Contributions to the Resilience Management in the Internet of Things

El auge del "Internet de las Cosas" (IoT, "Internet of Things") y sus tecnologías asociadas han permitido su aplicación en diversos dominios de la aplicación, entre los que se encuentran la monitorización de ecosistemas forestales, la gestión de catástrofes y emergencias, la domótica, la automatización industrial, los servicios para ciudades inteligentes, la eficiencia energética de edificios, la detección de intrusos, la gestión de desastres y emergencias o la monitorización de señales corporales, entre muchas otras. La desventaja de una red IoT es que una vez desplegada, ésta queda desatendida, es decir queda sujeta, entre otras cosas, a condiciones climáticas cambiantes y expuestas a catástrofes naturales, fallos de software o hardware, o ataques maliciosos de terceros, por lo que se puede considerar que dichas redes son propensas a fallos. El principal requisito de los nodos constituyentes de una red IoT es que estos deben ser capaces de seguir funcionando a pesar de sufrir errores en el propio sistema. La capacidad de la red para recuperarse ante fallos internos y externos inesperados es lo que se conoce actualmente como "Resiliencia" de la red. Por tanto, a la hora de diseñar y desplegar aplicaciones o servicios para IoT, se espera que la red sea tolerante a fallos, que sea auto-configurable, auto-adaptable, auto-optimizable con respecto a nuevas condiciones que puedan aparecer durante su ejecución. Esto lleva al análisis de un problema fundamental en el estudio de las redes IoT, el problema de la "Conectividad". Se dice que una red está conectada si todo par de nodos en la red son capaces de encontrar al menos un camino de comunicación entre ambos. Sin embargo, la red puede desconectarse debido a varias razones, como que se agote la batería, que un nodo sea destruido, etc. Por tanto, se hace necesario gestionar la resiliencia de la red con el objeto de mantener la conectividad entre sus nodos, de tal manera que cada nodo IoT sea capaz de proveer servicios continuos, a otros nodos, a otras redes o, a otros servicios y aplicaciones. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis doctoral se centra en el estudio del problema de conectividad IoT, más concretamente en el desarrollo de modelos para el análisis y gestión de la Resiliencia, llevado a la práctica a través de las redes WSN, con el fin de mejorar la capacidad la tolerancia a fallos de los nodos que componen la red. Este reto se aborda teniendo en cuenta dos enfoques distintos, por una parte, a diferencia de otro tipo de redes de dispositivos convencionales, los nodos en una red IoT son propensos a perder la conexión, debido a que se despliegan en entornos aislados, o en entornos con condiciones extremas; por otra parte, los nodos suelen ser recursos con bajas capacidades en términos de procesamiento, almacenamiento y batería, entre otros, por lo que requiere que el diseño de la gestión de su resiliencia sea ligero, distribuido y energéticamente eficiente. En este sentido, esta tesis desarrolla técnicas auto-adaptativas que permiten a una red IoT, desde la perspectiva del control de su topología, ser resiliente ante fallos en sus nodos. Para ello, se utilizan técnicas basadas en lógica difusa y técnicas de control proporcional, integral y derivativa (PID - "proportional-integral-derivative"), con el objeto de mejorar la conectividad de la red, teniendo en cuenta que el consumo de energía debe preservarse tanto como sea posible. De igual manera, se ha tenido en cuenta que el algoritmo de control debe ser distribuido debido a que, en general, los enfoques centralizados no suelen ser factibles a despliegues a gran escala. El presente trabajo de tesis implica varios retos que conciernen a la conectividad de red, entre los que se incluyen: la creación y el análisis de modelos matemáticos que describan la red, una propuesta de sistema de control auto-adaptativo en respuesta a fallos en los nodos, la optimización de los parámetros del sistema de control, la validación mediante una implementación siguiendo un enfoque de ingeniería del software y finalmente la evaluación en una aplicación real. Atendiendo a los retos anteriormente mencionados, el presente trabajo justifica, mediante una análisis matemático, la relación existente entre el "grado de un nodo" (definido como el número de nodos en la vecindad del nodo en cuestión) y la conectividad de la red, y prueba la eficacia de varios tipos de controladores que permiten ajustar la potencia de trasmisión de los nodos de red en respuesta a eventuales fallos, teniendo en cuenta el consumo de energía como parte de los objetivos de control. Así mismo, este trabajo realiza una evaluación y comparación con otros algoritmos representativos; en donde se demuestra que el enfoque desarrollado es más tolerante a fallos aleatorios en los nodos de la red, así como en su eficiencia energética. Adicionalmente, el uso de algoritmos bioinspirados ha permitido la optimización de los parámetros de control de redes dinámicas de gran tamaño. Con respecto a la implementación en un sistema real, se han integrado las propuestas de esta tesis en un modelo de programación OSGi ("Open Services Gateway Initiative") con el objeto de crear un middleware auto-adaptativo que mejore la gestión de la resiliencia, especialmente la reconfiguración en tiempo de ejecución de componentes software cuando se ha producido un fallo. Como conclusión, los resultados de esta tesis doctoral contribuyen a la investigación teórica y, a la aplicación práctica del control resiliente de la topología en redes distribuidas de gran tamaño. Los diseños y algoritmos presentados pueden ser vistos como una prueba novedosa de algunas técnicas para la próxima era de IoT. A continuación, se enuncian de forma resumida las principales contribuciones de esta tesis: (1) Se han analizado matemáticamente propiedades relacionadas con la conectividad de la red. Se estudia, por ejemplo, cómo varía la probabilidad de conexión de la red al modificar el alcance de comunicación de los nodos, así como cuál es el mínimo número de nodos que hay que añadir al sistema desconectado para su re-conexión. (2) Se han propuesto sistemas de control basados en lógica difusa para alcanzar el grado de los nodos deseado, manteniendo la conectividad completa de la red. Se han evaluado diferentes tipos de controladores basados en lógica difusa mediante simulaciones, y los resultados se han comparado con otros algoritmos representativos. (3) Se ha investigado más a fondo, dando un enfoque más simple y aplicable, el sistema de control de doble bucle, y sus parámetros de control se han optimizado empleando algoritmos heurísticos como el método de la entropía cruzada (CE, "Cross Entropy"), la optimización por enjambre de partículas (PSO, "Particle Swarm Optimization"), y la evolución diferencial (DE, "Differential Evolution"). (4) Se han evaluado mediante simulación, la mayoría de los diseños aquí presentados; además, parte de los trabajos se han implementado y validado en una aplicación real combinando técnicas de software auto-adaptativo, como por ejemplo las de una arquitectura orientada a servicios (SOA, "Service-Oriented Architecture"). ABSTRACT The advent of the Internet of Things (IoT) enables a tremendous number of applications, such as forest monitoring, disaster management, home automation, factory automation, smart city, etc. However, various kinds of unexpected disturbances may cause node failure in the IoT, for example battery depletion, software/hardware malfunction issues and malicious attacks. So, it can be considered that the IoT is prone to failure. The ability of the network to recover from unexpected internal and external failures is known as "resilience" of the network. Resilience usually serves as an important non-functional requirement when designing IoT, which can further be broken down into "self-*" properties, such as self-adaptive, self-healing, self-configuring, self-optimization, etc. One of the consequences that node failure brings to the IoT is that some nodes may be disconnected from others, such that they are not capable of providing continuous services for other nodes, networks, and applications. In this sense, the main objective of this dissertation focuses on the IoT connectivity problem. A network is regarded as connected if any pair of different nodes can communicate with each other either directly or via a limited number of intermediate nodes. More specifically, this thesis focuses on the development of models for analysis and management of resilience, implemented through the Wireless Sensor Networks (WSNs), which is a challenging task. On the one hand, unlike other conventional network devices, nodes in the IoT are more likely to be disconnected from each other due to their deployment in a hostile or isolated environment. On the other hand, nodes are resource-constrained in terms of limited processing capability, storage and battery capacity, which requires that the design of the resilience management for IoT has to be lightweight, distributed and energy-efficient. In this context, the thesis presents self-adaptive techniques for IoT, with the aim of making the IoT resilient against node failures from the network topology control point of view. The fuzzy-logic and proportional-integral-derivative (PID) control techniques are leveraged to improve the network connectivity of the IoT in response to node failures, meanwhile taking into consideration that energy consumption must be preserved as much as possible. The control algorithm itself is designed to be distributed, because the centralized approaches are usually not feasible in large scale IoT deployments. The thesis involves various aspects concerning network connectivity, including: creation and analysis of mathematical models describing the network, proposing self-adaptive control systems in response to node failures, control system parameter optimization, implementation using the software engineering approach, and evaluation in a real application. This thesis also justifies the relations between the "node degree" (the number of neighbor(s) of a node) and network connectivity through mathematic analysis, and proves the effectiveness of various types of controllers that can adjust power transmission of the IoT nodes in response to node failures. The controllers also take into consideration the energy consumption as part of the control goals. The evaluation is performed and comparison is made with other representative algorithms. The simulation results show that the proposals in this thesis can tolerate more random node failures and save more energy when compared with those representative algorithms. Additionally, the simulations demonstrate that the use of the bio-inspired algorithms allows optimizing the parameters of the controller. With respect to the implementation in a real system, the programming model called OSGi (Open Service Gateway Initiative) is integrated with the proposals in order to create a self-adaptive middleware, especially reconfiguring the software components at runtime when failures occur. The outcomes of this thesis contribute to theoretic research and practical applications of resilient topology control for large and distributed networks. The presented controller designs and optimization algorithms can be viewed as novel trials of the control and optimization techniques for the coming era of the IoT. The contributions of this thesis can be summarized as follows: (1) Mathematically, the fault-tolerant probability of a large-scale stochastic network is analyzed. It is studied how the probability of network connectivity depends on the communication range of the nodes, and what is the minimum number of neighbors to be added for network re-connection. (2) A fuzzy-logic control system is proposed, which obtains the desired node degree and in turn maintains the network connectivity when it is subject to node failures. There are different types of fuzzy-logic controllers evaluated by simulations, and the results demonstrate the improvement of fault-tolerant capability as compared to some other representative algorithms. (3) A simpler but more applicable approach, the two-loop control system is further investigated, and its control parameters are optimized by using some heuristic algorithms such as Cross Entropy (CE), Particle Swarm Optimization (PSO), and Differential Evolution (DE). (4) Most of the designs are evaluated by means of simulations, but part of the proposals are implemented and tested in a real-world application by combining the self-adaptive software technique and the control algorithms which are presented in this thesis.

Experimental and statistical investigation of canonical problems in sloshing

En hidrodinámica, el fenómeno de Sloshing se puede definir como el movimiento de la superficie libre de un fluido dentro de un contenedor sometido a fuerzas y perturbaciones externas. El fluido en cuestión experimenta violentos movimientos con importantes deformaciones de su superficie libre. La dinámica del fluido puede llegar a generar cargas hidrodinámicas considerables las cuales pueden afectar la integridad estructural y/o comprometer la estabilidad del vehículo que transporta dicho contenedor. El fenómeno de Sloshing ha sido extensivamente investigado matemática, numérica y experimentalmente, siendo el enfoque experimental el más usado debido a la complejidad del problema, para el cual los modelos matemáticos y de simulación son aun incapaces de predecir con suficiente rapidez y precisión las cargas debidas a dicho fenómeno. El flujo generado por el Sloshing usualmente se caracteriza por la presencia de un fluido multifase (gas-liquido) y turbulencia. Reducir al máximo posible la complejidad del fenómeno de Sloshing sin perder la esencia del problema es el principal reto de esta tesis doctoral, donde un trabajo experimental enfocado en casos canónicos de Sloshing es presentado y documentado con el objetivo de aumentar la comprensión de dicho fenómeno y por tanto intentar proveer información valiosa para validaciones de códigos numéricos. El fenómeno de Sloshing juega un papel importante en la industria del transporte marítimo de gas licuado (LNG). El mercado de LNG en los últimos años ha reportado un crecimiento hasta tres veces mayor al de los mercados de petróleo y gas convencionales. Ingenieros en laboratorios de investigación e ingenieros adscritos a la industria del LNG trabajan continuamente buscando soluciones económicas y seguras para contener, transferir y transportar grandes volúmenes de LNG. Los buques transportadores de LNG (LNGC) han pasado de ser unos pocos buques con capacidad de 75000 m3 hace unos treinta años, a una amplia flota con una capacidad de 140000 m3 actualmente. En creciente número, hoy día se construyen buques con capacidades que oscilan entre 175000 m3 y 250000 m3. Recientemente un nuevo concepto de buque LNG ha salido al mercado y se le conoce como FLNG. Un FLNG es un buque de gran valor añadido que solventa los problemas de extracción, licuefacción y almacenamiento del LNG, ya que cuenta con equipos de extracción y licuefacción a bordo, eliminando por tanto las tareas de transvase de las estaciones de licuefacción en tierra hacia los buques LNGC. EL LNG por tanto puede ser transferido directamente desde el FLNG hacia los buques LNGC en mar abierto. Niveles de llenado intermedios en combinación con oleaje durante las operaciones de trasvase inducen movimientos en los buques que generan por tanto el fenómeno de Sloshing dentro de los tanques de los FLNG y los LNGC. El trabajo de esta tesis doctoral lidia con algunos de los problemas del Sloshing desde un punto de vista experimental y estadístico, para ello una serie de tareas, descritas a continuación, se han llevado a cabo : 1. Un dispositivo experimental de Sloshing ha sido configurado. Dicho dispositivo ha permitido ensayar secciones rectangulares de tanques LNGC a escala con movimientos angulares de un grado de libertad. El dispositivo experimental ha sido instrumentado para realizar mediciones de movimiento, presiones, vibraciones y temperatura, así como la grabación de imágenes y videos. 2. Los impactos de olas generadas dentro de una sección rectangular de un LNGC sujeto a movimientos regulares forzados han sido estudiados mediante la caracterización del fenómeno desde un punto de vista estadístico enfocado en la repetitividad y la ergodicidad del problema. 3. El estudio de los impactos provocados por movimientos regulares ha sido extendido a un escenario más realístico mediante el uso de movimientos irregulares forzados. 4. El acoplamiento del Sloshing generado por el fluido en movimiento dentro del tanque LNGC y la disipación de la energía mecánica de un sistema no forzado de un grado de libertad (movimiento angular) sujeto a una excitación externa ha sido investigado. 5. En la última sección de esta tesis doctoral, la interacción entre el Sloshing generado dentro en una sección rectangular de un tanque LNGC sujeto a una excitación regular y un cuerpo elástico solidario al tanque ha sido estudiado. Dicho estudio corresponde a un problema de interacción fluido-estructura. Abstract In hydrodynamics, we refer to sloshing as the motion of liquids in containers subjected to external forces with large free-surface deformations. The liquid motion dynamics can generate loads which may affect the structural integrity of the container and the stability of the vehicle that carries such container. The prediction of these dynamic loads is a major challenge for engineers around the world working on the design of both the container and the vehicle. The sloshing phenomenon has been extensively investigated mathematically, numerically and experimentally. The latter has been the most fruitful so far, due to the complexity of the problem, for which the numerical and mathematical models are still incapable of accurately predicting the sloshing loads. The sloshing flows are usually characterised by the presence of multiphase interaction and turbulence. Reducing as much as possible the complexity of the sloshing problem without losing its essence is the main challenge of this phd thesis, where experimental work on selected canonical cases are presented and documented in order to better understand the phenomenon and to serve, in some cases, as an useful information for numerical validations. Liquid sloshing plays a key roll in the liquified natural gas (LNG) maritime transportation. The LNG market growth is more than three times the rated growth of the oil and traditional gas markets. Engineers working in research laboratories and companies are continuously looking for efficient and safe ways for containing, transferring and transporting the liquified gas. LNG carrying vessels (LNGC) have evolved from a few 75000 m3 vessels thirty years ago to a huge fleet of ships with a capacity of 140000 m3 nowadays and increasing number of 175000 m3 and 250000 m3 units. The concept of FLNG (Floating Liquified Natural Gas) has appeared recently. A FLNG unit is a high value-added vessel which can solve the problems of production, treatment, liquefaction and storage of the LNG because the vessel is equipped with a extraction and liquefaction facility. The LNG is transferred from the FLNG to the LNGC in open sea. The combination of partial fillings and wave induced motions may generate sloshing flows inside both the LNGC and the FLNG tanks. This work has dealt with sloshing problems from a experimental and statistical point of view. A series of tasks have been carried out: 1. A sloshing rig has been set up. It allows for testing tanks with one degree of freedom angular motion. The rig has been instrumented to measure motions, pressure and conduct video and image recording. 2. Regular motion impacts inside a rectangular section LNGC tank model have been studied, with forced motion tests, in order to characterise the phenomenon from a statistical point of view by assessing the repeatability and practical ergodicity of the problem. 3. The regular motion analysis has been extended to an irregular motion framework in order to reproduce more realistic scenarios. 4. The coupled motion of a single degree of freedom angular motion system excited by an external moment and affected by the fluid moment and the mechanical energy dissipation induced by sloshing inside the tank has been investigated. 5. The last task of the thesis has been to conduct an experimental investigation focused on the strong interaction between a sloshing flow in a rectangular section of a LNGC tank subjected to regular excitation and an elastic body clamped to the tank. It is thus a fluid structure interaction problem.

Estudio de la dinámica no lineal de vórtices magnéticos en nanodots

En el presente trabajo se ha realizado un estudio sobre el comportamiento dinámico de vórtices magnéticos en su aplicación en osciladores de espín-torque. A partir de los modelos matemáticos elaborados en [4] sobre estos osciladores de espín-torque, se han simulado y estudiado usando MATLAB, entre otras herramientas, para tratar de verificar su concordancia con el comportamiento físico observado en el laboratorio. Es importante señalar que el estudio tiene en cuenta la dinámica no lineal, esencial para describir correctamente un sistema oscilante en la práctica. El análisis matemático del sistema que describe la órbita del núcleo de un vórtice magnético sometido a la acción de un campo magnético externo oscilatorio, muestra la posibilidad de la existencia de hasta tres soluciones especiales, según la geometría del dot y el valor del campo magnético de excitación, tanto de su frecuencia como de su amplitud. Estas soluciones corresponden a estados estacionarios del vórtice caracterizados como una órbita circular, aunque en el caso de existir tres equilibrios uno de ellos es inestable. El modelo matemático ha sido estudiado y analizado para reproducir los resultados obtenidos en [4] y adicionalmente se ha implementado el caso de la energía potencial del vórtice con el término no lineal distinto de [4] (con una constante β negativa). Los resultados obtenidos bajo esta suposición muestran una cierta disparidad respecto al caso de β positiva y reflejan la existencia de comportamientos muy diferentes. En la dinámica del vórtice bajo la suposición de β negativa también surgen bifurcaciones de pliegue (fold-over) en la trayectoria del núcleo del vórtice: siempre se obtienen tres equilibrios a bajas frecuencias y aparecen a veces dos intervalos con tres equilibrios en lugar de uno solo, a diferencia del caso de β positiva. El comportamiento del núcleo del vórtice sigue un proceso de histéresis en ambos casos, cuando se dan ciertas condiciones. ABSTRACT. This work is a study about the dynamic behaviour of magnetic vortex in its application in spin-torque oscillators. Starting from mathematical models developed in [4] on this subject, a further analysis has been performed using MATLAB to simulate the behaviour of vortex-based spin-torque oscillators as different relevant parameters vary. The main aim of the study is to check if the obtained results can explain the observed physical behaviour, and an important observation is that fully nonlinear effects are taken into consideration. The mathematical analysis of the system that describes the orbit of the vortex core under the influence of an external oscillatory magnetic field shows that there are up to three possible special solutions depending on the dot geometry and the magnetic driving field value, both on its amplitude as well as its frequency. These solutions correspond to a stable circular orbit of the vortex core, but when the system has three solutions one of them is unstable. This mathematical model has been analyzed and studied to reproduce the results obtained in [4] and, additionally, the effect of a negative value of the nonlinear part of the vortex potential (constant β). Results derived from this assumption exhibit certain differences with respect to the case of a positive constant (β) and reflect the existence of very different patterns. Vortex dynamics under the supposition of a negative β also yield fold-over bifurcations in the trajectory of the vortex core: there are always three solutions at low frequencies and there may be two different intervals with three solutions as opposed to the case of positive β. The vortex core follows a hysteresis process in both cases, when certain conditions are met.

Control por modos deslizantes como estrategia de navegación en una flota de robots

En esta tesis se presenta el desarrollo de un esquema de cooperación entre vehículos terrestres (UGV) y aéreos (UAV) no tripulados, que sirve de base para conformar dos flotas de robots autónomos (denominadas FRACTAL y RoMA). Con el fin de comprobar, en diferentes escenarios y con diferente tareas, la validez de las estrategias de coordinación y cooperación propuestas en la tesis se utilizan los robots de la flota FRACTAL, que sirven como plataforma de prueba para tareas como el uso de vehículos aéreos y terrestres para apoyar labores de búsqueda y rescate en zonas de emergencia y la cooperación de una flota de robots para labores agrícolas. Se demuestra además, que el uso de la técnica de control no lineal conocida como Control por Modos Deslizantes puede ser aplicada no solo para conseguir la navegación autónoma individual de un robot aéreo o terrestre, sino también en tareas que requieren la navegación coordinada y sin colisiones de varios robots en un ambiente compartido. Para esto, se conceptualiza teóricamente el uso de la técnica de Control por Modos Deslizantes como estrategia de coordinación entre robots, extendiendo su aplicación a robots no-holonómicos en R2 y a robots aéreos en el espacio tridimensional. Después de dicha contextualización teórica, se analizan las condiciones necesarias para determinar la estabilidad del sistema multi-robot controlado y, finalmente, se comprueban las características de estabilidad y robustez ofrecidas por esta técnica de control. Tales comprobaciones se hacen simulando la navegación segura y eficiente de un grupo de UGVs para la detección de posibles riesgos ambientales, aprovechando la información aportada por un UAV. Para estas simulaciones se utilizan los modelos matemáticos de robots de la flota RoMA. Estas tareas coordinadas entre los robots se hacen posibles gracias a la efectividad, estabilidad y robustez de las estrategias de control que se desarrollan como núcleo fundamental de este trabajo de investigación. ABSTRACT This thesis presents the development of a cooperation scheme between unmanned ground (UGV) and aerial (UAV) vehicles. This scheme is the basis for forming two fleets of autonomous robots (called FRACTAL and RoMA). In order to assess, in different settings and on different tasks, the validity of the coordination and cooperation strategies proposed in the thesis, the FRACTAL fleet robots serves as a test bed for tasks like using coordinated aerial and ground vehicles to support search and rescue work in emergency scenarios or cooperation of a fleet of robots for agriculture. It is also shown that using the technique of nonlinear control known as Sliding Modes Control (SMC) can be applied not only for individual autonomous navigation of an aircraft or land robot, but also in tasks requiring the coordinated navigation of several robots, without collisions, in a shared environment. To this purpose, a strategy of coordination between robots using Sliding Mode Control technique is theoretically conceptualized, extending its application to non-holonomic robots in R2 and aerial robots in three-dimensional space. After this theoretical contextualization, the stability conditions of multi-robot system are analyzed, and finally, the stability and robustness characteristics are validated. Such validations are made with simulated experiments about the safe and efficient navigation of a group of UGV for the detection of possible environmental hazards, taking advantage of the information provided by a UAV. This simulations are made using mathematical models of RoMA fleet robots. These coordinated tasks of robots fleet are made possible thanks to the effectiveness, stability and robustness of the control strategies developed as core of this research.

Caracterización geométrica de huellas de dureza Brinell mediante equipos ópticos. Modelo con microscopía confocal

En esta tesis se desarrolla una metodología alternativa para la determinación de la dureza Brinell a partir de imágenes obtenidas mediante microscopía confocal, que se ha mostrado robusta para mejorar los resultados de medición del diámetro en condiciones de reproducibilidad. Las validaciones realizadas evidencian su posibilidad real de implementación, especialmente para la certificación de patrones de dureza. Los estudios experimentales realizados ponen de manifiesto que la medición del diámetro de una huella de dureza Brinell, siguiendo la metodología tradicional, depende de la posición del patrón, de las características del equipo empleado y del propio operador. Dicha medida resulta crítica y las dificultades para identificar el borde de la huella incorporan a menudo una fuente adicional de incertidumbre difícil de soslayar. En esta investigación se han desarrollado dos modelos matemáticos que permiten identificar de forma unívoca el diámetro de la huella en el punto donde se produce el límite de contacto entre el indentador y el material de la probeta durante la realización del ensayo. Ambos modelos han sido implementados en Matlab® y se ha verificado su validez mediante datos sintéticos. Asimismo, se ha realizado una validación experimental sobre patrones de dureza certificados, empleando un microscopio confocal marca Leica, modelo DCM 3D disponible en el Laboratorio de Investigación de Materiales de Interés Tecnológico (LIMIT) de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (ETSIDI – UPM). Dicha validación ha puesto de manifiesto la utilidad de esta nueva metodología por cuanto permite caracterizar las huellas, estimar las incertidumbres de medida y garantizar la trazabilidad metrológica de los resultados. ABSTRACT This PhD thesis presents an alternative methodology to determine the Brinell hardness from the images obtained by confocal microscopy that has proved to be robust to improve the results of indentation diameter measurements in reproducibility conditions. The validations carried out show the real possibility of its implementation, especially for calibration of hardness reference blocks. Experimental studies performed worldwide show that the measurement of the indentation diameter in a Brinell hardness test depends, when the traditional methodology is applied, on the position of the test block, the equipment characteristics and the operator. This measurement is critical and the difficulties to identify the edge of the indentation often bring an additional source of uncertainty with them that is hard to avoid. In this research two specific mathematical models have been developed to identify unambiguously the indentation diameter at the point where the edge of the boundary between the indenter and the test block is found during the test. Both models have been implemented on Matlab® and their validity has been verified by synthetic data An additional experimental validation with calibrated hardness reference blocks has been carried out using a Leica-brand confocal microscope, model DCM 3D, available in the Laboratory for Research on Materials of Technological Interest (LIMIT in its Spanish acronym) of the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (ETSIDI-UPM). This validation has shown the utility of this new methodology since it allows to characterize the indentation, to estimate the measurement uncertainties and to ensure the metrological traceability of the results.

Idoneidad del grado de rigidez de las uniones en pórticos metálicos de naves a dos aguas en edificación agroindustrial

Para el análisis de la respuesta estructural, tradicionalmente se ha partido de la suposición de que los nudos son totalmente rígidos o articulados. Este criterio facilita en gran medida los cálculos, pero no deja de ser una idealización del comportamiento real de las uniones. Como es lógico, entre los nudos totalmente rígidos y los nudos articulados existe una gama infinita de valores de rigidez que podrían ser adoptados. A las uniones que presentan un valor distinto de los canónicos se les denomina en sentido general uniones semirrígidas. La consideración de esta rigidez intermedia complica considerablemente los cálculos estructurales, no obstante provoca cambios en el reparto de esfuerzos dentro de la estructura, así como en la configuración de las propias uniones, que en ciertas circunstancias pueden suponer una ventaja económica. Del planteamiento expuesto en el párrafo anterior, surgen dos cuestiones que serán el germen de la tesis. Estas son: ¿Qué ocurre si se aplica el concepto de uniones semirrígidas a las naves industriales? ¿Existen unos valores determinados de rigidez en sus nudos con los que se logra optimizar la estructura? Así, surge el objetivo principal de la tesis, que no es otro que conocer la influencia de la rigidez de los nudos en los costes de los pórticos a dos aguas de estructura metálica utilizados típicamente en edificios de uso agroindustrial. Para alcanzar el objetivo propuesto, se plantea una metodología de trabajo que básicamente consiste en el estudio de una muestra representativa de pórticos sometidos a tres estados de carga: bajo, medio y alto. Su rango de luces abarca desde los 8 a los 20 m y el de la altura de pilares desde los 3,5 a los 10 m. Además, se considera que sus uniones pueden adoptar valores intermedios de rigidez. De la combinatoria de las diferentes configuraciones posibles se obtienen 46.656 casos que serán objeto de estudio. Debido al fin economicista del trabajo, se ha prestado especial atención a la obtención de los costes de ejecución de las diferentes partidas que componen la estructura, incluidas las correspondientes a las uniones. Para acometer los cálculos estructurales ha sido imprescindible contar con un soporte informático, tanto existente como de creación ex profeso, que permitiese su automatización en un contexto de optimización. Los resultados del estudio consisten básicamente en una cantidad importante de datos que para su interpretación se hace imprescindible tratarlos previamente. Este tratamiento se fundamenta en su ordenación sistemática, en la aplicación de técnicas estadísticas y en la representación gráfica. Con esto se obtiene un catálogo de gráficos en los que se representa el coste total de la estructura según los diferentes valores de rigidez de sus nudos, unas matrices resumen de resultados y unos modelos matemáticos que representan la función coste total - rigideces de nudos. Como conclusiones se puede destacar: por un lado que los costes totales de los pórticos estudiados son mínimos cuando los valores de rigidez de sus uniones son bajos, concretamente de 5•10³ a 10•10³ kN•m/rad; y por otro que la utilización en estas estructuras de uniones semirrígidas con una combinación idónea de sus rigideces, supone una ventaja económica media del 18% con respecto a las dos tipologías que normalmente se usan en este tipo de edificaciones como son los pórticos biempotrados y los biarticulados. ABSTRACT Analyzing for structural response, traditionally it started from the assumption that joints are fully rigid or pinned. This criterion makes the design significantly easier, but it is also an idealization of real joint behaviour. As is to be expected, there is an almost endless range of stiffnes value between fully rigid and pinned joints, wich could be adopted. Joints with a value other than traditional are referred to generally as semi-rigid joints. If middle stiffness is considered, the structural design becomes much more complicated, however, it causes changes in the distribution of frame stresses, as well as on joints configuration, that under certain circumstances they may suppose an economic advantage. Two questions arise from the approach outlined in the preceding subparagraph, wich are the seeds of the doctoral thesis. These are: what happens when the concept of semirigid joints is applied to industrial buildings? There are certain stiffness values in their joints with which optimization of frame is achieved? This way, the main objective of the thesis arise, which is to know the influence of stiffness of joints in the cost of the steel frames with gabled roof, that they are typically used in industrial buildings. In order to achieve the proposed goal, a work methodology is proposed, which consists in essence in a study of a representative sample of frames under three load conditions: low, middle and high. Their range of spans comprises from 8 to 20 m and range of the height of columns cover from 3,5 to 10 m. Furthermore, it is considered that their joints can adopt intermediate values of stiffness. The result of the combination of different configurations options is 46.656 cases, which will be subject of study. Due to the economic aim of this work, a particular focus has been devoted for obtaining the execution cost of the different budget items that make up the structure, including those relating to joints. In order to do the structural calculations, count with a computing support has been indispensable, existing and created expressly for this purpose, which would allows its automation in a optimization context. The results of the study basically consist in a important amount of data, whose previous processing is necesary. This process is based on his systematic arrangement, in implementation of statistical techniques and in graphical representation. This give a catalogue of graphics, which depicts the whole cost of structure according to the different stiffness of its joints, a matrixes with the summary of results and a mathematical models which represent the function whole cost - stiffness of the joints. The most remarkable conclusions are: whole costs of the frames studied are minimum when the stiffness values of their joints are low, specifically 5•10³ a 10•10³ kN•m/rad; and the use of structures with semi-rigid joints and a suitable combination of their stiffness implyes an average economic advantage of 18% over other two typologies which are used typically in this kind of buildings; these are the rigid and bi-articulated frames.

Modelización del proceso de eliminación de la contaminación de suelos con hidrocarburos mediante desorción térmica “in situ” Comprobación de Modelo

El objetivo definitivo de esta investigación es contribuir con la profundización del conocimiento en las tecnologías de remediación, específicamente las térmicas, debido a que la contaminación de suelos es motivo de preocupación por ser uno de los graves impactos ambientales que origina el hombre con sus actividades, especialmente las industriales, afectando a la salud de los seres humanos, y el medio ambiente, representando elevados costes de saneamiento y en ocasiones problemas graves de salud de las comunidades aledañas. Se establecen tres fases de investigación. En la primera se diseña el sistema de termodesorción a escala piloto, se desarrolla las corridas experimentales, la segunda con corridas en laboratorio para investigar sobre los parámetros que intervienen en el proyecto. Se hacen las corridas respectivas para determinar la eficacia del sistema, y la tercera fase que consiste en comparar los modelos teóricos de Hartley, con los de Hartley Graham –Bryce y el de Hamaker para determinar su aproximación con los resultados reales. Apoyado en investigaciones anteriores, se diseñó y construyó un sistema de desorción térmica, el cual consiste en un horno tipo caja con 4 calentadores (resistencias), y una campana con un filtro para evitar la contaminación atmosférica, así mismo, se diseñó un sistema de control que permitió hacer las corridas con 1/3 de la potencia, con una relación de encendido apagado 3:1 respectivamente. Para validar los resultados obtenidos en el estudio matemático, se compararon dos modelos con la finalidad cuál de ellos se aproxima más a la realidad, se tomaron los ensayos con sus tiempos de operación a las temperaturas y se trabajó a distintas bandas de temperaturas para verificar la fiabilidad del proceso matemático. La temperatura es un variable importante en los procesos de desorción, como los son también la humedad del suelo, pues esta va influir directamente en el tiempo de remediación, por lo que es importante tomarla en cuenta. De igual forma el tipo de suelo va influir en los resultados, siendo las arenas más aptas para este tipo de remediación. Los resultados de la modelización son presentados para temperaturas constantes, el cual difiere de la realidad, pues el proceso de calentamiento es lento y va en accenso dependiendo del contenido de humedad y de las propiedades del suelo. La experimentación realizada concluye con buenos resultados de la aplicación de sistemas de desorción de acuerdo a las variables de Panamá. Con relación al grado de cumplimiento respecto a las normativas actuales relacionadas a los límites máximos permitidos. Los resultados garantizan las posibilidades del proceso de remediación térmica de suelos contaminados con combustibles en rango de diésel, garantizando niveles aceptables de limpieza en un tiempo menor a otras metodologías no destructivas pudieran tomar. ABSTRACT The ultimate goal of this investigation is to enhance the pool of knowledge related to remediation technologies, specifically thermal desorption. The motivation for this study is based on concerns due to pollution of land as one of the most serious environmental impacts caused by anthropogenic effects, specially industrial activities, affecting human health and the environment in general, which represents high reclamation costs, and in some cases, serious health issues in nearby communities. Three phases have been established for this study. The first phase involves the design of a thermal desorption system as a pilot experiment, and associated tests. The second phase consists of laboratory testing to investigate the parameters that affect the investigation, as well as to determine the efficacy of the system. The third phase covers the comparison of theorical models as proposed by Hartley, Hartley Graham – Bryce, and Hamaker, as well as the evaluation of these models versus the laboratory results. Supported by previous researches, the thermal desorption system was designed and installed as a “box” type oven with four heaters (resistances) and one absorption hood with a filter to avoid atmospheric contamination. In the same way, a control system was designed allowing testing with 1/3 of the power, with an on/off rate of 3:1 respectively. In order to validate the results, two mathematical models were compared to identify which model is closer to the experimental results; test results were documented with respective durations and temperatures; and experiments were executed using different ranges of temperature to validate the consistency of the mathematical process. Temperature is an important variable that should be considered for the desorption processes, as well as the humidity content within the soil, that has direct influence over the required duration to achieve remediation. In the same manner, the type of soil also influences the results, where sands are more efficient for this type of remediation process. The results from this experiment are according to constant temperatures, which is not a complete representation of the reality, as the heating process is slow and the temperature gradually increases according to the humidity content and other properties of the soil. The experiment shows good results for the application of thermal desorption systems according to the variables in Panama, as well as the level of compliance required to fulfill current regulations and mandatory maximum limits. The results guarantee the possibility of soil thermo-remediation as a resource to clean sites that have been polluted with diesel-like combustibles, allowing acceptable levels in a period of time that is lower than with other non-destructive remediation technics.

Modelización de procesos de soldadura (GMAW y GTAW) de la aleación de magnesio AZ31B. Estudio y análisis del comportamiento de este tipo de uniones soldadas frente a la corrosión en medios salinos

El magnesio y sus aleaciones representan un interesante campo de investigación dentro de la ingeniería de materiales debido a los retos que plantean tanto su conformabilidad como durabilidad. Las características físicas y mecánicas del magnesio y sus aleaciones los convierten en materiales de gran interés desde el punto de vista industrial al tratarse de uno de los materiales más abundantes y ligeros en un mundo en el que día a día los recursos y materias primas son más escasos por lo que el acceso a materiales abundantes y ligeros que permitan economizar el uso de energía cobrará mayor importancia en el futuro. En la coyuntura actual es por tanto necesario revisar procesos y procedimientos, investigando y tratando de ampliar desde este punto de vista si es posible mejorar los procedimientos de fabricación de los materiales disponibles actualmente o el desarrollo de nuevos, mejores que los anteriores, que permitan ayudar a la sostenibilidad del planeta. El magnesio, pese a ser un material muy abundante y relativamente barato, presenta una serie de inconvenientes que limitan de manera muy seria su aplicación industrial, su alta reactividad en presencia de oxígeno y su mal comportamiento frente a la corrosión así como limitaciones en su conformabilidad han estado limitando su uso y aplicaciones, los investigaciones dentro del campo de la metalurgia física de este material y el desarrollo de nuevas aleaciones han permitido su empleo en múltiples aplicaciones dentro de la industria aeroespacial, militar, automovilística, electrónica, deportiva y médica. La motivación para esta tesis doctoral ha sido tratar de aportar más luz sobre el comportamiento de una de las aleaciones comerciales base magnesio más empleadas, la AZ31B, tratando de modelizar como le afectan los procesos de soldadura y estudiando desde un punto de vista experimental como se ve modificada su microestructura, su comportamiento mecánico y su resistencia frente a la corrosión. Aunque en un principio se pensó en el empleo de métodos electroquímicos para el estudio de la corrosión de estos materiales, rápidamente se decidió prescindir de su uso dada la dificultad observada tanto durante los trabajos de investigación de esta Tesis como los encontrados por otros investigadores. Mediante microdurezas se han caracterizado mecánicamente las soldaduras de aleación de magnesio tipo AZ31 en función de diferentes materiales de aporte, observándose que el empleo de las aleaciones con mayor contenido de aluminio y zinc no contribuye a una mejora significativa de las propiedades mecánicas. Se han podido establecer correlaciones entre los modelos de simulación desarrollados y las microestructuras resultantes de los procesos reales de soldadura que permiten definir a priori que estructuras se van a obtener. De igual forma ha sido posible completar un estudio micrográfico y químico completo de las diferentes fases y microconstituyentes originados durante los procesos de soldadura, gracias a estos resultados se ha propuesto como hipótesis una explicación que justifica el comportamiento frente a la corrosión de estas aleaciones una vez soldadas. Los ensayos de corrosión realizados han permitido determinar correlaciones matemáticas que indican las velocidades de corrosión esperables de este tipo de aleaciones. Desde el punto de vista del diseño, los resultados obtenidos en este trabajo permitirán a otros investigadores y diseñadores tomar decisiones a la hora de decidir qué materiales de aporte emplear junto con las implicaciones que conllevan desde el punto de vista metalúrgico, mecánico o corrosivo las diferentes alternativas. Por último indicar que gracias al trabajo desarrollado se han definido modelos matemáticos para predecir el comportamiento frente a la corrosión de estas aleaciones, se han determinado las posibles causas y mecanismos por las que se gobierna la corrosión en la soldadura de chapas de aleación AZ31B y los motivos por los que se debe considerar el empleo de un material de aporte u otro. Los modelos de simulación desarrollados también han ayudado a comprender mejor la microestructura resultante de los procesos de soldadura y se han determinado que fases y microconstituyentes están presentes en las soldaduras de estas aleaciones. ABSTRACT Magnesium and its alloys represent and interesting research field in the material science due to the challenges of their fabrication and durability. The physical and mechanical properties of magnesium and its alloys make them a very interesting materials from and industrial point of view being one of the most abundant and lightest materials in a world in which day by day the lacking of resources and raw materials is more important, the use of light materials which allow to save energy will become more important in a near future. So that it is necessary to review processes and procedures, investigating and trying to improve current fabrication procedures and developing new ones, better than the former ones, in order to help with the sustainability of the planet. Although magnesium is a very common and relatively cheap material, it shows some inconveniences which limit in a major way their industrial application; its high reactivity in presence of oxygen, its poor corrosion resistance and some manufacturing problems had been limiting their use and applications, metallurgical investigations about this material and the development of new alloys have allowed its use in multiple applications in the aerospacial, military, automobile, electronics, sports and medical industry. The motivation for this thesis has been trying to clarify the behavior of one most used commercial base magnesium alloys, the AZ31, trying to modeling how its affected by thermal cycles of the welding process and studying from an experimental point of view how its microstructure is modified and how these modifications affect its mechanical behavior and corrosion resistance. Although at the beginning of this works it was though about the using of electrochemical techniques to evaluate the corrosion of these materials, rapidly it was decided not to use them because of the difficulty observed by during this research and by other investigators. The results obtained in this thesis have allowed to characterize mechanically AZ31 magnesium welding alloys considering different filler metals, according to this study using filler metals with a high content of aluminum and zinc does not represent an important improve It has been possible to establish correlations between simulation models and the resultant microstructures of the real melting processes originated during welding processes which allow to predict the structures which will be obtained after the welding. In addition to that it is possible to complete a complete micrographic and chemical analysis of the different phases and microconstituents created during welding, due to these results and hypothesis to explain the corrosion behavior of these welded alloys. Corrosion tests carried out have allowed defining mathematical correlations to predict corrosion rates of this kind of alloys. From a designing point of view, the results obtained in this work will let other investigators and designers to make decisions taking into account which implications have the different options from a metallurgical, mechanic and corrosive point of view. Finally we would like to indicate that thanks to this work it has been possible to define mathematical models to predict the corrosion behavior, the causes and the mechanism of this corrosion in the AZ31 welding sheets have been also determined and the reasons for using of one filler metal or another, the developed simulation models have also help to get a better understanding of the result microstructure determining the phases and the microconstituents present in the welding of this alloys.

Metodología para la optimización y análisis de la respuesta de medios e infraestructuras en el sistema aeroportuario en operaciones invernales mediante modelos basados en algorítmos genéticos

En este estudio, englobado dentro del campo de la investigación operacional en aeropuertos, se considera el problema de la optimización de la secuencia de descontaminación de nieve de los tramos que componen el área de maniobras de un aeropuerto, denominado RM-AM. Este problema se enfrenta a la optimización de recursos limitados para retirar la nieve de las calles de rodadura y pistas, dejándolas en un estado aceptable para la operación de aeronaves. El campo de vuelos se divide en subconjuntos de tramos significativos para la operación y se establecen tiempos objetivo de apertura al tráfico de aeronaves. Se desarrollan varios algoritmos matemáticos en los que se proponen distintas funciones objetivo, como son la hora de finalización del proceso, la suma de las horas de finalización de cada tramo, o el retraso entre la hora estimada y la hora de finalización. Durante este proceso, se van introduciendo restricciones operativas relativas al cumplimiento de objetivos operativos parciales aplicados a las zonas de especial interés, o relativas a la operación de los equipos de descontaminación. El problema se resuelve mediante optimización basada en programación lineal. Los resultados de las pruebas computacionales se hacen sobre cinco modelos de área de maniobras en los que va creciendo la complejidad y el tamaño. Se comparan las prestaciones de los distintos algoritmos. Una vez definido el modelo matemático para la optiamización, se propone una metodología estructurada para abordar dicho problema para cualquier área de manobras. Se define una estrategia en la operación. Se acomete el área de maniobras por zonas, con la condición de que los subconjuntos de tramos significativos queden englobados dentro de una sola de estas zonas. El problema se resuelve mediante un proceso iterativo de optimización aplicado sucesivamente a las zonas que componen el área de maniobras durante cada iteración. Se analiza la repercusión de los resultados en los procesos DMAN, AMAN y TP, para la integración de los resultados en el cálculo de TSAT y EBIT. El método se particulariza para el caso del área de maniobras del Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid Barajas. ABSTRACT This study, which lies within the field of operations research in airports, considers the optimisation of the sequence for clearing snow from stretches of the manoeuvring area of an airport, known as RM-AM. This issue involves the optimisation of limited resources to remove snow from taxiways and runways thereby leaving them in an acceptable condition for operating aircraft. The airfield is divided into subsets of significant stretches for the purpose of operations and target times are established during which these are open to aircraft traffic. The study contains several mathematical models each with different functions, such as the end time of the process, the sum of the end times of each stretch, and gap between the estimated and the real end times. During this process, we introduce different operating restrictions on partial fulfilment of the operational targets as applied to zones of special interest, or relating to the operation of the snow-clearing machines. The problem is solved by optimisation based on linear programming. Computational tests are carried out on five distinct models of the manoeuvring area, which cover increasingly complex situations and larger areas. The different algorithms are then compared to one other. Having defined the mathematical model for the optimisation, we then set out a structured methodology to deal with any type of manoeuvring area. In other words, we define an operational strategy. The airfield is divided into subsets of significant stretches for the purpose of operations and target times are set at which these are to be open to aircraft traffic. The manoeuvring area is also divided into zones, with the condition that the subsets of significant stretches lie within just one of these zones. The problem is solved by an iterative optimisation process based on linear programming applied successively to the zones that make up the manoeuvring area during each iteration. The impact of the results on DMAN, AMAN and TP processes is analysed for their integration into the calculation of TSAT and EBIT. The method is particularized for the case of the manoeuvring area of Adolfo Suarez Madrid - Barajas Airport.

Conservation of Computational Scientific Execution Environments for Workflow-based Experiments Using Ontologies

La reproducibilidad de estudios y resultados científicos es una meta a tener en cuenta por cualquier científico a la hora de publicar el producto de una investigación. El auge de la ciencia computacional, como una forma de llevar a cabo estudios empíricos haciendo uso de modelos matemáticos y simulaciones, ha derivado en una serie de nuevos retos con respecto a la reproducibilidad de dichos experimentos. La adopción de los flujos de trabajo como método para especificar el procedimiento científico de estos experimentos, así como las iniciativas orientadas a la conservación de los datos experimentales desarrolladas en las últimas décadas, han solucionado parcialmente este problema. Sin embargo, para afrontarlo de forma completa, la conservación y reproducibilidad del equipamiento computacional asociado a los flujos de trabajo científicos deben ser tenidas en cuenta. La amplia gama de recursos hardware y software necesarios para ejecutar un flujo de trabajo científico hace que sea necesario aportar una descripción completa detallando que recursos son necesarios y como estos deben de ser configurados. En esta tesis abordamos la reproducibilidad de los entornos de ejecución para flujos de trabajo científicos, mediante su documentación usando un modelo formal que puede ser usado para obtener un entorno equivalente. Para ello, se ha propuesto un conjunto de modelos para representar y relacionar los conceptos relevantes de dichos entornos, así como un conjunto de herramientas que hacen uso de dichos módulos para generar una descripción de la infraestructura, y un algoritmo capaz de generar una nueva especificación de entorno de ejecución a partir de dicha descripción, la cual puede ser usada para recrearlo usando técnicas de virtualización. Estas contribuciones han sido aplicadas a un conjunto representativo de experimentos científicos pertenecientes a diferentes dominios de la ciencia, exponiendo cada uno de ellos diferentes requisitos hardware y software. Los resultados obtenidos muestran la viabilidad de propuesta desarrollada, reproduciendo de forma satisfactoria los experimentos estudiados en diferentes entornos de virtualización. ABSTRACT Reproducibility of scientific studies and results is a goal that every scientist must pursuit when announcing research outcomes. The rise of computational science, as a way of conducting empirical studies by using mathematical models and simulations, have opened a new range of challenges in this context. The adoption of workflows as a way of detailing the scientific procedure of these experiments, along with the experimental data conservation initiatives that have been undertaken during last decades, have partially eased this problem. However, in order to fully address it, the conservation and reproducibility of the computational equipment related to them must be also considered. The wide range of software and hardware resources required to execute a scientific workflow implies that a comprehensive description detailing what those resources are and how they are arranged is necessary. In this thesis we address the issue of reproducibility of execution environments for scientific workflows, by documenting them in a formalized way, which can be later used to obtain and equivalent one. In order to do so, we propose a set of semantic models for representing and relating the relevant information of those environments, as well as a set of tools that uses these models for generating a description of the infrastructure, and an algorithmic process that consumes these descriptions for deriving a new execution environment specification, which can be enacted into a new equivalent one using virtualization solutions. We apply these three contributions to a set of representative scientific experiments, belonging to different scientific domains, and exposing different software and hardware requirements. The obtained results prove the feasibility of the proposed approach, by successfully reproducing the target experiments under different virtualization environments.

Co-simulation Methodologies for Hybrid and Electric Vehicle Dynamics

In recent decades, full electric and hybrid electric vehicles have emerged as an alternative to conventional cars due to a range of factors, including environmental and economic aspects. These vehicles are the result of considerable efforts to seek ways of reducing the use of fossil fuel for vehicle propulsion. Sophisticated technologies such as hybrid and electric powertrains require careful study and optimization. Mathematical models play a key role at this point. Currently, many advanced mathematical analysis tools, as well as computer applications have been built for vehicle simulation purposes. Given the great interest of hybrid and electric powertrains, along with the increasing importance of reliable computer-based models, the author decided to integrate both aspects in the research purpose of this work. Furthermore, this is one of the first final degree projects held at the ETSII (Higher Technical School of Industrial Engineers) that covers the study of hybrid and electric propulsion systems. The present project is based on MBS3D 2.0, a specialized software for the dynamic simulation of multibody systems developed at the UPM Institute of Automobile Research (INSIA). Automobiles are a clear example of complex multibody systems, which are present in nearly every field of engineering. The work presented here benefits from the availability of MBS3D software. This program has proven to be a very efficient tool, with a highly developed underlying mathematical formulation. On this basis, the focus of this project is the extension of MBS3D features in order to be able to perform dynamic simulations of hybrid and electric vehicle models. This requires the joint simulation of the mechanical model of the vehicle, together with the model of the hybrid or electric powertrain. These sub-models belong to completely different physical domains. In fact the powertrain consists of energy storage systems, electrical machines and power electronics, connected to purely mechanical components (wheels, suspension, transmission, clutch…). The challenge today is to create a global vehicle model that is valid for computer simulation. Therefore, the main goal of this project is to apply co-simulation methodologies to a comprehensive model of an electric vehicle, where sub-models from different areas of engineering are coupled. The created electric vehicle (EV) model consists of a separately excited DC electric motor, a Li-ion battery pack, a DC/DC chopper converter and a multibody vehicle model. Co-simulation techniques allow car designers to simulate complex vehicle architectures and behaviors, which are usually difficult to implement in a real environment due to safety and/or economic reasons. In addition, multi-domain computational models help to detect the effects of different driving patterns and parameters and improve the models in a fast and effective way. Automotive designers can greatly benefit from a multidisciplinary approach of new hybrid and electric vehicles. In this case, the global electric vehicle model includes an electrical subsystem and a mechanical subsystem. The electrical subsystem consists of three basic components: electric motor, battery pack and power converter. A modular representation is used for building the dynamic model of the vehicle drivetrain. This means that every component of the drivetrain (submodule) is modeled separately and has its own general dynamic model, with clearly defined inputs and outputs. Then, all the particular submodules are assembled according to the drivetrain configuration and, in this way, the power flow across the components is completely determined. Dynamic models of electrical components are often based on equivalent circuits, where Kirchhoff’s voltage and current laws are applied to draw the algebraic and differential equations. Here, Randles circuit is used for dynamic modeling of the battery and the electric motor is modeled through the analysis of the equivalent circuit of a separately excited DC motor, where the power converter is included. The mechanical subsystem is defined by MBS3D equations. These equations consider the position, velocity and acceleration of all the bodies comprising the vehicle multibody system. MBS3D 2.0 is entirely written in MATLAB and the structure of the program has been thoroughly studied and understood by the author. MBS3D software is adapted according to the requirements of the applied co-simulation method. Some of the core functions are modified, such as integrator and graphics, and several auxiliary functions are added in order to compute the mathematical model of the electrical components. By coupling and co-simulating both subsystems, it is possible to evaluate the dynamic interaction among all the components of the drivetrain. ‘Tight-coupling’ method is used to cosimulate the sub-models. This approach integrates all subsystems simultaneously and the results of the integration are exchanged by function-call. This means that the integration is done jointly for the mechanical and the electrical subsystem, under a single integrator and then, the speed of integration is determined by the slower subsystem. Simulations are then used to show the performance of the developed EV model. However, this project focuses more on the validation of the computational and mathematical tool for electric and hybrid vehicle simulation. For this purpose, a detailed study and comparison of different integrators within the MATLAB environment is done. Consequently, the main efforts are directed towards the implementation of co-simulation techniques in MBS3D software. In this regard, it is not intended to create an extremely precise EV model in terms of real vehicle performance, although an acceptable level of accuracy is achieved. The gap between the EV model and the real system is filled, in a way, by introducing the gas and brake pedals input, which reflects the actual driver behavior. This input is included directly in the differential equations of the model, and determines the amount of current provided to the electric motor. For a separately excited DC motor, the rotor current is proportional to the traction torque delivered to the car wheels. Therefore, as it occurs in the case of real vehicle models, the propulsion torque in the mathematical model is controlled through acceleration and brake pedal commands. The designed transmission system also includes a reduction gear that adapts the torque coming for the motor drive and transfers it. The main contribution of this project is, therefore, the implementation of a new calculation path for the wheel torques, based on performance characteristics and outputs of the electric powertrain model. Originally, the wheel traction and braking torques were input to MBS3D through a vector directly computed by the user in a MATLAB script. Now, they are calculated as a function of the motor current which, in turn, depends on the current provided by the battery pack across the DC/DC chopper converter. The motor and battery currents and voltages are the solutions of the electrical ODE (Ordinary Differential Equation) system coupled to the multibody system. Simultaneously, the outputs of MBS3D model are the position, velocity and acceleration of the vehicle at all times. The motor shaft speed is computed from the output vehicle speed considering the wheel radius, the gear reduction ratio and the transmission efficiency. This motor shaft speed, somehow available from MBS3D model, is then introduced in the differential equations corresponding to the electrical subsystem. In this way, MBS3D and the electrical powertrain model are interconnected and both subsystems exchange values resulting as expected with tight-coupling approach.When programming mathematical models of complex systems, code optimization is a key step in the process. A way to improve the overall performance of the integration, making use of C/C++ as an alternative programming language, is described and implemented. Although this entails a higher computational burden, it leads to important advantages regarding cosimulation speed and stability. In order to do this, it is necessary to integrate MATLAB with another integrated development environment (IDE), where C/C++ code can be generated and executed. In this project, C/C++ files are programmed in Microsoft Visual Studio and the interface between both IDEs is created by building C/C++ MEX file functions. These programs contain functions or subroutines that can be dynamically linked and executed from MATLAB. This process achieves reductions in simulation time up to two orders of magnitude. The tests performed with different integrators, also reveal the stiff character of the differential equations corresponding to the electrical subsystem, and allow the improvement of the cosimulation process. When varying the parameters of the integration and/or the initial conditions of the problem, the solutions of the system of equations show better dynamic response and stability, depending on the integrator used. Several integrators, with variable and non-variable step-size, and for stiff and non-stiff problems are applied to the coupled ODE system. Then, the results are analyzed, compared and discussed. From all the above, the project can be divided into four main parts: 1. Creation of the equation-based electric vehicle model; 2. Programming, simulation and adjustment of the electric vehicle model; 3. Application of co-simulation methodologies to MBS3D and the electric powertrain subsystem; and 4. Code optimization and study of different integrators. Additionally, in order to deeply understand the context of the project, the first chapters include an introduction to basic vehicle dynamics, current classification of hybrid and electric vehicles and an explanation of the involved technologies such as brake energy regeneration, electric and non-electric propulsion systems for EVs and HEVs (hybrid electric vehicles) and their control strategies. Later, the problem of dynamic modeling of hybrid and electric vehicles is discussed. The integrated development environment and the simulation tool are also briefly described. The core chapters include an explanation of the major co-simulation methodologies and how they have been programmed and applied to the electric powertrain model together with the multibody system dynamic model. Finally, the last chapters summarize the main results and conclusions of the project and propose further research topics. In conclusion, co-simulation methodologies are applicable within the integrated development environments MATLAB and Visual Studio, and the simulation tool MBS3D 2.0, where equation-based models of multidisciplinary subsystems, consisting of mechanical and electrical components, are coupled and integrated in a very efficient way.

Analysis and Design Considerations of an Electric Vehicle Powertrain regarding Energy Efficiency and Magnetic Field Exposure

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.

The oculomotor system as a model for the study of neuronal interaction processes

Identified neurons that control eye movements offer an excellent experimental target for the study of Information coding and neuronal interaction processes wíthin the central nervous system. Here are presented some prelimínary results of the motoneuron behaviour during steady eye fíxation, obtained by regressíon and analysis of variance techniques. A flexible information system intended for the systematic acquisitíon and analysis of simultaneous records of neuronal activity and both eyes angular position in a great amount of cells, oriented to the defínition of mathematical models, is also briefly outlíned.

Variation in per capita interaction strength: Thresholds due to nonlinear dynamics and nonequilibrium conditions

I measured the strength of interaction between a marine herbivore and its growing resource over a realistic range of absolute and relative abundances. The herbivores (hermit crabs: Pagurus spp.) have slow and/or weak functional and numerical responses to epiphytic diatoms (Isthmia nervosa), which show logistic growth in the absence of consumers. By isolating this interaction in containers in the field, I mimicked many of the physical and biological variables characteristic of the intertidal while controlling the densities of focal species. The per capita effects of consumers on the population dynamics of their resource (i.e., interaction strength) were defined by using the relationship between hermit crab density and proportional change in the resource. When this relationship is fit by a Weibull function, a single parameter distinguishes constant interaction strength from one that varies as a function of density. Constant interaction strength causes the proportion of diatoms to fall linearly or proportionally as hermit crab density increases whereas per capita effects that increase with density cause an accelerating decline. Although many mathematical models of species interactions assume linear dynamics and invariant parameters, at least near equilibrium, the per capita effects of hermit crabs on diatoms varied substantially, apparently crossing a threshold from weak to strong when consumption exceeded resource production. This threshold separates a domain of coexistence from one of local extinction of the resource. Such thresholds may help explain trophic cascades, resource compensation, and context-dependent interaction strengths, while indicating a way to predict trophic effects, despite nonlinearities, as a function of vital rates.