Algoritmos de distribución de cargas de proceso en computación con membranas

Con el surgir de los problemas irresolubles de forma eficiente en tiempo polinomial en base al dato de entrada, surge la Computación Natural como alternativa a la computación clásica. En esta disciplina se trata de o bien utilizar la naturaleza como base de cómputo o bien, simular su comportamiento para obtener mejores soluciones a los problemas que los encontrados por la computación clásica. Dentro de la computación natural, y como una representación a nivel celular, surge la Computación con Membranas. La primera abstracción de las membranas que se encuentran en las células, da como resultado los P sistemas de transición. Estos sistemas, que podrían ser implementados en medios biológicos o electrónicos, son la base de estudio de esta Tesis. En primer lugar, se estudian las implementaciones que se han realizado, con el fin de centrarse en las implementaciones distribuidas, que son las que pueden aprovechar las características intrínsecas de paralelismo y no determinismo. Tras un correcto estudio del estado actual de las distintas etapas que engloban a la evolución del sistema, se concluye con que las distribuciones que buscan un equilibrio entre las dos etapas (aplicación y comunicación), son las que mejores resultados presentan. Para definir estas distribuciones, es necesario definir completamente el sistema, y cada una de las partes que influyen en su transición. Además de los trabajos de otros investigadores, y junto a ellos, se realizan variaciones a los proxies y arquitecturas de distribución, para tener completamente definidos el comportamiento dinámico de los P sistemas. A partir del conocimiento estático –configuración inicial– del P sistema, se pueden realizar distribuciones de membranas en los procesadores de un clúster para obtener buenos tiempos de evolución, con el fin de que la computación del P sistema sea realizada en el menor tiempo posible. Para realizar estas distribuciones, hay que tener presente las arquitecturas –o forma de conexión– de los procesadores del clúster. La existencia de 4 arquitecturas, hace que el proceso de distribución sea dependiente de la arquitectura a utilizar, y por tanto, aunque con significativas semejanzas, los algoritmos de distribución deben ser realizados también 4 veces. Aunque los propulsores de las arquitecturas han estudiado el tiempo óptimo de cada arquitectura, la inexistencia de distribuciones para estas arquitecturas ha llevado a que en esta Tesis se probaran las 4, hasta que sea posible determinar que en la práctica, ocurre lo mismo que en los estudios teóricos. Para realizar la distribución, no existe ningún algoritmo determinista que consiga una distribución que satisfaga las necesidades de la arquitectura para cualquier P sistema. Por ello, debido a la complejidad de dicho problema, se propone el uso de metaheurísticas de Computación Natural. En primer lugar, se propone utilizar Algoritmos Genéticos, ya que es posible realizar alguna distribución, y basada en la premisa de que con la evolución, los individuos mejoran, con la evolución de dichos algoritmos, las distribuciones también mejorarán obteniéndose tiempos cercanos al óptimo teórico. Para las arquitecturas que preservan la topología arbórea del P sistema, han sido necesarias realizar nuevas representaciones, y nuevos algoritmos de cruzamiento y mutación. A partir de un estudio más detallado de las membranas y las comunicaciones entre procesadores, se ha comprobado que los tiempos totales que se han utilizado para la distribución pueden ser mejorados e individualizados para cada membrana. Así, se han probado los mismos algoritmos, obteniendo otras distribuciones que mejoran los tiempos. De igual forma, se han planteado el uso de Optimización por Enjambres de Partículas y Evolución Gramatical con reescritura de gramáticas (variante de Evolución Gramatical que se presenta en esta Tesis), para resolver el mismo cometido, obteniendo otro tipo de distribuciones, y pudiendo realizar una comparativa de las arquitecturas. Por último, el uso de estimadores para el tiempo de aplicación y comunicación, y las variaciones en la topología de árbol de membranas que pueden producirse de forma no determinista con la evolución del P sistema, hace que se deba de monitorizar el mismo, y en caso necesario, realizar redistribuciones de membranas en procesadores, para seguir obteniendo tiempos de evolución razonables. Se explica, cómo, cuándo y dónde se deben realizar estas modificaciones y redistribuciones; y cómo es posible realizar este recálculo. Abstract Natural Computing is becoming a useful alternative to classical computational models since it its able to solve, in an efficient way, hard problems in polynomial time. This discipline is based on biological behaviour of living organisms, using nature as a basis of computation or simulating nature behaviour to obtain better solutions to problems solved by the classical computational models. Membrane Computing is a sub discipline of Natural Computing in which only the cellular representation and behaviour of nature is taken into account. Transition P Systems are the first abstract representation of membranes belonging to cells. These systems, which can be implemented in biological organisms or in electronic devices, are the main topic studied in this thesis. Implementations developed in this field so far have been studied, just to focus on distributed implementations. Such distributions are really important since they can exploit the intrinsic parallelism and non-determinism behaviour of living cells, only membranes in this case study. After a detailed survey of the current state of the art of membranes evolution and proposed algorithms, this work concludes that best results are obtained using an equal assignment of communication and rules application inside the Transition P System architecture. In order to define such optimal distribution, it is necessary to fully define the system, and each one of the elements that influence in its transition. Some changes have been made in the work of other authors: load distribution architectures, proxies definition, etc., in order to completely define the dynamic behaviour of the Transition P System. Starting from the static representation –initial configuration– of the Transition P System, distributions of membranes in several physical processors of a cluster is algorithmically done in order to get a better performance of evolution so that the computational complexity of the Transition P System is done in less time as possible. To build these distributions, the cluster architecture –or connection links– must be considered. The existence of 4 architectures, makes that the process of distribution depends on the chosen architecture, and therefore, although with significant similarities, the distribution algorithms must be implemented 4 times. Authors who proposed such architectures have studied the optimal time of each one. The non existence of membrane distributions for these architectures has led us to implement a dynamic distribution for the 4. Simulations performed in this work fix with the theoretical studies. There is not any deterministic algorithm that gets a distribution that meets the needs of the architecture for any Transition P System. Therefore, due to the complexity of the problem, the use of meta-heuristics of Natural Computing is proposed. First, Genetic Algorithm heuristic is proposed since it is possible to make a distribution based on the premise that along with evolution the individuals improve, and with the improvement of these individuals, also distributions enhance, obtaining complexity times close to theoretical optimum time. For architectures that preserve the tree topology of the Transition P System, it has been necessary to make new representations of individuals and new algorithms of crossover and mutation operations. From a more detailed study of the membranes and the communications among processors, it has been proof that the total time used for the distribution can be improved and individualized for each membrane. Thus, the same algorithms have been tested, obtaining other distributions that improve the complexity time. In the same way, using Particle Swarm Optimization and Grammatical Evolution by rewriting grammars (Grammatical Evolution variant presented in this thesis), to solve the same distribution task. New types of distributions have been obtained, and a comparison of such genetic and particle architectures has been done. Finally, the use of estimators for the time of rules application and communication, and variations in tree topology of membranes that can occur in a non-deterministic way with evolution of the Transition P System, has been done to monitor the system, and if necessary, perform a membrane redistribution on processors to obtain reasonable evolution time. How, when and where to make these changes and redistributions, and how it can perform this recalculation, is explained.

Efficient numerical methods for global linear instability. Analysis and modeling of non-orthogonal swept attachment-line boundary layer flow

The aim of this thesis is to study the mechanisms of instability that occur in swept wings when the angle of attack increases. For this, a simplified model for the a simplified model for the non-orthogonal swept leading edge boundary layer has been used as well as different numerical techniques in order to solve the linear stability problem that describes the behavior of perturbations superposed upon this base flow. Two different approaches, matrix-free and matrix forming methods, have been validated using direct numerical simulations with spectral resolution. In this way, flow instability in the non-orthogonal swept attachment-line boundary layer is addressed in a linear analysis framework via the solution of the pertinent global (Bi-Global) PDE-based eigenvalue problem. Subsequently, a simple extension of the extended G¨ortler-H¨ammerlin ODEbased polynomial model proposed by Theofilis, Fedorov, Obrist & Dallmann (2003) for orthogonal flow, which includes previous models as particular cases and recovers global instability analysis results, is presented for non-orthogonal flow. Direct numerical simulations have been used to verify the stability results and unravel the limits of validity of the basic flow model analyzed. The effect of the angle of attack, AoA, on the critical conditions of the non-orthogonal problem has been documented; an increase of the angle of attack, from AoA = 0 (orthogonal flow) up to values close to _/2 which make the assumptions under which the basic flow is derived questionable, is found to systematically destabilize the flow. The critical conditions of non-orthogonal flows at 0 _ AoA _ _/2 are shown to be recoverable from those of orthogonal flow, via a simple analytical transformation involving AoA. These results can help to understand the mechanisms of destabilization that occurs in the attachment line of wings at finite angles of attack. Studies taking into account variations of the pressure field in the basic flow or the extension to compressible flows are issues that remain open. El objetivo de esta tesis es estudiar los mecanismos de la inestabilidad que se producen en ciertos dispositivos aerodinámicos cuando se aumenta el ángulo de ataque. Para ello se ha utilizado un modelo simplificado del flujo de base, así como diferentes técnicas numéricas, con el fin de resolver el problema de estabilidad lineal asociado que describe el comportamiento de las perturbaciones. Estos métodos; sin y con formación de matriz, se han validado utilizando simulaciones numéricas directas con resolución espectral. De esta manera, la inestabilidad del flujo de capa límite laminar oblicuo entorno a la línea de estancamiento se aborda en un marco de análisis lineal por medio del método Bi-Global de resolución del problema de valores propios en derivadas parciales. Posteriormente se propone una extensión simple para el flujo no-ortogonal del modelo polinomial de ecuaciones diferenciales ordinarias, G¨ortler-H¨ammerlin extendido, propuesto por Theofilis et al. (2003) para el flujo ortogonal, que incluye los modelos previos como casos particulares y recupera los resultados del analisis global de estabilidad lineal. Se han realizado simulaciones directas con el fin de verificar los resultados del análisis de estabilidad así como para investigar los límites de validez del modelo de flujo base utilizado. En este trabajo se ha documentado el efecto del ángulo de ataque AoA en las condiciones críticas del problema no ortogonal obteniendo que el incremento del ángulo de ataque, de AoA = 0 (flujo ortogonal) hasta valores próximos a _/2, en el cual las hipótesis sobre las que se basa el flujo base dejan de ser válidas, tiende sistemáticamente a desestabilizar el flujo. Las condiciones críticas del caso no ortogonal 0 _ AoA _ _/2 pueden recuperarse a partir del caso ortogonal mediante el uso de una transformación analítica simple que implica el ángulo de ataque AoA. Estos resultados pueden ayudar a comprender los mecanismos de desestabilización que se producen en el borde de ataque de las alas de los aviones a ángulos de ataque finitos. Como tareas pendientes quedaría realizar estudios que tengan en cuenta variaciones del campo de presión en el flujo base así como la extensión de éste al caso de flujos compresibles.

Using ACO metaheuristic for MWT problem

Globally optimal triangulations are difficult to be found by deterministic methods as, for most type of criteria, no polynomial algorithm is known. In this work, we consider the Minimum Weight Triangulation (MWT) problem of a given set of n points in the plane. This paper shows how the Ant Colony Optimization (ACO) metaheuristic can be used to find high quality triangulations. For the experimental study we have created a set of instances for MWT problem since no reference to benchmarks for these problems were found in the literature. Through the experimental evaluation, we assess the applicability of the ACO metaheuristic for MWT problem.

Approximations on minimum weight pseudo-triangulation problem using ant colony optimization

In this work, we consider the Minimum Weight Pseudo-Triangulation (MWPT) problem of a given set of n points in the plane. Globally optimal pseudo-triangulations with respect to the weight, as optimization criteria, are difficult to be found by deterministic methods, since no polynomial algorithm is known. We show how the Ant Colony Optimization (ACO) metaheuristic can be used to find high quality pseudo-triangulations of minimum weight. We present the experimental and statistical study based on our own set of instances since no reference to benchmarks for these problems were found in the literature. Throughout the experimental evaluation, we appraise the ACO metaheuristic performance for MWPT problem.

Estudio de la aplicabilidad de las aproximaciones uniformes al análisis de series históricas : aplicación al caso de los precios del cobre

El objetivo de este proyecto de investigación es comparar dos técnicas matemáticas de aproximación polinómica, las aproximaciones según el criterio de mínimos cuadrados y las aproximaciones uniformes (“minimax”). Se describen tanto el mercado actual del cobre, con sus fluctuaciones a lo largo del tiempo, como los distintos modelos matemáticos y programas informáticos disponibles. Como herramienta informática se ha seleccionado Matlab®, cuya biblioteca matemática es muy amplia y de uso muy extendido y cuyo lenguaje de programación es suficientemente potente para desarrollar los programas que se necesiten. Se han obtenido diferentes polinomios de aproximación sobre una muestra (serie histórica) que recoge la variación del precio del cobre en los últimos años. Se ha analizado la serie histórica completa y dos tramos significativos de ella. Los resultados obtenidos incluyen valores de interés para otros proyectos. Abstract The aim of this research project is to compare two mathematical models for estimating polynomial approximation, the approximations according to the criterion of least squares approximations uniform (“Minimax”). Describes both the copper current market, fluctuating over time as different computer programs and mathematical models available. As a modeling tool is selected main Matlab® which math library is the largest and most widely used programming language and which is powerful enough to allow you to develop programs that are needed. We have obtained different approximating polynomials, applying mathematical methods chosen, a sample (historical series) which indicates the fluctuation in copper prices in last years. We analyzed the complete historical series and two significant sections of it. The results include values that we consider relevant to other projects

Parametrization of the average ionization and radiative cooling rates of carbon plasmas in a wide range of density and temperature

In this work we present an analysis of the influence of the thermodynamic regime on the monochromatic emissivity, the radiative power loss and the radiative cooling rate for optically thin carbon plasmas over a wide range of electron temperature and density assuming steady state situations. Furthermore, we propose analytical expressions depending on the electron density and temperature for the average ionization and cooling rate based on polynomial fittings which are valid for the whole range of plasma conditions considered in this work.

Limits of the power of Tissue P systems with cell division

Tissue P systems generalize the membrane structure tree usual in original models of P systems to an arbitrary graph. Basic opera- tions in these systems are communication rules, enriched in some variants with cell division or cell separation. Several variants of tissue P systems were recently studied, together with the concept of uniform families of these systems. Their computational power was shown to range between P and NP ? co-NP , thus characterizing some interesting borderlines between tractability and intractability. In this paper we show that com- putational power of these uniform families in polynomial time is limited by the class PSPACE . This class characterizes the power of many clas- sical parallel computing models

Contributions to trajectory prediction theory and its application to arrival management for air traffic control

La gestión del tráfico aéreo (Air Traffic Management, ATM) está experimentando un cambio de paradigma hacia las denominadas operaciones basadas trayectoria. Bajo dicho paradigma se modifica el papel de los controladores de tráfico aéreo desde una operativa basada su intervención táctica continuada hacia una labor de supervisión a más largo plazo. Esto se apoya en la creciente confianza en las soluciones aportadas por las herramientas automatizadas de soporte a la decisión más modernas. Para dar soporte a este concepto, se precisa una importante inversión para el desarrollo, junto con la adquisición de nuevos equipos en tierra y embarcados, que permitan la sincronización precisa de la visión de la trayectoria, basada en el intercambio de información entre ambos actores. Durante los últimos 30 a 40 años las aerolíneas han generado uno de los menores retornos de la inversión de entre todas las industrias. Sin beneficios tangibles, la industria aérea tiene dificultades para atraer el capital requerido para su modernización, lo que retrasa la implantación de dichas mejoras. Esta tesis tiene como objetivo responder a la pregunta de si las capacidades actualmente instaladas en las aeronaves comerciales se pueden aplicar para lograr la sincronización de la trayectoria con el nivel de calidad requerido. Además, se analiza en ella si, conjuntamente con mejoras en las herramientas de predicción trayectorias instaladas en tierra en para facilitar la gestión de las arribadas, dichas capacidades permiten obtener los beneficios esperados en el marco de las operaciones basadas en trayectoria. Esto podría proporcionar un incentivo para futuras actualizaciones de la aviónica que podrían llevar a mejoras adicionales. El concepto operacional propuesto en esta tesis tiene como objetivo permitir que los aviones sean pilotados de una manera consistente con las técnicas actuales de vuelo optimizado. Se permite a las aeronaves que desciendan en el denominado “modo de ángulo de descenso gestionado” (path-managed mode), que es el preferido por la mayoría de las compañías aéreas, debido a que conlleva un reducido consumo de combustible. El problema de este modo es que en él no se controla de forma activa el tiempo de llegada al punto de interés. En nuestro concepto operacional, la incertidumbre temporal se gestiona en mediante de la medición del tiempo en puntos estratégicamente escogidos a lo largo de la trayectoria de la aeronave, y permitiendo la modificación por el control de tierra de la velocidad de la aeronave. Aunque la base del concepto es la gestión de las ordenes de velocidad que se proporcionan al piloto, para ser capaces de operar con los niveles de equipamiento típicos actualmente, dicho concepto también constituye un marco en el que la aviónica más avanzada (por ejemplo, que permita el control por el FMS del tiempo de llegada) puede integrarse de forma natural, una vez que esta tecnología este instalada. Además de gestionar la incertidumbre temporal a través de la medición en múltiples puntos, se intenta reducir dicha incertidumbre al mínimo mediante la mejora de las herramienta de predicción de la trayectoria en tierra. En esta tesis se presenta una novedosa descomposición del proceso de predicción de trayectorias en dos etapas. Dicha descomposición permite integrar adecuadamente los datos de la trayectoria de referencia calculada por el Flight Management System (FMS), disponibles usando Futuro Sistema de Navegación Aérea (FANS), en el sistema de predicción de trayectorias en tierra. FANS es un equipo presente en los aviones comerciales de fuselaje ancho actualmente en la producción, e incluso algunos aviones de fuselaje estrecho pueden tener instalada avionica FANS. Además de informar automáticamente de la posición de la aeronave, FANS permite proporcionar (parte de) la trayectoria de referencia en poder de los FMS, pero la explotación de esta capacidad para la mejora de la predicción de trayectorias no se ha estudiado en profundidad en el pasado. La predicción en dos etapas proporciona una solución adecuada al problema de sincronización de trayectorias aire-tierra dado que permite la sincronización de las dimensiones controladas por el sistema de guiado utilizando la información de la trayectoria de referencia proporcionada mediante FANS, y también facilita la mejora en la predicción de las dimensiones abiertas restantes usado un modelo del guiado que explota los modelos meteorológicos mejorados disponibles en tierra. Este proceso de predicción de la trayectoria de dos etapas se aplicó a una muestra de 438 vuelos reales que realizaron un descenso continuo (sin intervención del controlador) con destino Melbourne. Dichos vuelos son de aeronaves del modelo Boeing 737-800, si bien la metodología descrita es extrapolable a otros tipos de aeronave. El método propuesto de predicción de trayectorias permite una mejora en la desviación estándar del error de la estimación del tiempo de llegada al punto de interés, que es un 30% menor que la que obtiene el FMS. Dicha trayectoria prevista mejorada se puede utilizar para establecer la secuencia de arribadas y para la asignación de las franjas horarias para cada aterrizaje (slots). Sobre la base del slot asignado, se determina un perfil de velocidades que permita cumplir con dicho slot con un impacto mínimo en la eficiencia del vuelo. En la tesis se propone un nuevo algoritmo que determina las velocidades requeridas sin necesidad de un proceso iterativo de búsqueda sobre el sistema de predicción de trayectorias. El algoritmo se basa en una parametrización inteligente del proceso de predicción de la trayectoria, que permite relacionar el tiempo estimado de llegada con una función polinómica. Resolviendo dicho polinomio para el tiempo de llegada deseado, se obtiene de forma natural el perfil de velocidades optimo para cumplir con dicho tiempo de llegada sin comprometer la eficiencia. El diseño de los sistemas de gestión de arribadas propuesto en esta tesis aprovecha la aviónica y los sistemas de comunicación instalados de un modo mucho más eficiente, proporcionando valor añadido para la industria. Por tanto, la solución es compatible con la transición hacia los sistemas de aviónica avanzados que están desarrollándose actualmente. Los beneficios que se obtengan a lo largo de dicha transición son un incentivo para inversiones subsiguientes en la aviónica y en los sistemas de control de tráfico en tierra. ABSTRACT Air traffic management (ATM) is undergoing a paradigm shift towards trajectory based operations where the role of an air traffic controller evolves from that of continuous intervention towards supervision, as decision making is improved based on increased confidence in the solutions provided by advanced automation. To support this concept, significant investment for the development and acquisition of new equipment is required on the ground as well as in the air, to facilitate the high degree of trajectory synchronisation and information exchange required. Over the past 30-40 years the airline industry has generated one of the lowest returns on invested capital among all industries. Without tangible benefits realised, the airline industry may find it difficult to attract the required investment capital and delay acquiring equipment needed to realise the concept of trajectory based operations. In response to these challenges facing the modernisation of ATM, this thesis aims to answer the question whether existing aircraft capabilities can be applied to achieve sufficient trajectory synchronisation and improvements to ground-based trajectory prediction in support of the arrival management process, to realise some of the benefits envisioned under trajectory based operations, and to provide an incentive for further avionics upgrades. The proposed operational concept aims to permit aircraft to operate in a manner consistent with current optimal aircraft operating techniques. It allows aircraft to descend in the fuel efficient path managed mode as preferred by a majority of airlines, with arrival time not actively controlled by the airborne automation. The temporal uncertainty is managed through metering at strategically chosen points along the aircraft’s trajectory with primary use of speed advisories. While the focus is on speed advisories to support all aircraft and different levels of equipage, the concept also constitutes a framework in which advanced avionics as airborne time-of-arrival control can be integrated once this technology is widely available. In addition to managing temporal uncertainty through metering at multiple points, this temporal uncertainty is minimised by improving the supporting trajectory prediction capability. A novel two-stage trajectory prediction process is presented to adequately integrate aircraft trajectory data available through Future Air Navigation Systems (FANS) into the ground-based trajectory predictor. FANS is standard equipment on any wide-body aircraft in production today, and some single-aisle aircraft are easily capable of being fitted with FANS. In addition to automatic position reporting, FANS provides the ability to provide (part of) the reference trajectory held by the aircraft’s Flight Management System (FMS), but this capability has yet been widely overlooked. The two-stage process provides a ‘best of both world’s’ solution to the air-ground synchronisation problem by synchronising with the FMS reference trajectory those dimensions controlled by the guidance mode, and improving on the prediction of the remaining open dimensions by exploiting the high resolution meteorological forecast available to a ground-based system. The two-stage trajectory prediction process was applied to a sample of 438 FANS-equipped Boeing 737-800 flights into Melbourne conducting a continuous descent free from ATC intervention, and can be extrapolated to other types of aircraft. Trajectories predicted through the two-stage approach provided estimated time of arrivals with a 30% reduction in standard deviation of the error compared to estimated time of arrival calculated by the FMS. This improved predicted trajectory can subsequently be used to set the sequence and allocate landing slots. Based on the allocated landing slot, the proposed system calculates a speed schedule for the aircraft to meet this landing slot at minimal flight efficiency impact. A novel algorithm is presented that determines this speed schedule without requiring an iterative process in which multiple calls to a trajectory predictor need to be made. The algorithm is based on parameterisation of the trajectory prediction process, allowing the estimate time of arrival to be represented by a polynomial function of the speed schedule, providing an analytical solution to the speed schedule required to meet a set arrival time. The arrival management solution proposed in this thesis leverages the use of existing avionics and communications systems resulting in new value for industry for current investment. The solution therefore supports a transition concept from mixed equipage towards advanced avionics currently under development. Benefits realised under this transition may provide an incentive for ongoing investment in avionics.

A C1 finite element for Kirchhoff plate bending

After a short introduction the possibilities and limitations of polynomial simple elements with C1 continuity are discussed with reference to plate bending analysis. A family of this kind of elements is presented.. These elements are applied to simple cases in order to assess their computational efficiency. Finally some conclusions are shown, and future research is also proposed.

An algorithm for graphical computer results in shells

A Finite Element technique to interpolate general data (function values and its derivatives) has been developped. The technique can be considered as a generalized solution of the classical polynomial interpolation, because the condition for the interpolating function to be a polynomial is replaced by a minimizing condition of a given “smoothing” functional. In this way it is possible to find interpolating functions with a given level of continuity according to the class of finite elements used. Examples have been presented in order to assess the accuracy and efficiency of the procedure.

Optimización de una energía mediante cortes de grafos. Segmentación de imágenes

La segmentación de imágenes puede plantearse como un problema de minimización de una energía discreta. Nos enfrentamos así a una doble cuestión: definir una energía cuyo mínimo proporcione la segmentación buscada y, una vez definida la energía, encontrar un mínimo absoluto de la misma. La primera parte de esta tesis aborda el segundo problema, y la segunda parte, en un contexto más aplicado, el primero. Las técnicas de minimización basadas en cortes de grafos permiten obtener el mínimo de una energía discreta en tiempo polinomial mediante algoritmos de tipo min-cut/max-flow. Sin embargo, estas técnicas solo pueden aplicarse a energías que son representabas por grafos. Un importante reto es estudiar qué energías son representabas así como encontrar un grafo que las represente, lo que equivale a encontrar una función gadget con variables adicionales. En la primera parte de este trabajo se estudian propiedades de las funciones gadgets que permiten acotar superiormente el número de variables adicionales. Además se caracterizan las energías con cuatro variables que son representabas, definiendo gadgets con dos variables adicionales. En la segunda parte, más práctica, se aborda el problema de segmentación de imágenes médicas, base en muchas ocasiones para la diagnosis y el seguimiento de terapias. La segmentación multi-atlas es una potente técnica de segmentación automática de imágenes médicas, con tres aspectos importantes a destacar: el tipo de registro entre los atlas y la imagen objetivo, la selección de atlas y el método de fusión de etiquetas. Este último punto puede formularse como un problema de minimización de una energía. A este respecto introducimos dos nuevas energías representables. La primera, de orden dos, se utiliza en la segmentación en hígado y fondo de imágenes abdominales obtenidas mediante tomografía axial computarizada. La segunda, de orden superior, se utiliza en la segmentación en hipocampos y fondo de imágenes cerebrales obtenidas mediante resonancia magnética. ABSTRACT The image segmentation can be described as the problem of minimizing a discrete energy. We face two problems: first, to define an energy whose minimum provides the desired segmentation and, second, once the energy is defined we must find its global minimum. The first part of this thesis addresses the second problem, and the second part, in a more applied context, the first problem. Minimization techniques based on graph cuts find the minimum of a discrete energy in polynomial time via min-cut/max-flow algorithms. Nevertheless, these techniques can only be applied to graph-representable energies. An important challenge is to study which energies are graph-representable and to construct graphs which represent these energies. This is the same as finding a gadget function with additional variables. In the first part there are studied the properties of gadget functions which allow the number of additional variables to be bounded from above. Moreover, the graph-representable energies with four variables are characterised and gadgets with two additional variables are defined for these. The second part addresses the application of these ideas to medical image segmentation. This is often the first step in computer-assisted diagnosis and monitoring therapy. Multiatlas segmentation is a powerful automatic segmentation technique for medical images, with three important aspects that are highlighted here: the registration between the atlas and the target image, the atlas selection, and the label fusion method. We formulate the label fusion method as a minimization problem and we introduce two new graph-representable energies. The first is a second order energy and it is used for the segmentation of the liver in computed tomography (CT) images. The second energy is a higher order energy and it is used for the segmentation of the hippocampus in magnetic resonance images (MRI).

Novel techniques for automorphism group computation

Graph automorphism (GA) is a classical problem, in which the objective is to compute the automorphism group of an input graph. In this work we propose four novel techniques to speed up algorithms that solve the GA problem by exploring a search tree. They increase the performance of the algorithm by allowing to reduce the depth of the search tree, and by effectively pruning it. We formally prove that a GA algorithm that uses these techniques correctly computes the automorphism group of the input graph. We also describe how the techniques have been incorporated into the GA algorithm conauto, as conauto-2.03, with at most an additive polynomial increase in its asymptotic time complexity. We have experimentally evaluated the impact of each of the above techniques with several graph families. We have observed that each of the techniques by itself significantly reduces the number of processed nodes of the search tree in some subset of graphs, which justifies the use of each of them. Then, when they are applied together, their effect is combined, leading to reductions in the number of processed nodes in most graphs. This is also reflected in a reduction of the running time, which is substantial in some graph families.

Modelos sin malla en simulación numérica de estructuras aeroespaciales

La presente Tesis Doctoral aborda la introducción de la Partición de Unidad de Bernstein en la forma débil de Galerkin para la resolución de problemas de condiciones de contorno en el ámbito del análisis estructural. La familia de funciones base de Bernstein conforma un sistema generador del espacio de funciones polinómicas que permite construir aproximaciones numéricas para las que no se requiere la existencia de malla: las funciones de forma, de soporte global, dependen únicamente del orden de aproximación elegido y de la parametrización o mapping del dominio, estando las posiciones nodales implícitamente definidas. El desarrollo de la formulación está precedido por una revisión bibliográfica que, con su punto de partida en el Método de Elementos Finitos, recorre las principales técnicas de resolución sin malla de Ecuaciones Diferenciales en Derivadas Parciales, incluyendo los conocidos como Métodos Meshless y los métodos espectrales. En este contexto, en la Tesis se somete la aproximación Bernstein-Galerkin a validación en tests uni y bidimensionales clásicos de la Mecánica Estructural. Se estudian aspectos de la implementación tales como la consistencia, la capacidad de reproducción, la naturaleza no interpolante en la frontera, el planteamiento con refinamiento h-p o el acoplamiento con otras aproximaciones numéricas. Un bloque importante de la investigación se dedica al análisis de estrategias de optimización computacional, especialmente en lo referente a la reducción del tiempo de máquina asociado a la generación y operación con matrices llenas. Finalmente, se realiza aplicación a dos casos de referencia de estructuras aeronáuticas, el análisis de esfuerzos en un angular de material anisotrópico y la evaluación de factores de intensidad de esfuerzos de la Mecánica de Fractura mediante un modelo con Partición de Unidad de Bernstein acoplada a una malla de elementos finitos. ABSTRACT This Doctoral Thesis deals with the introduction of Bernstein Partition of Unity into Galerkin weak form to solve boundary value problems in the field of structural analysis. The family of Bernstein basis functions constitutes a spanning set of the space of polynomial functions that allows the construction of numerical approximations that do not require the presence of a mesh: the shape functions, which are globally-supported, are determined only by the selected approximation order and the parametrization or mapping of the domain, being the nodal positions implicitly defined. The exposition of the formulation is preceded by a revision of bibliography which begins with the review of the Finite Element Method and covers the main techniques to solve Partial Differential Equations without the use of mesh, including the so-called Meshless Methods and the spectral methods. In this context, in the Thesis the Bernstein-Galerkin approximation is subjected to validation in one- and two-dimensional classic benchmarks of Structural Mechanics. Implementation aspects such as consistency, reproduction capability, non-interpolating nature at boundaries, h-p refinement strategy or coupling with other numerical approximations are studied. An important part of the investigation focuses on the analysis and optimization of computational efficiency, mainly regarding the reduction of the CPU cost associated with the generation and handling of full matrices. Finally, application to two reference cases of aeronautic structures is performed: the stress analysis in an anisotropic angle part and the evaluation of stress intensity factors of Fracture Mechanics by means of a coupled Bernstein Partition of Unity - finite element mesh model.

Some consistent finite element formulations of 1-D beam models: a comparative study

A consistent Finite Element formulation was developed for four classical 1-D beam models. This formulation is based upon the solution of the homogeneous differential equation (or equations) associated with each model. Results such as the shape functions, stiffness matrices and consistent force vectors for the constant section beam were found. Some of these results were compared with the corresponding ones obtained by the standard Finite Element Method (i.e. using polynomial expansions for the field variables). Some of the difficulties reported in the literature concerning some of these models may be avoided by this technique and some numerical sensitivity analysis on this subject are presented.

Truncation error estimation in the Discontinuous Galerkin Spectral Element Method

En esta tesis, el método de estimación de error de truncación conocido como restimation ha sido extendido de esquemas de bajo orden a esquemas de alto orden. La mayoría de los trabajos en la bibliografía utilizan soluciones convergidas en mallas de distinto refinamiento para realizar la estimación. En este trabajo se utiliza una solución en una única malla con distintos órdenes polinómicos. Además, no se requiere que esta solución esté completamente convergida, resultando en el método conocido como quasi-a priori T-estimation. La aproximación quasi-a priori estima el error mientras el residuo del método iterativo no es despreciable. En este trabajo se demuestra que algunas de las hipótesis fundamentales sobre el comportamiento del error, establecidas para métodos de bajo orden, dejan de ser válidas en esquemas de alto orden, haciendo necesaria una revisión completa del comportamiento del error antes de redefinir el algoritmo. Para facilitar esta tarea, en una primera etapa se considera el método conocido como Chebyshev Collocation, limitando la aplicación a geometrías simples. La extensión al método Discontinuouos Galerkin Spectral Element Method presenta dificultades adicionales para la definición precisa y la estimación del error, debidos a la formulación débil, la discretización multidominio y la formulación discontinua. En primer lugar, el análisis se enfoca en leyes de conservación escalares para examinar la precisión de la estimación del error de truncación. Después, la validez del análisis se demuestra para las ecuaciones incompresibles y compresibles de Euler y Navier Stokes. El método de aproximación quasi-a priori r-estimation permite desacoplar las contribuciones superficiales y volumétricas del error de truncación, proveyendo información sobre la anisotropía de las soluciones así como su ratio de convergencia con el orden polinómico. Se demuestra que esta aproximación quasi-a priori produce estimaciones del error de truncación con precisión espectral. ABSTRACT In this thesis, the τ-estimation method to estimate the truncation error is extended from low order to spectral methods. While most works in the literature rely on fully time-converged solutions on grids with different spacing to perform the estimation, only one grid with different polynomial orders is used in this work. Furthermore, a non timeconverged solution is used resulting in the quasi-a priori τ-estimation method. The quasi-a priori approach estimates the error when the residual of the time-iterative method is not negligible. It is shown in this work that some of the fundamental assumptions about error tendency, well established for low order methods, are no longer valid in high order schemes, making necessary a complete revision of the error behavior before redefining the algorithm. To facilitate this task, the Chebyshev Collocation Method is considered as a first step, limiting their application to simple geometries. The extension to the Discontinuous Galerkin Spectral Element Method introduces additional features to the accurate definition and estimation of the error due to the weak formulation, multidomain discretization and the discontinuous formulation. First, the analysis focuses on scalar conservation laws to examine the accuracy of the estimation of the truncation error. Then, the validity of the analysis is shown for the incompressible and compressible Euler and Navier Stokes equations. The developed quasi-a priori τ-estimation method permits one to decouple the interfacial and the interior contributions of the truncation error in the Discontinuous Galerkin Spectral Element Method, and provides information about the anisotropy of the solution, as well as its rate of convergence in polynomial order. It is demonstrated here that this quasi-a priori approach yields a spectrally accurate estimate of the truncation error.