo- será parte importante del trabajo; así como elaborar los elementos necesarios que ofrezcan coherencia y consistencia suficientes al marco conceptual de esa nueva “socioinfotecnocultura” que en la formulación adoptada aquí será el marco tecnocultural básico de una SocioTecnología de la Información y Cultura (STIC), debiendo integrar esos elementos en el proceso educativo de enseñanza-aprendizaje de tal manera que puedan ser objeto de diseño y experimentación, particularizándolo sobre los infoprofesionales en primera instancia, aunque dentro de un proyecto amplio para el desarrollo y promoción social de una STIC. Mi planteamiento aquí, si bien incorpora elementos y modelos considerados previamente en algunos de mis trabajos de análisis, investigación, experimentación y diseminación realizados a lo largo del periodo de formación –modelos de intervención desarrollados en el proyecto iCamp, ampliamente documentados en (Fiedler, 2006) o (Fiedler y Kieslinger, 2007) y comentados en el capítulo 4-, en gran parte, por simple coherencia, estará constituido por elementos propios y/o adaptados de FSV que constituirán el marco tecnocultural de una teoría general de la STIC, que está en la base de este planteamiento. La asimilación en términos educativos de ese marco tecnocultural supondrá un esfuerzo considerable de reingeniería y se apoyará en el circuito cognitivo individual ampliado de “información-esfuerzo-conocimiento-esfuerzo-acción” que se recoge en el Prontuario (figura 34) y que parte de (Sáez Vacas, 1991a). La mejor forma de visualizar la formulación de ese proceso educativo es ponerlo en los términos del modelo OITP (Organización, Individuos, Tecnologías y Procesos) tal y como se ilustra en el Prontuario (figura 25) y que se puede encontrar descrito brevemente por su autor en (Sáez Vacas, 1995), de la misma forma que se planteaba la experiencia INTL 2.0 en (Sáez Vacas, Fumero et al., 2007) y que es objeto de análisis en el capítulo 5. En este caso, el plano que atraviesa el Proceso (educativo) será el marco tecnocultural de nuestra STIC; la Organización será, en genérico, el ámbito institucional de la Educación Superior y, en concreto, el dedicado a la formación de los infoprofesionales –entendidos en el sentido amplio que se planteaba en (Sáez Vacas, 1983b)-, que serán los Individuos, la componente (I) del modelo OITP. Este trabajo de tesis doctoral es uno de los resultados del proyecto de investigación propuesto y comprometido con esos objetivos, que se presenta aquí como un “proyecto tecnocultural” más amplio (véase el epígrafe homónimo en el capítulo 1). Un resultado singular, por lo que representa en el proceso de formación y acreditación del investigador que lo suscribe. En este sentido, este trabajo constituye, por un lado, la base de un elemento divulgativo que se sumará a los esfuerzos de I+D+i+d (véase textículo 3), recogidos en parte como resultados de la investigación; mientras que, por el otro lado, incorpora elementos metodológicos teóricos originales que contribuyen al objetivo genérico planteado en la propuesta de tesis, además de constituir una parte importante de los procesos de instrumentalización, recogidos en parte en los objetivos específicos de la propuesta, que en este entregable formarán parte de líneas futuras de trabajo, que se presentan en el capítulo 6 de conclusiones y discusión de resultados. Dentro de esos elementos metodológicos, teóricos, resulta especialmente relevante –en términos de los objetivos planteados originalmente-, la simplificación instrumental de las aportaciones teóricas previas, que han sido fruto del esfuerzo de análisis sistemático e implementación de diferentes intervenciones en el ámbito educativo, que se centran específicamente en el proyecto iCamp (véase en el capítulo 4) y la experiencia INTL 2.0 (véase en el capítulo 5, junto a otras experiencias instrumentales en la UPM). Esa simplificación, como elaboración teórica y proceso de modelización, se realiza extrayendo elementos de la validación teórica y experimental, que de alguna forma proporcionan los casos de estudio (capítulos 4 y 5), para incorporarlos como argumentos en la consolidación de un enfoque tecnocultural que está en la base de la construcción de una SocioTecnología de la Información y Cultura (STIC) consistente, basada en el sistemismo aplicado en diferentes situaciones de complejidad y que requerirán de una inter/multidisciplinariedad que vaya más allá de la simple “yuxtaposición” de especialidades que conocemos en nuestra actual Universidad (me refiero, con mayúscula, a la institución universitaria en toda su extensión). Esa será la base para el diseño y la construcción de experiencias educativas, basadas en el generalismo sistémico, para infoprofesionales (véase en el capítulo 1) en particular e infociudadanos en general, que nos permitirán “cimentar, con suficientes garantías, un cierto nivel de humanismo en el proceso de construcción de una sociedad de la información y del conocimiento”. En el caso de iCamp pudimos experimentar, desde un enfoque (véase en el capítulo 4) basado en diseño (Design-based Research, DbR), con tres elementos que se pueden trasladar fácilmente al concepto de competencias –o incluso en su implementación funcional, como habilidades o capacidades instrumentales percibidas, léase ‘affordances’- y que introducen tres niveles de complejidad asociados (véase, en el Prontuario, el modelo de tres niveles de complejidad), a saber el aprendizaje auto-dirigido (complejidad individual), la colaboración (complejidad sistémica) y la construcción de una red de aprendizaje (complejidad sociotécnica). Esa experimentación nos llevó a evolucionar el propio concepto de entorno personal de aprendizaje (PLE, Personal Learning Environment), partiendo de su concepción originalmente tecnológica e instrumental, para llegar a una concepción más amplia y versátil desde el punto de vista de la intervención, basada en una visión “ecológica” de los sistemas abiertos de aprendizaje (véase en el capítulo 3). En el caso de las experiencias en la UPM (capítulo 5), el caso singular de INTL 2.0 nos muestra cómo el diseño basado en la sistémica aplicada a problemas (léase situaciones de complejidad específicas) no estructurados, como los procesos de enseñanza-aprendizaje, dan lugar a intervenciones coherentes con esa visión ecológica basada en la teoría de la actividad y con los elementos comunes de la psicología educativa moderna, que parte del constructivismo social de L. Vygotsky (1978). La contraposición de ese caso con otras realizaciones, centradas en la configuración instrumental de experiencias basadas en la “instrucción” o educación formal, debe llevarnos al rediseño –o al menos a la reformulación- de ciertos componentes ya consolidados en ese tipo de formación “institucionalizada” (véase en el capítulo 5), como pueden ser el propio curso, unidad académica de programación incuestionable, los procedimientos de acreditación, certificación y evaluación, ligados a esa planificación temporal de “entrega” de contenidos y la conceptualización misma del “aula” virtual como espacio para el intercambio en la Red y fuera de ella. Todas esas observaciones (empíricas) y argumentaciones (teóricas) que derivan de la situación de complejidad específica que aquí nos ocupa sirven, a la postre –tal y como requiere el objetivo declarado de este trabajo de investigación- para ir “sedimentando” unas bases sólidas de una teoría general de la SocioTecnología de la Información y Cultura (STIC) que formen parte de un marco tecnocultural más amplio que, a su vez, servirá de guía para su aplicación en otras situaciones de complejidad, en ámbitos distintos. En este sentido, aceptando como parte de ese marco tecnocultural las características de convivencialidad y cotidianeidad (véase, en el Prontuario el epígrafe “Tecnologías para la VIda Cotidiana, TVIC”) de una “infotecnología-uso” (modelo de las cinco subculturas infotecnológicas, también recogido en el Prontuario), consideraremos como aportaciones relevantes (véase capítulo 2): 1) la argumentación sociotécnica del proceso de popularización de la retórica informática del cambio de versión, de la que deriva el fenómeno de la Web 2.0; 2) el papel estelar del móvil inteligente y su capacidad para transformar las capacidades percibidas para la acción dentro del Nuevo Entorno Tecnosocial (NET), especialmente en la situación de complejidad que nos ocupa, que ya desarrollaran Rodríguez Sánchez, Sáez Vacas y García Hervás (2010) dentro del mismo marco teórico que caracterizamos aquí como enfoque STIC; 3) y la existencia de una cierta “inteligencia tecnosocial”, que ya conjeturara FSV en (Sáez Vacas, 2011d) y que cobra cada vez más relevancia por cuanto que resulta coherente con otros modelos consolidados, como el de las inteligencias múltiples de Gardner (2000), así como con las observaciones realizadas por otros autores en relación con la aparición de nuevos alfabetismos que conformarían “una nueva generación de inteligencia” (Fumero y Espiritusanto, 2011). En rigor, el método científico –entiéndase este trabajo como parte de un proceso de investigación tecnocientífica- implica el desarrollo de una componente dialéctica asociada a la presentación de resultados; aunque, evidentemente, la misma se apoya en una actitud crítica para la discusión de los resultados aportados, que debe partir, necesariamente, como condición sine qua non de un profundo escepticismo debidamente informado. Es ese el espíritu con el que se ha afrontado la redacción de este documento, que incluye, en el capítulo 6, una serie de argumentos específicamente destinados a plantear esa discusión de resultados a partir de estas aportaciones que he vertido sintéticamente en este resumen, que no persigue otra cosa que motivar al lector para adentrarse en la lectura de este texto al completo, tarea que requiere de un esfuerzo personal dirigido (véase el epígrafe “Cómo leer este texto” en el índice) que contará con elementos de apoyo, tanto hipertextuales (Fumero, 2012a y 2012b) como textuales, formando parte del contenido de este documento entregable de tesis doctoral (véase el Prontuario, o el Texticulario).

La forma de la tierra: Expedición para medir un grado del arco de meridiano en el Virreinato del Perú (1735-1744)

Si consideramos la forma de la Tierra desde un punto de vista matemático, entonces no debemos tener en cuenta la forma de su relieve continental ni las alteraciones en el nivel de los mares. Únicamente deberíamos estudiar el contorno medio del globo, determinado por la superficie libre de los océanos -supuestas las aguas en perfecto reposo relativo- prolongada idealmente bajo los continentes. Dicha superficie se llama geoide.

Análisis y clasificación de maderas mediante técnicas no invasivas de baja energía

El estudio de materiales, especialmente biológicos, por medios no destructivos está adquiriendo una importancia creciente tanto en las aplicaciones científicas como industriales. Las ventajas económicas de los métodos no destructivos son múltiples. Existen numerosos procedimientos físicos capaces de extraer información detallada de las superficie de la madera con escaso o nulo tratamiento previo y mínima intrusión en el material. Entre los diversos métodos destacan las técnicas ópticas y las acústicas por su gran versatilidad, relativa sencillez y bajo coste. Esta tesis pretende establecer desde la aplicación de principios simples de física, de medición directa y superficial, a través del desarrollo de los algoritmos de decisión mas adecuados basados en la estadística, unas soluciones tecnológicas simples y en esencia, de coste mínimo, para su posible aplicación en la determinación de la especie y los defectos superficiales de la madera de cada muestra tratando, en la medida de lo posible, no alterar su geometría de trabajo. Los análisis desarrollados han sido los tres siguientes: El primer método óptico utiliza las propiedades de la luz dispersada por la superficie de la madera cuando es iluminada por un laser difuso. Esta dispersión produce un moteado luminoso (speckle) cuyas propiedades estadísticas permiten extraer propiedades muy precisas de la estructura tanto microscópica como macroscópica de la madera. El análisis de las propiedades espectrales de la luz laser dispersada genera ciertos patrones mas o menos regulares relacionados con la estructura anatómica, composición, procesado y textura superficial de la madera bajo estudio que ponen de manifiesto características del material o de la calidad de los procesos a los que ha sido sometido. El uso de este tipo de láseres implica también la posibilidad de realizar monitorizaciones de procesos industriales en tiempo real y a distancia sin interferir con otros sensores. La segunda técnica óptica que emplearemos hace uso del estudio estadístico y matemático de las propiedades de las imágenes digitales obtenidas de la superficie de la madera a través de un sistema de scanner de alta resolución. Después de aislar los detalles mas relevantes de las imágenes, diversos algoritmos de clasificacion automatica se encargan de generar bases de datos con las diversas especies de maderas a las que pertenecían las imágenes, junto con los márgenes de error de tales clasificaciones. Una parte fundamental de las herramientas de clasificacion se basa en el estudio preciso de las bandas de color de las diversas maderas. Finalmente, numerosas técnicas acústicas, tales como el análisis de pulsos por impacto acústico, permiten complementar y afinar los resultados obtenidos con los métodos ópticos descritos, identificando estructuras superficiales y profundas en la madera así como patologías o deformaciones, aspectos de especial utilidad en usos de la madera en estructuras. La utilidad de estas técnicas esta mas que demostrada en el campo industrial aun cuando su aplicación carece de la suficiente expansión debido a sus altos costes y falta de normalización de los procesos, lo cual hace que cada análisis no sea comparable con su teórico equivalente de mercado. En la actualidad gran parte de los esfuerzos de investigación tienden a dar por supuesto que la diferenciación entre especies es un mecanismo de reconocimiento propio del ser humano y concentran las tecnologías en la definición de parámetros físicos (módulos de elasticidad, conductividad eléctrica o acústica, etc.), utilizando aparatos muy costosos y en muchos casos complejos en su aplicación de campo. Abstract The study of materials, especially the biological ones, by non-destructive techniques is becoming increasingly important in both scientific and industrial applications. The economic advantages of non-destructive methods are multiple and clear due to the related costs and resources necessaries. There are many physical processes capable of extracting detailed information on the wood surface with little or no previous treatment and minimal intrusion into the material. Among the various methods stand out acoustic and optical techniques for their great versatility, relative simplicity and low cost. This thesis aims to establish from the application of simple principles of physics, surface direct measurement and through the development of the more appropriate decision algorithms based on statistics, a simple technological solutions with the minimum cost for possible application in determining the species and the wood surface defects of each sample. Looking for a reasonable accuracy without altering their work-location or properties is the main objetive. There are three different work lines: Empirical characterization of wood surfaces by means of iterative autocorrelation of laser speckle patterns: A simple and inexpensive method for the qualitative characterization of wood surfaces is presented. it is based on the iterative autocorrelation of laser speckle patterns produced by diffuse laser illumination of the wood surfaces. The method exploits the high spatial frequency content of speckle images. A similar approach with raw conventional photographs taken with ordinary light would be very difficult. A few iterations of the algorithm are necessary, typically three or four, in order to visualize the most important periodic features of the surface. The processed patterns help in the study of surface parameters, to design new scattering models and to classify the wood species. Fractal-based image enhancement techniques inspired by differential interference contrast microscopy: Differential interference contrast microscopy is a very powerful optical technique for microscopic imaging. Inspired by the physics of this type of microscope, we have developed a series of image processing algorithms aimed at the magnification, noise reduction, contrast enhancement and tissue analysis of biological samples. These algorithms use fractal convolution schemes which provide fast and accurate results with a performance comparable to the best present image enhancement algorithms. These techniques can be used as post processing tools for advanced microscopy or as a means to improve the performance of less expensive visualization instruments. Several examples of the use of these algorithms to visualize microscopic images of raw pine wood samples with a simple desktop scanner are provided. Wood species identification using stress-wave analysis in the audible range: Stress-wave analysis is a powerful and flexible technique to study mechanical properties of many materials. We present a simple technique to obtain information about the species of wood samples using stress-wave sounds in the audible range generated by collision with a small pendulum. Stress-wave analysis has been used for flaw detection and quality control for decades, but its use for material identification and classification is less cited in the literature. Accurate wood species identification is a time consuming task for highly trained human experts. For this reason, the development of cost effective techniques for automatic wood classification is a desirable goal. Our proposed approach is fully non-invasive and non-destructive, reducing significantly the cost and complexity of the identification and classification process.

PHI-24 fps-55 : del espacio fílmico al espacio protofílmico : del espacio arquetípico al espacio fenomenológico : una propuesta pedagógica

Este trabajo constituye una propuesta didáctica para incluir en los procesos de enseñanza de la arquitectura y del dibujo y la teoría del proyecto arquitectónico en la Facultad de Arquitectura de la Universidad de la República del Uruguay. Se parte de la afirmación ya demostrada de que el cine de ficción resulta un medio adecuado y complementario de otros procedimientos para enseñar y estudiar arquitectura. El trabajo establece una ejercitación alternativa a las tradicionales basada en el método de la comparación que permite establecer relaciones entre diferentes realidades: entre la realidad y la ficción o entre diferentes mundos de ficción. Si se hace referencia concreta a la ejercitación desarrollada en los cursos de proyecto y dibujo arquitectónicos de la Facultad de Arquitectura, no es novedad que las prácticas del dibujo de observación directa del objeto real o mediatizado –croquis de observación directa y restitución (pasaje de un sistema de representación codificada a otro) – o del manejo de referentes paradigmáticos durante los procesos creativos, se basan todas en la comparación entre dos cosas. Toda comparación nos induce a fijar la atención en dos o más objetos para descubrir sus relaciones y estimar sus semejanzas lo que nos permite conocer con mayor precisión sus atributos. El ejercicio de ideación de un objeto –propio del proceso proyectual– se sustenta en el cotejo sucesivo y alternativo de la observación del objeto imaginado y de su representación gráfica progresiva. En ese proceso son puestos en juego mecanismos que activan y relacionan nuestras sensaciones con nuestra memoria inconsciente y con redes de conceptos adquiridos a través de la enseñanza y la reflexión. Por un lado, este trabajo busca –mediante el planteo de hipótesis– poner en juego diferentes recursos de análisis de filmes para su debida demostración y, al extraer conclusiones, aportar al conocimiento científico sobre un tema. Por otra parte procura mostrar un camino alternativo para el manejo del recurso cine en los procesos de enseñanza del estudiante de arquitectura. Un camino que estructure diferentes procedimientos de análisis –que por sí mismos implican un ejercicio de la percepción y de la sensibilización– para verificar los contenidos y el alcance de las hipótesis planteadas. This work emerges from a reflection based on the capacity of the cinematographic resource in architecture teaching. The proposal consists in alternative exercises different from the traditional ones, specially designed for architecture students. The exercises handle the potential value of the cinema, especially fictional film or narrative film, as a tool for developing our perception and reflection, thus stimulating the rational and emotional aspects of each person. It is based on the comparative method which allows the establishment of relations among different realities: between fiction and reality and between different fiction worlds. It has been structured into three modules of increasing difficulty. Each one initiates its discourse with a hypothesis formulation which must be demonstrated and triggers a research process where the student’s knowledge, reasoning and ability to evaluate are put into play through a set of exercises. These involve the graphic survey of film spaces, cinematic languages and significance perception systems in order to detect archetypical architectural spaces common to different films. In this particular case, the proposal is addressed to the analysis of interior domestic spaces and its furnishings.

Análisis experimental y computacional de modelos termofluidomecánicos para el diseño de ingeniería con metales líquidos

Es importante disponer de una herramienta con la cual diseñar dispositivos de uso industrial y comercial que trabajen con metales líquidos (fuentes de neutrones de alta intensidad, núcleos de sistemas de transmutación nuclear, reactores de fisión de nueva generación, instalaciones de irradiación de materiales o reactores de fusión nuclear). Los códigos CFD (Computational Fluid Dynamics) son una de esas herramientas, y la manera de llevar a cabo su validación es la simulación de experimentos existentes. La turbulencia y la presencia de dos o más fases, son los dos principales problemas a los que tiene que hacer frente un código CFD. La mayoría de los modelos de turbulencia presentes en los códigos CFD se basan en considerar la proporcionalidad directa entre el transporte de cantidad de movimiento turbulento y el transporte turbulento de calor. Precisamente, el coeficiente de difusión del calor turbulento, se asume que sea proporcional a la viscosidad turbulenta a través de una constante empírica, llamada número de Prandtl turbulento. El valor de este número, en los códigos comerciales está entre 0,9 y 0,85 dependiendo del modelo de turbulencia, lo cual significa que en los códigos se asume que el transporte turbulento tanto de cantidad de movimiento como de calor, son prácticamente equivalentes. Esta asunción no es cierta en los flujos de metales líquidos, donde se demuestra que la transmisión de calor por turbulencia es pequeña frente a la transmisión de calor molecular. La solución pasa por aumentar el número de Prandtl turbulento, o abandonar la analogía de Reynolds, en el tratamiento de la turbulencia. Por otro lado, en los metales líquidos la capa límite térmica es más ancha que la de velocidad, y las funciones de pared incluidas en los códigos no satisfacen adecuadamente los flujos turbulentos de los fluidos con bajo número de Prantdl (los metales líquidos). Sí serían adecuados, si el mallado es tal, que la celda más cercana a la pared, está dentro de la subcapa laminar, en la cual la propiedad dominante es la conductividad molecular. En la simulación de flujo multifase los códigos se encuentran con una serie de dificultades, que en el caso de que las densidades de los fluidos que intervienen sean muy diferentes entre sí (como ocurre con los metales líquidos y los gases), serán aún mayores. La modelización de la interfase gas metal líquido, así como el encontrar una correlación válida para los coeficientes de resistencia y sustentación para el movimiento de las burbujas en el seno del metal líquido, son dos de los principales retos en la simulación de este tipo de flujos. Las dificultades no se limitan sólo a la simulación mediante CFD, las medidas experimentales de velocidad de las burbujas y del metal líquido también son complicadas. Hay parámetros que no se pueden definir bien: la trayectoria y la forma de las burbujas entre ellos. En el campo de aplicación industrial de los metales líquidos, los altos valores de los coeficientes de expansión volumétrica y de conductividad térmica hacen que estos fluidos sean muy atractivos en la refrigeración por convección libre en dispositivos de alta densidad de potencia. Tomando como base uno de los diseños de ADS (Accelerator Driven System), y teniendo en cuenta la dificultad que conlleva el uso de múltiples modelos físicos, los cálculos realizados muestran cómo, en caso de fallo eléctrico, la operación de la instalación puede continuar de forma segura. Para la validación de los códigos CFD en su uso como herramienta de diseño, uno de los fenómenos donde cuantitativamente más dificultades encuentran los códigos es en los que aparecen en la modelización de las superficies libres. Un buen ajuste de los modelos multifase y de turbulencia es imprescindible en este tipo de simulaciones. Efectivamente, en la instalación de irradiación de materiales IFMIF, la formación de ondas en la superficie libre del flujo de Litio, es un fenómeno que hay que tratar de evitar, y además se requiere predecir las temperaturas, para ver si hay peligro de ebullición del metal líquido. La simulación llevada a cabo se enfoca al análisis termohidráulico. Variando la velocidad de inyección de Litio desde 10 hasta 20 m/s, se comprueba que las temperaturas máximas quedan alejadas del punto de ebullición del Litio, debido al aumento de presión producido por la fuerza centrífuga. Una de las cuestiones más críticas que se presentan en las fuentes de neutrones sería la refrigeración de la ventana metálica sobre la que incide el haz de protones. La simulación de experimentos como MEGAPIE y TS-1, permite la “visualización” de recirculación en el flujo, de los puntos de estancamiento, de los puntos calientes, etc, y da una fotografía de las zonas críticas del diseño.

El láser en la técnica y la investigación: teoría y práctica: resumen del curso de postgraduados dado en E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Madrid

En líneas generales la teoría del láser es bastante sim- ple. Las principales interrogantes se refieren a las propiedades de la coherencia y de la intensidad, frecuencia y fluctuaciones de la radiación. Para contestarlas se pueden seguir tres métodos de trabajo, que las resuelven en el mismo orden en que han sido planteadas, y que se basan, respectivamente. en ecuaciones de ve locidad, en ecuaciones semiclásicas y en ecuaciones totalmente .cuantificadas. Nuestro estudio llegará únicamente a la primera parte, pudiéndose encontrar detalles sobre los otros métodos en la bibliografía adjunta.

Action Research. Una teoría de cambio para la innovación en la formación del Arquitecto

En este texto se aborda una breve historia sobre “Action Research”. Se presenta como una alternativa al modelo tradicional de investigación. Se examinan los cambios que promueve la teoría del “Action research” y los elementos que pueden permitir una revisión de las estrategias de formación del Arquitecto. Finamente el texto ofrece una traducción interesada de “Action research” como proceso de proyectar en Arquitectura.

Photon Management Structures for Absorption Enhancement in Intermediate Band Solar Cells and Crystalline Silicon Solar Cells

El objetivo de la tesis es investigar los beneficios que el atrapamiento de la luz mediante fenómenos difractivos puede suponer para las células solares de silicio cristalino y las de banda intermedia. Ambos tipos de células adolecen de una insuficiente absorción de fotones en alguna región del espectro solar. Las células solares de banda intermedia son teóricamente capaces de alcanzar eficiencias mucho mayores que los dispositivos convencionales (con una sola banda energética prohibida), pero los prototipos actuales se resienten de una absorción muy débil de los fotones con energías menores que la banda prohibida. Del mismo modo, las células solares de silicio cristalino absorben débilmente en el infrarrojo cercano debido al carácter indirecto de su banda prohibida. Se ha prestado mucha atención a este problema durante las últimas décadas, de modo que todas las células solares de silicio cristalino comerciales incorporan alguna forma de atrapamiento de luz. Por razones de economía, en la industria se persigue el uso de obleas cada vez más delgadas, con lo que el atrapamiento de la luz adquiere más importancia. Por tanto aumenta el interés en las estructuras difractivas, ya que podrían suponer una mejora sobre el estado del arte. Se comienza desarrollando un método de cálculo con el que simular células solares equipadas con redes de difracción. En este método, la red de difracción se analiza en el ámbito de la óptica física, mediante análisis riguroso con ondas acopladas (rigorous coupled wave analysis), y el sustrato de la célula solar, ópticamente grueso, se analiza en los términos de la óptica geométrica. El método se ha implementado en ordenador y se ha visto que es eficiente y da resultados en buen acuerdo con métodos diferentes descritos por otros autores. Utilizando el formalismo matricial así derivado, se calcula el límite teórico superior para el aumento de la absorción en células solares mediante el uso de redes de difracción. Este límite se compara con el llamado límite lambertiano del atrapamiento de la luz y con el límite absoluto en sustratos gruesos. Se encuentra que las redes biperiódicas (con geometría hexagonal o rectangular) pueden producir un atrapamiento mucho mejor que las redes uniperiódicas. El límite superior depende mucho del periodo de la red. Para periodos grandes, las redes son en teoría capaces de alcanzar el máximo atrapamiento, pero sólo si las eficiencias de difracción tienen una forma peculiar que parece inalcanzable con las herramientas actuales de diseño. Para periodos similares a la longitud de onda de la luz incidente, las redes de difracción pueden proporcionar atrapamiento por debajo del máximo teórico pero por encima del límite Lambertiano, sin imponer requisitos irrealizables a la forma de las eficiencias de difracción y en un margen de longitudes de onda razonablemente amplio. El método de cálculo desarrollado se usa también para diseñar y optimizar redes de difracción para el atrapamiento de la luz en células solares. La red propuesta consiste en un red hexagonal de pozos cilíndricos excavados en la cara posterior del sustrato absorbente de la célula solar. La red se encapsula en una capa dieléctrica y se cubre con un espejo posterior. Se simula esta estructura para una célula solar de silicio y para una de banda intermedia y puntos cuánticos. Numéricamente, se determinan los valores óptimos del periodo de la red y de la profundidad y las dimensiones laterales de los pozos para ambos tipos de células. Los valores se explican utilizando conceptos físicos sencillos, lo que nos permite extraer conclusiones generales que se pueden aplicar a células de otras tecnologías. Las texturas con redes de difracción se fabrican en sustratos de silicio cristalino mediante litografía por nanoimpresión y ataque con iones reactivos. De los cálculos precedentes, se conoce el periodo óptimo de la red que se toma como una constante de diseño. Los sustratos se procesan para obtener estructuras precursoras de células solares sobre las que se realizan medidas ópticas. Las medidas de reflexión en función de la longitud de onda confirman que las redes cuadradas biperiódicas consiguen mejor atrapamiento que las uniperiódicas. Las estructuras fabricadas se simulan con la herramienta de cálculo descrita en los párrafos precedentes y se obtiene un buen acuerdo entre la medida y los resultados de la simulación. Ésta revela que una fracción significativa de los fotones incidentes son absorbidos en el reflector posterior de aluminio, y por tanto desaprovechados, y que este efecto empeora por la rugosidad del espejo. Se desarrolla un método alternativo para crear la capa dieléctrica que consigue que el reflector se deposite sobre una superficie plana, encontrándose que en las muestras preparadas de esta manera la absorción parásita en el espejo es menor. La siguiente tarea descrita en la tesis es el estudio de la absorción de fotones en puntos cuánticos semiconductores. Con la aproximación de masa efectiva, se calculan los niveles de energía de los estados confinados en puntos cuánticos de InAs/GaAs. Se emplea un método de una y de cuatro bandas para el cálculo de la función de onda de electrones y huecos, respectivamente; en el último caso se utiliza un hamiltoniano empírico. La regla de oro de Fermi permite obtener la intensidad de las transiciones ópticas entre los estados confinados. Se investiga el efecto de las dimensiones del punto cuántico en los niveles de energía y la intensidad de las transiciones y se obtiene que, al disminuir la anchura del punto cuántico respecto a su valor en los prototipos actuales, se puede conseguir una transición más intensa entre el nivel intermedio fundamental y la banda de conducción. Tomando como datos de partida los niveles de energía y las intensidades de las transiciones calculados como se ha explicado, se desarrolla un modelo de equilibrio o balance detallado realista para células solares de puntos cuánticos. Con el modelo se calculan las diferentes corrientes debidas a transiciones ópticas entre los numerosos niveles intermedios y las bandas de conducción y de valencia bajo ciertas condiciones. Se distingue de modelos de equilibrio detallado previos, usados para calcular límites de eficiencia, en que se adoptan suposiciones realistas sobre la absorción de fotones para cada transición. Con este modelo se reproducen datos publicados de eficiencias cuánticas experimentales a diferentes temperaturas con un acuerdo muy bueno. Se muestra que el conocido fenómeno del escape térmico de los puntos cuánticos es de naturaleza fotónica; se debe a los fotones térmicos, que inducen transiciones entre los estados excitados que se encuentran escalonados en energía entre el estado intermedio fundamental y la banda de conducción. En el capítulo final, este modelo realista de equilibrio detallado se combina con el método de simulación de redes de difracción para predecir el efecto que tendría incorporar una red de difracción en una célula solar de banda intermedia y puntos cuánticos. Se ha de optimizar cuidadosamente el periodo de la red para equilibrar el aumento de las diferentes transiciones intermedias, que tienen lugar en serie. Debido a que la absorción en los puntos cuánticos es extremadamente débil, se deduce que el atrapamiento de la luz, por sí solo, no es suficiente para conseguir corrientes apreciables a partir de fotones con energía menor que la banda prohibida en las células con puntos cuánticos. Se requiere una combinación del atrapamiento de la luz con un incremento de la densidad de puntos cuánticos. En el límite radiativo y sin atrapamiento de la luz, se necesitaría que el número de puntos cuánticos de una célula solar se multiplicara por 1000 para superar la eficiencia de una célula de referencia con una sola banda prohibida. En cambio, una célula con red de difracción precisaría un incremento del número de puntos en un factor 10 a 100, dependiendo del nivel de la absorción parásita en el reflector posterior. Abstract The purpose of this thesis is to investigate the benefits that diffractive light trapping can offer to quantum dot intermediate band solar cells and crystalline silicon solar cells. Both solar cell technologies suffer from incomplete photon absorption in some part of the solar spectrum. Quantum dot intermediate band solar cells are theoretically capable of achieving much higher efficiencies than conventional single-gap devices. Present prototypes suffer from extremely weak absorption of subbandgap photons in the quantum dots. This problem has received little attention so far, yet it is a serious barrier to the technology approaching its theoretical efficiency limit. Crystalline silicon solar cells absorb weakly in the near infrared due to their indirect bandgap. This problem has received much attention over recent decades, and all commercial crystalline silicon solar cells employ some form of light trapping. With the industry moving toward thinner and thinner wafers, light trapping is becoming of greater importance and diffractive structures may offer an improvement over the state-of-the-art. We begin by constructing a computational method with which to simulate solar cells equipped with diffraction grating textures. The method employs a wave-optical treatment of the diffraction grating, via rigorous coupled wave analysis, with a geometric-optical treatment of the thick solar cell bulk. These are combined using a steady-state matrix formalism. The method has been implemented computationally, and is found to be efficient and to give results in good agreement with alternative methods from other authors. The theoretical upper limit to absorption enhancement in solar cells using diffractions gratings is calculated using the matrix formalism derived in the previous task. This limit is compared to the so-called Lambertian limit for light trapping with isotropic scatterers, and to the absolute upper limit to light trapping in bulk absorbers. It is found that bi-periodic gratings (square or hexagonal geometry) are capable of offering much better light trapping than uni-periodic line gratings. The upper limit depends strongly on the grating period. For large periods, diffraction gratings are theoretically able to offer light trapping at the absolute upper limit, but only if the scattering efficiencies have a particular form, which is deemed to be beyond present design capabilities. For periods similar to the incident wavelength, diffraction gratings can offer light trapping below the absolute limit but above the Lambertian limit without placing unrealistic demands on the exact form of the scattering efficiencies. This is possible for a reasonably broad wavelength range. The computational method is used to design and optimise diffraction gratings for light trapping in solar cells. The proposed diffraction grating consists of a hexagonal lattice of cylindrical wells etched into the rear of the bulk solar cell absorber. This is encapsulated in a dielectric buffer layer, and capped with a rear reflector. Simulations are made of this grating profile applied to a crystalline silicon solar cell and to a quantum dot intermediate band solar cell. The grating period, well depth, and lateral well dimensions are optimised numerically for both solar cell types. This yields the optimum parameters to be used in fabrication of grating equipped solar cells. The optimum parameters are explained using simple physical concepts, allowing us to make more general statements that can be applied to other solar cell technologies. Diffraction grating textures are fabricated on crystalline silicon substrates using nano-imprint lithography and reactive ion etching. The optimum grating period from the previous task has been used as a design parameter. The substrates have been processed into solar cell precursors for optical measurements. Reflection spectroscopy measurements confirm that bi-periodic square gratings offer better absorption enhancement than uni-periodic line gratings. The fabricated structures have been simulated with the previously developed computation tool, with good agreement between measurement and simulation results. The simulations reveal that a significant amount of the incident photons are absorbed parasitically in the rear reflector, and that this is exacerbated by the non-planarity of the rear reflector. An alternative method of depositing the dielectric buffer layer was developed, which leaves a planar surface onto which the reflector is deposited. It was found that samples prepared in this way suffered less from parasitic reflector absorption. The next task described in the thesis is the study of photon absorption in semiconductor quantum dots. The bound-state energy levels of in InAs/GaAs quantum dots is calculated using the effective mass approximation. A one- and four- band method is applied to the calculation of electron and hole wavefunctions respectively, with an empirical Hamiltonian being employed in the latter case. The strength of optical transitions between the bound states is calculated using the Fermi golden rule. The effect of the quantum dot dimensions on the energy levels and transition strengths is investigated. It is found that a strong direct transition between the ground intermediate state and the conduction band can be promoted by decreasing the quantum dot width from its value in present prototypes. This has the added benefit of reducing the ladder of excited states between the ground state and the conduction band, which may help to reduce thermal escape of electrons from quantum dots: an undesirable phenomenon from the point of view of the open circuit voltage of an intermediate band solar cell. A realistic detailed balance model is developed for quantum dot solar cells, which uses as input the energy levels and transition strengths calculated in the previous task. The model calculates the transition currents between the many intermediate levels and the valence and conduction bands under a given set of conditions. It is distinct from previous idealised detailed balance models, which are used to calculate limiting efficiencies, since it makes realistic assumptions about photon absorption by each transition. The model is used to reproduce published experimental quantum efficiency results at different temperatures, with quite good agreement. The much-studied phenomenon of thermal escape from quantum dots is found to be photonic; it is due to thermal photons, which induce transitions between the ladder of excited states between the ground intermediate state and the conduction band. In the final chapter, the realistic detailed balance model is combined with the diffraction grating simulation method to predict the effect of incorporating a diffraction grating into a quantum dot intermediate band solar cell. Careful optimisation of the grating period is made to balance the enhancement given to the different intermediate transitions, which occur in series. Due to the extremely weak absorption in the quantum dots, it is found that light trapping alone is not sufficient to achieve high subbandgap currents in quantum dot solar cells. Instead, a combination of light trapping and increased quantum dot density is required. Within the radiative limit, a quantum dot solar cell with no light trapping requires a 1000 fold increase in the number of quantum dots to supersede the efficiency of a single-gap reference cell. A quantum dot solar cell equipped with a diffraction grating requires between a 10 and 100 fold increase in the number of quantum dots, depending on the level of parasitic absorption in the rear reflector.

Aplicación de la física estadística a los medios granulares

Esta tesis se centra en el estudio de medios granulares blandos y atascados mediante la aplicación de la física estadística. Esta aproximación se sitúa entre los tradicionales enfoques macro y micromecánicos: trata de establecer cuáles son las propiedades macroscópicas esperables de un sistema granular en base a un análisis de las propiedades de las partículas y las interacciones que se producen entre ellas y a una consideración de las restricciones macroscópicas del sistema. Para ello se utiliza la teoría estadística junto con algunos principios, conceptos y definiciones de la teoría de los medios continuos (campo de tensiones y deformaciones, energía potencial elástica, etc) y algunas técnicas de homogeneización. La interacción entre las partículas es analizada mediante las aportaciones de la teoría del contacto y de las fuerzas capilares (producidas por eventuales meniscos de líquido cuando el medio está húmedo). La idea básica de la mecánica estadística es que entre todas soluciones de un problema físico (como puede ser el ensamblaje en equilibrio estático de partículas de un medio granular) existe un conjunto que es compatible con el conocimiento macroscópico que tenemos del sistema (por ejemplo, su volumen, la tensión a la que está sometido, la energía potencial elástica que almacena, etc.). Este conjunto todavía contiene un número enorme de soluciones. Pues bien, si no hay ninguna información adicional es razonable pensar que no existe ningún motivo para que alguna de estas soluciones sea más probable que las demás. Entonces parece natural asignarles a todas ellas el mismo peso estadístico y construir una función matemática compatible. Actuando de este modo se obtiene cuál es la función de distribución más probable de algunas cantidades asociadas a las soluciones, para lo cual es muy importante asegurarse de que todas ellas son igualmente accesibles por el procedimiento de ensamblaje o protocolo. Este enfoque se desarrolló en sus orígenes para el estudio de los gases ideales pero se puede extender para sistemas no térmicos como los analizados en esta tesis. En este sentido el primer intento se produjo hace poco más de veinte años y es la colectividad de volumen. Desde entonces esta ha sido empleada y mejorada por muchos investigadores en todo el mundo, mientras que han surgido otras, como la de la energía o la del fuerza-momento (tensión multiplicada por volumen). Cada colectividad describe, en definitiva, conjuntos de soluciones caracterizados por diferentes restricciones macroscópicas, pero de todos ellos resultan distribuciones estadísticas de tipo Maxwell-Boltzmann y controladas por dichas restricciones. En base a estos trabajos previos, en esta tesis se ha adaptado el enfoque clásico de la física estadística para el caso de medios granulares blandos. Se ha propuesto un marco general para estudiar estas colectividades que se basa en la comparación de todas las posibles soluciones en un espacio matemático definido por las componentes del fuerza-momento y en unas funciones de densidad de estados. Este desarrollo teórico se complementa con resultados obtenidos mediante simulación de la compresión cíclica de sistemas granulares bidimensionales. Se utilizó para ello un método de dinámica molecular, MD (o DEM). Las simulaciones consideran una interacción mecánica elástica, lineal y amortiguada a la que se ha añadido, en algunos casos, la fuerza cohesiva producida por meniscos de agua. Se realizaron cálculos en serie y en paralelo. Los resultados no solo prueban que las funciones de distribución de las componentes de fuerza-momento del sistema sometido a un protocolo específico parecen ser universales, sino que también revelan que existen muchos aspectos computacionales que pueden determinar cuáles son las soluciones accesibles. This thesis focuses on the application of statistical mechanics for the study of static and jammed packings of soft granular media. Such approach lies between micro and macromechanics: it tries to establish what the expected macroscopic properties of a granular system are, by starting from a micromechanical analysis of the features of the particles, and the interactions between them, and by considering the macroscopic constraints of the system. To do that, statistics together with some principles, concepts and definitions of continuum mechanics (e.g. stress and strain fields, elastic potential energy, etc.) as well as some homogenization techniques are used. The interaction between the particles of a granular system is examined too and theories on contact and capillary forces (when the media are wet) are revisited. The basic idea of statistical mechanics is that among the solutions of a physical problem (e.g. the static arrangement of particles in mechanical equilibrium) there is a class that is compatible with our macroscopic knowledge of the system (volume, stress, elastic potential energy,...). This class still contains an enormous number of solutions. In the absence of further information there is not any a priori reason for favoring one of these more than any other. Hence we shall naturally construct the equilibrium function by assigning equal statistical weights to all the functions compatible with our requirements. This procedure leads to the most probable statistical distribution of some quantities, but it is necessary to guarantee that all the solutions are likely accessed. This approach was originally set up for the study of ideal gases, but it can be extended to non-thermal systems too. In this connection, the first attempt for granular systems was the volume ensemble, developed about 20 years ago. Since then, this model has been followed and improved upon by many researchers around the world, while other two approaches have also been set up: energy and force-moment (i.e. stress multiplied by volume) ensembles. Each ensemble is described by different macroscopic constraints but all of them result on a Maxwell-Boltzmann statistical distribution, which is precisely controlled by the respective constraints. According to this previous work, in this thesis the classical statistical mechanics approach is introduced and adapted to the case of soft granular media. A general framework, which includes these three ensembles and uses a force-moment phase space and a density of states function, is proposed. This theoretical development is complemented by molecular dynamics (or DEM) simulations of the cyclic compression of 2D granular systems. Simulations were carried out by considering spring-dashpot mechanical interactions and attractive capillary forces in some cases. They were run on single and parallel processors. Results not only prove that the statistical distributions of the force-moment components obtained with a specific protocol seem to be universal, but also that there are many computational issues that can determine what the attained packings or solutions are.

Contributions to Bayesian network learning with applications to neuroscience

Neuronal morphology is a key feature in the study of brain circuits, as it is highly related to information processing and functional identification. Neuronal morphology affects the process of integration of inputs from other neurons and determines the neurons which receive the output of the neurons. Different parts of the neurons can operate semi-independently according to the spatial location of the synaptic connections. As a result, there is considerable interest in the analysis of the microanatomy of nervous cells since it constitutes an excellent tool for better understanding cortical function. However, the morphologies, molecular features and electrophysiological properties of neuronal cells are extremely variable. Except for some special cases, this variability makes it hard to find a set of features that unambiguously define a neuronal type. In addition, there are distinct types of neurons in particular regions of the brain. This morphological variability makes the analysis and modeling of neuronal morphology a challenge. Uncertainty is a key feature in many complex real-world problems. Probability theory provides a framework for modeling and reasoning with uncertainty. Probabilistic graphical models combine statistical theory and graph theory to provide a tool for managing domains with uncertainty. In particular, we focus on Bayesian networks, the most commonly used probabilistic graphical model. In this dissertation, we design new methods for learning Bayesian networks and apply them to the problem of modeling and analyzing morphological data from neurons. The morphology of a neuron can be quantified using a number of measurements, e.g., the length of the dendrites and the axon, the number of bifurcations, the direction of the dendrites and the axon, etc. These measurements can be modeled as discrete or continuous data. The continuous data can be linear (e.g., the length or the width of a dendrite) or directional (e.g., the direction of the axon). These data may follow complex probability distributions and may not fit any known parametric distribution. Modeling this kind of problems using hybrid Bayesian networks with discrete, linear and directional variables poses a number of challenges regarding learning from data, inference, etc. In this dissertation, we propose a method for modeling and simulating basal dendritic trees from pyramidal neurons using Bayesian networks to capture the interactions between the variables in the problem domain. A complete set of variables is measured from the dendrites, and a learning algorithm is applied to find the structure and estimate the parameters of the probability distributions included in the Bayesian networks. Then, a simulation algorithm is used to build the virtual dendrites by sampling values from the Bayesian networks, and a thorough evaluation is performed to show the model’s ability to generate realistic dendrites. In this first approach, the variables are discretized so that discrete Bayesian networks can be learned and simulated. Then, we address the problem of learning hybrid Bayesian networks with different kinds of variables. Mixtures of polynomials have been proposed as a way of representing probability densities in hybrid Bayesian networks. We present a method for learning mixtures of polynomials approximations of one-dimensional, multidimensional and conditional probability densities from data. The method is based on basis spline interpolation, where a density is approximated as a linear combination of basis splines. The proposed algorithms are evaluated using artificial datasets. We also use the proposed methods as a non-parametric density estimation technique in Bayesian network classifiers. Next, we address the problem of including directional data in Bayesian networks. These data have some special properties that rule out the use of classical statistics. Therefore, different distributions and statistics, such as the univariate von Mises and the multivariate von Mises–Fisher distributions, should be used to deal with this kind of information. In particular, we extend the naive Bayes classifier to the case where the conditional probability distributions of the predictive variables given the class follow either of these distributions. We consider the simple scenario, where only directional predictive variables are used, and the hybrid case, where discrete, Gaussian and directional distributions are mixed. The classifier decision functions and their decision surfaces are studied at length. Artificial examples are used to illustrate the behavior of the classifiers. The proposed classifiers are empirically evaluated over real datasets. We also study the problem of interneuron classification. An extensive group of experts is asked to classify a set of neurons according to their most prominent anatomical features. A web application is developed to retrieve the experts’ classifications. We compute agreement measures to analyze the consensus between the experts when classifying the neurons. Using Bayesian networks and clustering algorithms on the resulting data, we investigate the suitability of the anatomical terms and neuron types commonly used in the literature. Additionally, we apply supervised learning approaches to automatically classify interneurons using the values of their morphological measurements. Then, a methodology for building a model which captures the opinions of all the experts is presented. First, one Bayesian network is learned for each expert, and we propose an algorithm for clustering Bayesian networks corresponding to experts with similar behaviors. Then, a Bayesian network which represents the opinions of each group of experts is induced. Finally, a consensus Bayesian multinet which models the opinions of the whole group of experts is built. A thorough analysis of the consensus model identifies different behaviors between the experts when classifying the interneurons in the experiment. A set of characterizing morphological traits for the neuronal types can be defined by performing inference in the Bayesian multinet. These findings are used to validate the model and to gain some insights into neuron morphology. Finally, we study a classification problem where the true class label of the training instances is not known. Instead, a set of class labels is available for each instance. This is inspired by the neuron classification problem, where a group of experts is asked to individually provide a class label for each instance. We propose a novel approach for learning Bayesian networks using count vectors which represent the number of experts who selected each class label for each instance. These Bayesian networks are evaluated using artificial datasets from supervised learning problems. Resumen La morfología neuronal es una característica clave en el estudio de los circuitos cerebrales, ya que está altamente relacionada con el procesado de información y con los roles funcionales. La morfología neuronal afecta al proceso de integración de las señales de entrada y determina las neuronas que reciben las salidas de otras neuronas. Las diferentes partes de la neurona pueden operar de forma semi-independiente de acuerdo a la localización espacial de las conexiones sinápticas. Por tanto, existe un interés considerable en el análisis de la microanatomía de las células nerviosas, ya que constituye una excelente herramienta para comprender mejor el funcionamiento de la corteza cerebral. Sin embargo, las propiedades morfológicas, moleculares y electrofisiológicas de las células neuronales son extremadamente variables. Excepto en algunos casos especiales, esta variabilidad morfológica dificulta la definición de un conjunto de características que distingan claramente un tipo neuronal. Además, existen diferentes tipos de neuronas en regiones particulares del cerebro. La variabilidad neuronal hace que el análisis y el modelado de la morfología neuronal sean un importante reto científico. La incertidumbre es una propiedad clave en muchos problemas reales. La teoría de la probabilidad proporciona un marco para modelar y razonar bajo incertidumbre. Los modelos gráficos probabilísticos combinan la teoría estadística y la teoría de grafos con el objetivo de proporcionar una herramienta con la que trabajar bajo incertidumbre. En particular, nos centraremos en las redes bayesianas, el modelo más utilizado dentro de los modelos gráficos probabilísticos. En esta tesis hemos diseñado nuevos métodos para aprender redes bayesianas, inspirados por y aplicados al problema del modelado y análisis de datos morfológicos de neuronas. La morfología de una neurona puede ser cuantificada usando una serie de medidas, por ejemplo, la longitud de las dendritas y el axón, el número de bifurcaciones, la dirección de las dendritas y el axón, etc. Estas medidas pueden ser modeladas como datos continuos o discretos. A su vez, los datos continuos pueden ser lineales (por ejemplo, la longitud o la anchura de una dendrita) o direccionales (por ejemplo, la dirección del axón). Estos datos pueden llegar a seguir distribuciones de probabilidad muy complejas y pueden no ajustarse a ninguna distribución paramétrica conocida. El modelado de este tipo de problemas con redes bayesianas híbridas incluyendo variables discretas, lineales y direccionales presenta una serie de retos en relación al aprendizaje a partir de datos, la inferencia, etc. En esta tesis se propone un método para modelar y simular árboles dendríticos basales de neuronas piramidales usando redes bayesianas para capturar las interacciones entre las variables del problema. Para ello, se mide un amplio conjunto de variables de las dendritas y se aplica un algoritmo de aprendizaje con el que se aprende la estructura y se estiman los parámetros de las distribuciones de probabilidad que constituyen las redes bayesianas. Después, se usa un algoritmo de simulación para construir dendritas virtuales mediante el muestreo de valores de las redes bayesianas. Finalmente, se lleva a cabo una profunda evaluaci ón para verificar la capacidad del modelo a la hora de generar dendritas realistas. En esta primera aproximación, las variables fueron discretizadas para poder aprender y muestrear las redes bayesianas. A continuación, se aborda el problema del aprendizaje de redes bayesianas con diferentes tipos de variables. Las mixturas de polinomios constituyen un método para representar densidades de probabilidad en redes bayesianas híbridas. Presentamos un método para aprender aproximaciones de densidades unidimensionales, multidimensionales y condicionales a partir de datos utilizando mixturas de polinomios. El método se basa en interpolación con splines, que aproxima una densidad como una combinación lineal de splines. Los algoritmos propuestos se evalúan utilizando bases de datos artificiales. Además, las mixturas de polinomios son utilizadas como un método no paramétrico de estimación de densidades para clasificadores basados en redes bayesianas. Después, se estudia el problema de incluir información direccional en redes bayesianas. Este tipo de datos presenta una serie de características especiales que impiden el uso de las técnicas estadísticas clásicas. Por ello, para manejar este tipo de información se deben usar estadísticos y distribuciones de probabilidad específicos, como la distribución univariante von Mises y la distribución multivariante von Mises–Fisher. En concreto, en esta tesis extendemos el clasificador naive Bayes al caso en el que las distribuciones de probabilidad condicionada de las variables predictoras dada la clase siguen alguna de estas distribuciones. Se estudia el caso base, en el que sólo se utilizan variables direccionales, y el caso híbrido, en el que variables discretas, lineales y direccionales aparecen mezcladas. También se estudian los clasificadores desde un punto de vista teórico, derivando sus funciones de decisión y las superficies de decisión asociadas. El comportamiento de los clasificadores se ilustra utilizando bases de datos artificiales. Además, los clasificadores son evaluados empíricamente utilizando bases de datos reales. También se estudia el problema de la clasificación de interneuronas. Desarrollamos una aplicación web que permite a un grupo de expertos clasificar un conjunto de neuronas de acuerdo a sus características morfológicas más destacadas. Se utilizan medidas de concordancia para analizar el consenso entre los expertos a la hora de clasificar las neuronas. Se investiga la idoneidad de los términos anatómicos y de los tipos neuronales utilizados frecuentemente en la literatura a través del análisis de redes bayesianas y la aplicación de algoritmos de clustering. Además, se aplican técnicas de aprendizaje supervisado con el objetivo de clasificar de forma automática las interneuronas a partir de sus valores morfológicos. A continuación, se presenta una metodología para construir un modelo que captura las opiniones de todos los expertos. Primero, se genera una red bayesiana para cada experto y se propone un algoritmo para agrupar las redes bayesianas que se corresponden con expertos con comportamientos similares. Después, se induce una red bayesiana que modela la opinión de cada grupo de expertos. Por último, se construye una multired bayesiana que modela las opiniones del conjunto completo de expertos. El análisis del modelo consensuado permite identificar diferentes comportamientos entre los expertos a la hora de clasificar las neuronas. Además, permite extraer un conjunto de características morfológicas relevantes para cada uno de los tipos neuronales mediante inferencia con la multired bayesiana. Estos descubrimientos se utilizan para validar el modelo y constituyen información relevante acerca de la morfología neuronal. Por último, se estudia un problema de clasificación en el que la etiqueta de clase de los datos de entrenamiento es incierta. En cambio, disponemos de un conjunto de etiquetas para cada instancia. Este problema está inspirado en el problema de la clasificación de neuronas, en el que un grupo de expertos proporciona una etiqueta de clase para cada instancia de manera individual. Se propone un método para aprender redes bayesianas utilizando vectores de cuentas, que representan el número de expertos que seleccionan cada etiqueta de clase para cada instancia. Estas redes bayesianas se evalúan utilizando bases de datos artificiales de problemas de aprendizaje supervisado.

Propiedades de la trayectoria descrita por un punto cualquiera de una barra cuyos extremos se mueven sobre una curva dada

Se estudian las propiedades de la trayectoria, que dependen de la longitud de la barra y del punto que se torne de ella. Determinación del área comprendida entre la curva dada y la· obtenida. Aplicaciones para la división por medios mecánicos, de superficies cerradas; establecimiento de curvas de transición; estudio de la circulación de vehículos en curva, etc.

Análisis de elementos mecánicos para reducir daños a la fruta en líneas de manipulación.

En una línea experimental de manipulación de fruta, diseñada e instalada en el Departamento de Ingeniería Rural de la Universidad Politécnica de Madrid, fue estudiado el diseño correcto de la estructura de las cintas transportadoras y la regulación y eficacia de elementos deceleradores (cepillo y cortina), con el objetivo de reducir el daño infringido a la fruta, utilizando dos frutos electrónicos IS 100 (8.8 cm Ø y 6.2 cm Ø). Los resultados mostraron que las intensidades de impacto registradas por los frutos electrónicos en los puntos de transferencia pueden ser reducidas (hasta un 53%) utilizando elementos deceleradores bien regulados. El tamaño de la fruta a manipular y el diseño del punto de transferencia deben ser analizados para llevar a cabo una correcta regulación del elemento decelerador. Por otro lado, la ubicación de rodillos estructurales bajo cintas transportadoras en los puntos de transferencia debe ser evitada con el fin de reducir la intensidad del impacto recibido por la fruta.

Posible interrupción de la autovía GC-2 (Gran Canaria) por deslizamientos y desprendimientos rocosos: análisis de estabilidad del acantilado de el Rincón

En este trabajo se han identificado los deslizamientos y desprendimientos que se pueden desarrollar en el acantilado de El Rincón (Gran Canaria) y sus repercusiones sobre la Autovía GC-2, en la base del acantilado. El análisis de estabilidad realizado para las condiciones actuales indica que la ladera es estable. El análisis a largo plazo considera el sustrato saturado en agua y se limita a los dos bloques rocosos más susceptibles de experimentar deslizamiento: uno a media ladera y otro en coronación. El deslizamiento del bloque de coronación parece más probable ya que sólo requiere la saturación de los piroclastos y está favorecido por la progresiva apertura de la grieta subvertical. Por último, la evaluación de los desprendimientos rocosos que afectan al acantilado indica que los bloques no alcanzarían la calzada de la autovía GC-2; sino que se acumularían en los conos de deyección presentes al pie de la ladera.

Método de análisis diacrónico para la intervención en el alojamiento con criterios ecológicos. El caso de Madrid 1940–2100

Las evidencias del impacto sobre el medio ambiente asociado al funcionamiento de las ciudades hacen que sea urgente proponer medidas que reduzcan este consumo y mejoren la eficiencia del metabolismo urbano. La existencia de límites en la disponibilidad de recursos materiales y energéticos, plantea actualmente un reto importante al ser humano: ¿son posibles otras formas de organización más adecuadas a esta condición de limitación? Para dar respuesta, resulta fundamental conocer cómo interactuarán nuestros sistemas urbanos en un modelo económico de continuo desarrollo, con la población que alojan, y si podrán adaptarse a la capacidad de carga limitada del Planeta, evitando futuras situaciones de colapso anunciadas desde distintos ámbitos científicos. En ese contexto, la tesis formula un método de análisis del alojamiento que, mediante la evaluación a largo plazo, permita proponer medidas de intervención para reducir el consumo de recursos asociado a su funcionamiento. Se parte de un enfoque ecológico para definir el alojamiento como una parte fundamental del sistema urbano, que está compuesto por tres elementos: habitantes, viviendas y recursos naturales; por tanto, para reducir los impactos asociados al alojamiento es necesario tener en cuenta la diferente naturaleza de estos elementos y el carácter dinámico de las relaciones que se producen entre ellos. La Ecología, a través del estudio de los ecosistemas, ha identificado estrategias de supervivencia y adaptación ante los cambios y perturbaciones. La similitud entre los elementos de un ecosistema (población y soporte) y los del alojamiento (habitantes, viviendas y recursos naturales) permite verificar que la aplicación de estas estrategias al alojamiento puede conducir a situaciones más deseables en la relación de los sistemas urbanos con su entorno A partir de esta hipótesis, se propone un método de análisis diacrónico1 o a largo plazo, para conocer la evolución en el tiempo del alojamiento a través de la cuantificación de una serie de indicadores descriptivos de los habitantes, las viviendas y los recursos naturales. La aplicación de este método a un sistema urbano permitiría conocer las características de los elementos del sistema y, para un ámbito temporal de futuro, prever su evolución, identificar escenarios no deseables y proponer medidas de intervención que corrijan anticipadamente estas situaciones y eviten impactos ambientales innecesarios. La validación del método de análisis se realiza mediante la aplicación al caso de Madrid en periodo retrospectivo (de 1940 a 2010) A partir del estudio de la evolución en Madrid de los indicadores seleccionados, se proponen medidas de intervención en el alojamiento basadas en estrategias ecológicas que habrían conducido a una evolución alternativa con un impacto menor sobre el medio ambiente que la situación actual. El método de análisis se aplica con carácter prospectivo definiendo tres escenarios de futuro para Madrid hasta 2100. Para cada uno de ellos se analiza la evolución previsible de los indicadores y se proponen diferentes medidas de intervención que, desde el punto de vista ecológico, conducirían a una situación más adecuada. La tesis concluye en el interés de este método de análisis diacrónico que permite estimar posibilidades en la evolución futura del alojamiento, identificar las necesidades de recursos para responder a las demandas de los habitantes y, desde un enfoque ecológico, definir, cuantificar y evaluar posibles medidas de intervención que reduzcan los impactos ambientales. El método, por tanto, es una herramienta de interés para la toma de decisiones en la intervención en el alojamiento y en la planificación urbana a largo plazo. ABSTRACT Evidence of the impact on the environment associated with the operation of cities make it urgent to propose measures to reduce energy consumption and improve the efficiency of urban metabolism. The limited availability of materials and energy resources currently poses a significant challenge to human beings: are more appropriate forms of organization for this limitation possible? In response, it is essential to know how our urban systems with the population they host will interact in an economic model of continuous development and whether they can adapt to the limited endurance capacity of the planet, thus avoiding future collapse situations which are being announced from different scientific fields. In this context, the thesis puts forward a method of housing analysis that by a long term assessment will enable to propose intervention measures to reduce resource consumption associated with its operation. The thesis is based on an ecological approach to identify housing as a fundamental part of the urban system, which is composed of three elements: inhabitants, homes and natural resources. Therefore, in order to reduce the impacts associated with housing it is necessary to consider the characteristics of these elements and the dynamic nature of the relationships among them. Ecology, through the analysis of ecosystems, has identified strategies for survival and adaptation to changes and disturbances. The similarity between the elements of an ecosystem (population and support) and housing (inhabitants, homes and natural resources) enables to verify that the implementation of these strategies to housing can lead to better situations in the relationship existing between urban systems with their environment. From this hypothesis, a diachronic or long term analysis method is proposed to know the evolution of housing over time through the quantification of a descriptive indicators series of inhabitants, homes and natural resources. The implementation of this method to a urban system would allow better knowledge of the characteristics of these elements and forecast their development, identify undesirable scenarios and propose early intervention measures to correct these situations and avoid unnecessary environmental impacts. The validation of the method of analysis has been proved in the city of Madrid for the years 1940-2010. From the analysis of the evolution of the indicators selected, accommodation intervention measures are proposed based on ecological strategies that would have led to an alternative development having less impact on the environment than that of the current situation. The analysis method is implemented prospectively defining three future scenarios for the city of Madrid until 2100. The likely evolution of the indicators are analyzed for each scenario and various intervention measures that would lead to a better situation from an ecological point of view are proposed. The thesis conclusion states the interest of this diachronic analysis method to estimate potential future developments in the housing field, identify resource requirements to meet the demands of the citizens and, from an ecological approach, define, quantify and assess possible intervention measures to reduce environmental impacts. The method, therefore, is an interesting tool for decision-making process as for the intervention in housing and urban planning in the long term.

Distributed control strategies for photovoltaic systems in urban environments

Este trabajo es una contribución a los sistemas fotovoltaicos (FV) con seguimiento distribuido del punto de máxima potencia (DMPPT), una topología que se caracteriza porque lleva a cabo el MPPT a nivel de módulo, al contrario de las topologías más tradicionales que llevan a cabo el MPPT para un número más elevado de módulos, pudiendo ser hasta cientos de módulos. Las dos tecnologías DMPPT que existen en el mercado son conocidos como microinversores y optimizadores de potencia, y ofrecen ciertas ventajas sobre sistemas de MPPT central como: mayor producción en situaciones de mismatch, monitorización individual de cada módulo, flexibilidad de diseño, mayor seguridad del sistema, etc. Aunque los sistemas DMPPT no están limitados a los entornos urbanos, se ha enfatizado en el título ya que es su mercado natural, siendo difícil una justificación de su sobrecoste en grandes huertas solares en suelo. Desde el año 2010 el mercado de estos sistemas ha incrementado notablemente y sigue creciendo de una forma continuada. Sin embargo, todavía falta un conocimiento profundo de cómo funcionan estos sistemas, especialmente en el caso de los optimizadores de potencia, de las ganancias energéticas esperables en condiciones de mismatch y de las posibilidades avanzadas de diagnóstico de fallos. El principal objetivo de esta tesis es presentar un estudio completo de cómo funcionan los sistemas DMPPT, sus límites y sus ventajas, así como experimentos varios que verifican la teoría y el desarrollo de herramientas para valorar las ventajas de utilizar DMPPT en cada instalación. Las ecuaciones que modelan el funcionamiento de los sistemas FVs con optimizadores de potencia se han desarrollado y utilizado para resaltar los límites de los mismos a la hora de resolver ciertas situaciones de mismatch. Se presenta un estudio profundo sobre el efecto de las sombras en los sistemas FVs: en la curva I-V y en los algoritmos MPPT. Se han llevado a cabo experimentos sobre el funcionamiento de los algoritmos MPPT en situaciones de sombreado, señalando su ineficiencia en estas situaciones. Un análisis de la ventaja del uso de DMPPT frente a los puntos calientes es presentado y verificado. También se presenta un análisis sobre las posibles ganancias en potencia y energía con el uso de DMPPT en condiciones de sombreado y este también es verificado experimentalmente, así como un breve estudio de su viabilidad económica. Para ayudar a llevar a cabo todos los análisis y experimentos descritos previamente se han desarrollado una serie de herramientas software. Una siendo un programa en LabView para controlar un simulador solar y almacenar las medidas. También se ha desarrollado un programa que simula curvas I-V de módulos y generador FVs afectados por sombras y este se ha verificado experimentalmente. Este mismo programa se ha utilizado para desarrollar un programa todavía más completo que estima las pérdidas anuales y las ganancias obtenidas con DMPPT en instalaciones FVs afectadas por sombras. Finalmente, se han desarrollado y verificado unos algoritmos para diagnosticar fallos en sistemas FVs con DMPPT. Esta herramienta puede diagnosticar los siguientes fallos: sombras debido a objetos fijos (con estimación de la distancia al objeto), suciedad localizada, suciedad general, posible punto caliente, degradación de módulos y pérdidas en el cableado de DC. Además, alerta al usuario de las pérdidas producidas por cada fallo y no requiere del uso de sensores de irradiancia y temperatura. ABSTRACT This work is a contribution to photovoltaic (PV) systems with distributed maximum power point tracking (DMPPT), a system topology characterized by performing the MPPT at module level, instead of the more traditional topologies which perform MPPT for a larger number of modules. The two DMPPT technologies available at the moment are known as microinverters and power optimizers, also known as module level power electronics (MLPE), and they provide certain advantages over central MPPT systems like: higher energy production in mismatch situations, monitoring of each individual module, system design flexibility, higher system safety, etc. Although DMPPT is not limited to urban environments, it has been emphasized in the title as it is their natural market, since in large ground-mounted PV plants the extra cost is difficult to justify. Since 2010 MLPE have increased their market share steadily and continuing to grow steadily. However, there still lacks a profound understanding of how they work, especially in the case of power optimizers, the achievable energy gains with their use and the possibilities in failure diagnosis. The main objective of this thesis is to provide a complete understanding of DMPPT technologies: how they function, their limitations and their advantages. A series of equations used to model PV arrays with power optimizers have been derived and used to point out limitations in solving certain mismatch situation. Because one of the most emphasized benefits of DMPPT is their ability to mitigate shading losses, an extensive study on the effects of shadows on PV systems is presented; both on the I-V curve and on MPPT algorithms. Experimental tests have been performed on the MPPT algorithms of central inverters and MLPE, highlighting their inefficiency in I-V curves with local maxima. An analysis of the possible mitigation of hot-spots with DMPPT is discussed and experimentally verified. And a theoretical analysis of the possible power and energy gains is presented as well as experiments in real PV systems. A short economic analysis of the benefits of DMPPT has also been performed. In order to aide in the previous task, a program which simulates I-V curves under shaded conditions has been developed and experimentally verified. This same program has been used to develop a software tool especially designed for PV systems affected by shading, which estimates the losses due to shading and the energy gains obtained with DMPPT. Finally, a set of algorithms for diagnosing system faults in PV systems with DMPPT has been developed and experimentally verified. The tool can diagnose the following failures: fixed object shading (with distance estimation), localized dirt, generalized dirt, possible hot-spots, module degradation and excessive losses in DC cables. In addition, it alerts the user of the power losses produced by each failure and classifies the failures by their severity and it does not require the use of irradiance or temperature sensors.