Aspectos de la medición dinámica instantánea de emisiones de motores. Aplicación al desarrollo de un equipo portátil y una metodología para estudios de contaminación de vehículos en tráfico real.

Esta Tesis Doctoral se encuadra en el ámbito de la medida de emisiones contaminantes y de consumo de combustible en motores de combustión interna alternativos cuando se utilizan como plantas de potencia para propulsión de vehículos ligeros de carretera, y más concretamente en las medidas dinámicas con el vehículo circulando en tráfico real. En este ámbito, el objetivo principal de la Tesis es estudiar los problemas asociados a la medición en tiempo real con equipos embarcados de variables medioambientales, energéticas y de actividad, de vehículos ligeros propulsados por motores térmicos en tráfico real. Y como consecuencia, desarrollar un equipo y una metodología apropiada para este objetivo, con el fin de realizar consiguientemente un estudio sobre los diferentes factores que influyen sobre las emisiones y el consumo de combustible de vehículos turismo en tráfico real. La Tesis se comienza realizando un estudio prospectivo sobre los trabajos de otros autores relativos al desarrollo de equipos portátiles de medida de emisiones (Portable Emission Measurement Systems – PEMS), problemas asociados a la medición dinámica de emisiones y estudios de aplicación en tráfico real utilizando este tipo de equipos. Como resultado de este estudio se plantea la necesidad de disponer de un equipo específicamente diseñado para ser embarcado en un vehículo que sea capaz de medir en tiempo real las concentraciones de emisiones y el caudal de gases de escape, al mismo tiempo que se registran variables del motor, del vehículo y del entorno como son la pendiente y los datos meteorológicos. De esta forma se establecen las especificaciones y condiciones de diseño del equipo PEMS. Aunque al inicio de esta Tesis ya existían en el mercado algunos sistemas portátiles de medida de emisiones (PEMS: Portable Emissions Measurement Systems), en esta Tesis se investiga, diseña y construye un nuevo sistema propio, denominado MIVECO – PEMS. Se exponen, discuten y justifican todas las soluciones técnicas incorporadas en el sistema que incluyen los subsistema de análisis de gases, subsistemas de toma de muestra incluyendo caudalímetro de gases de escape, el subsistema de medida de variables del entorno y actividad del vehículo y el conjunto de sistemas auxiliares. El diseño final responde a las hipótesis y necesidades planteadas y se valida en uso real, en banco de rodillos y en comparación con otro equipos de medida de emisiones estacionarios y portátiles. En esta Tesis se presenta también toda la investigación que ha conducido a establecer la metodología de tratamiento de las señales registradas en tiempo real que incluye la sincronización, cálculos y propagación de errores. La metodología de selección y caracterización de los recorridos y circuitos y de las pautas de conducción, preparación del vehículo y calibración de los equipos forma también parte del legado de esta Tesis. Para demostrar la capacidad de medida del equipo y el tipo de resultados que pueden obtenerse y que son útiles para la comunidad científica, y las autoridades medioambientales en la parte final de esta Tesis se plantean y se presentan los resultados de varios estudios de variables endógenas y exógenas que afectan a las emisiones instantáneas y a los factores de emisión y consumo (g/km) como: el estilo de conducción, la infraestructura vial, el nivel de congestión del tráfico, tráfico urbano o extraurbano, el contenido de biocarburante, tipo de motor (diesel y encendido provocado), etc. Las principales conclusiones de esta Tesis son que es posible medir emisiones másicas y consumo de motores de vehículos en uso real y que los resultados permiten establecer políticas de reducción de impacto medio ambiental y de eficiencia energética, pero, se deben establecer unas metodologías precisas y se debe tener mucho cuidado en todo el proceso de calibración, medida y postratamientos de los datos. Abstract This doctoral thesis is in the field of emissions and fuel consumption measurement of reciprocating internal combustion engines when are used as power-trains for light-duty road vehicles, and especially in the real-time dynamic measurements procedures when the vehicle is being driven in real traffic. In this context, the main objective of this thesis is to study the problems associated with on-board real-time measuring systems of environmental, energy and activity variables of light vehicles powered by internal combustion engines in real traffic, and as a result, to develop an instrument and an appropriate methodology for this purpose, and consequently to make a study of the different factors which influence the emissions and the fuel consumption of passenger cars in real traffic. The thesis begins developing a prospective study on other authors’ works about development of Portable Emission Measurement Systems (PEMS), problems associated with dynamic emission measurements and application studies on actual traffic using PEMS. As a result of this study, it was shown that a measuring system specifically designed for being on-board on a vehicle, which can measure in real time emission concentrations and exhaust flow, and at the same time to record motor vehicle and environment variables as the slope and atmospheric data, is needed; and the specifications and design parameters of the equipment are proposed. Although at the beginning of this research work there were already on the market some PEMS, in this Thesis a new system is researched, designed and built, called MIVECO – PEMS, in order to meet such measurements needs. Following that, there are presented, discussed and justify all technical solutions incorporated in the system, including the gas analysis subsystem, sampling and exhaust gas flowmeter subsystem, the subsystem for measurement of environment variables and of the vehicle activity and the set of auxiliary subsystems. The final design meets the needs and hypotheses proposed, and is validated in real-life use and chassis dynamometer testing and is also compared with other stationary and on-board systems. This thesis also presents all the research that has led to the methodology of processing the set of signals recorded in real time including signal timing, calculations and error propagation. The methodology to select and characterize of the routes and circuits, the driving patterns, and the vehicle preparation and calibration of the instruments and sensors are part of the legacy of this thesis. To demonstrate the measurement capabilities of the system and the type of results that can be obtained and that are useful for the scientific community and the environmental authorities, at the end of this Thesis is presented the results of several studies of endogenous and exogenous variables that affect the instantaneous and averaged emissions and consumption factors (g/km), as: driving style, road infrastructure, the level of traffic congestion, urban and extra-urban traffic, biofuels content, type of engine (diesel or spark ignition) etc. The main conclusions of this thesis are that it is possible to measure mass emissions and consumption of vehicle engines in actual use and that the results allow us to establish policies to reduce environmental impact and improve energy efficiency, but, to establish precise methodologies and to be very careful in the entire process of calibration, measurement and data post-treatment is necessary.

Modelización del cálculo de Indicadores Ambientales, a partir de sensores ópticos de alta resolución temporal a bordo de satélite

La presente tesis doctoral tiene por objeto el estudio y análisis de técnicas y modelos de obtención de parámetros biofísicos e indicadores ambientales, de manera automatizada a partir de imágenes procedentes de satélite de alta resolución temporal. En primer lugar se revisan los diferentes programas espaciales de observación del territorio, con especial atención a los que proporcionan dicha resolución. También se han revisado las metodologías y procesos que permiten la obtención de diferentes parámetros cuantitativos y documentos cualitativos, relacionados con diversos aspectos de las cubiertas terrestres, atendiendo a su adaptabilidad a las particularidades de los datos. En segundo lugar se propone un modelo de obtención de parámetros ambientales, que integra información proveniente de sensores espaciales y de otras fuentes auxiliares utilizando, en cierta medida, las metodologías presentadas en apartados anteriores y optimizando algunas de las referidas o proponiendo otras nuevas, de manera que se permita dicha obtención de manera eficiente, a partir de los datos disponibles y de forma sistemática. Tras esta revisión de metodologías y propuesta del modelo, se ha procedido a la realización de experimentos, con la finalidad de comprobar su comportamiento en diferentes casos prácticos, depurar los flujos de datos y procesos, así como establecer las situaciones que pueden afectar a los resultados. De todo ello se deducirá la evaluación del referido modelo. Los sensores considerados en este trabajo han sido MODIS, de alta resolución temporal y Thematic Mapper (TM), de media resolución espacial, por tratarse de instrumentos de referencia en la realización de estudios ambientales. También por la duración de sus correspondientes misiones de registro de datos, lo que permite realizar estudios de evolución temporal de ciertos parámetros biofísicos, durante amplios periodos de tiempo. Así mismo. es de destacar que la continuidad de los correspondientes programas parece estar asegurada. Entre los experimentos realizados, se ha ensayado una metodología para la integración de datos procedentes de ambos sensores. También se ha analizado un método de interpolación temporal que permite obtener imágenes sintéticas con la resolución espacial de TM (30 m) y la temporal de MODIS (1 día), ampliando el rango de aplicación de este último sensor. Asimismo, se han analizado algunos de los factores que afectan a los datos registrados, tal como la geometría de la toma de los mismos y los episodios de precipitación, los cuales alteran los resultados obtenidos. Por otro lado, se ha comprobado la validez del modelo propuesto en el estudio de fenómenos ambientales dinámicos, en concreto la contaminación orgánica de aguas embalsadas. Finalmente, se ha demostrado un buen comportamiento del modelo en todos los casos ensayados, así como su flexibilidad, lo que le permite adaptarse a nuevos orígenes de datos, o nuevas metodologías de cálculo. Abstract This thesis aims to the study and analysis of techniques and models, in order to obtain biophysical parameters and environmental indicators in an automated way, using high temporal resolution satellite data. Firstly we have reviewed the main Earth Observation Programs, paying attention to those that provide high temporal resolution. Also have reviewed the methodologies and process flow diagrams in order to obtain quantitative parameters and qualitative documents, relating to various aspects of land cover, according to their adaptability to the peculiarities of the data. In the next stage, a model which allows obtaining environmental parameters, has been proposed. This structure integrates information from space sensors and ancillary data sources, using the methodologies presented in previous sections that permits the parameters calculation in an efficient and automated way. After this review of methodologies and the proposal of the model, we proceeded to carry out experiments, in order to check the behavior of the structure in real situations. From this, we derive the accuracy of the model. The sensors used in this work have been MODIS, which is a high temporal resolution sensor, and Thematic Mapper (TM), which is a medium spatial resolution instrument. This choice was motivated because they are reference sensors in environmental studies, as well as for the duration of their corresponding missions of data logging, and whose continuity seems assured. Among the experiments, we tested a methodology that allows the integration of data from cited sensors, we discussed a proposal for a temporal interpolation method for obtaining synthetic images with spatial resolution of TM (30 m) and temporal of MODIS (1 day), extending the application range of this one. Furthermore, we have analyzed some of the factors that affect the recorded data, such as the relative position of the satellite with the ground point, and the rainfall events, which alter the obtained results. On the other hand, we have proven the validity of the proposed model in the study of the organic contamination in inland water bodies. Finally, we have demonstrated a good performance of the proposed model in all cases tested, as well as its flexibility and adaptability.

Implicaciones de la accesibilidad configuracional en la movilidad peatonal. El caso de Madrid = The implications of configurational accessibility in pedestrian mobility. The case of Madrid

- Resumen La hipótesis que anima esta tesis doctoral es que algunas de las características del entorno urbano, en particular las que describen la accesibilidad de su red de espacio público, podrían estar relacionadas con la proporción de viajes a pie o reparto modal, que tiene cada zona o barrio de Madrid. Uno de los puntos de partida de dicha hipótesis que el entorno urbano tiene una mayor influencia sobre los viaje a pie que en sobre otros modos de transporte, por ejemplo que en los viajes de bicicleta o en transporte público; y es que parece razonable suponer que estos últimos van a estar más condicionadas por ejemplo por la disponibilidad de vías ciclistas, en el primer caso, o por la existencia de un servicio fiable y de calidad, en el segundo. Otra de las motivaciones del trabajo es que la investigación en este campo de la accesibilidad del espacio público, en concreto la denominada “Space Syntax”, ha probado en repetidas ocasiones la influencia de la red de espacio público en cómo se distribuye la intensidad del tráfico peatonal por la trama urbana, pero no se han encontrado referencias de la influencia de dicho elemento sobre el reparto modal. De acuerdo con la hipótesis y con otros trabajos anteriores se propone una metodología basada en el análisis empírico y cuantitativo. Su objetivo es comprobar si la red de espacio público, independientemente de otras variables como los usos del suelo, incluso de las variables de ajenas entorno no construido, como las socioeconómicas, está o no relacionada estadísticamente con la proporción de peatones viajes en las zonas urbanas. Las técnicas estadísticas se utilizan para comprobar sistemáticamente la asociación de las variables del entorno urbano, denominadas variables independientes, con el porcentaje de viajes a pie, la variable dependiente. En términos generales, la metodología es similar a la usada en otros trabajos en este campo como los de CERVERÓ y KOCKLEMAN (1997), CERVERÓ y DUNCAN (2003), o para los que se utilizan principalmente en la revisión general de TRB (2005) o, más recientemente, en ZEGRAS (2006) o CHATMAN (2009). Otras opciones metodológicas, como los métodos de preferencias declaradas (ver LOUVIERE, HENSHER y SWAIT, 2000) o el análisis basado en agentes (PENN & TURNER, 2004) fueron descartados, debido a una serie de razones, demasiado extensas para ser descritas aquí. El caso de estudio utilizado es la zona metropolitana de Madrid, abarcándola hasta la M-50, es decir en su mayor parte, con un tamaño aproximado de 31x34 Km y una población de 4.132.820 habitantes (aproximadamente el 80% de la población de la región). Las principales fuentes de datos son la Encuesta Domiciliaria de Movilidad de 2004 (EDM04), del Consorcio Regional de Transportes de Madrid que es la última disponible (muestra: > 35.000 familias,> 95.000 personas), y un modelo espacial del área metropolitana, integrando el modelo para calcular los índices de Space Syntax y un Sistema de Información Geográfica (SIG). La unidad de análisis, en este caso las unidades espaciales, son las zonas de transporte (con una población media de 7.063 personas) y los barrios (con una población media de 26.466 personas). Las variables del entorno urbano son claramente el centro del estudio. Un total de 20 índices (de 21) se seleccionan de entre los más relevantes encontrados en la revisión de la producción científica en este campo siendo que, al mismo tiempo, fueran accesibles. Nueve de ellos se utilizan para describir las características de los usos del suelo, mientras que otros once se usan para describir la red de espacios públicos. Estos últimos incluyen las variables de accesibilidad configuracional, que son, como se desprende de su título, el centro del estudio propuesto. La accesibilidad configuracional es un tipo especial de accesibilidad que se basa en la configuración de la trama urbana, según esta fue definida por HILLIER (1996), el autor de referencia dentro de esta línea de investigación de Space Syntax. Además se incluyen otras variables de la red de espacio público más habituales en los estudios de movilidad, y que aquí se denominan características geométricas de los elementos de la red, tales como su longitud, tipo de intersección, conectividad, etc. Por último se incluye además una variable socioeconómica, es decir ajena al entorno urbano, para evaluar la influencia de los factores externos, pues son varios los que pueden tener un impacto en la decisión de caminar (edad, género, nivel de estudios, ingresos, tasa de motorización, etc.). La asociación entre las variables se han establecido usando análisis de correlación (bivariante) y modelos de análisis multivariante. Las primeras se calculan entre por pares entre cada una de las 21 variables independientes y la dependiente, el porcentaje de viajes a pie. En cuanto a los segundos, se han realizado tres tipos de estudios: modelo multivariante general lineal, modelo multivariante general curvilíneo y análisis discriminante. Todos ellos son capaces de generar modelos de asociación entre diversas variables, pudiéndose de esta manera evaluar con bastante precisión en qué medida cada modelo reproduce el comportamiento de la variable dependiente, y además, el peso o influencia de cada variable en el modelo respecto a las otras. Los resultados fundamentales del estudio se expresan en dos modelos finales alternativos, que demuestran tener una significativa asociación con el porcentaje de viajes a pie (R2 = 0,6789, p <0,0001), al explicar las dos terceras partes de su variabilidad. En ellos, y en general en todo el estudio realizado, se da una influencia constante de tres índices en particular, que quedan como los principales. Dos de ellos, de acuerdo con muchos de los estudios previos, corresponden a la densidad y la mezcla de usos del suelo. Pero lo más novedoso de los resultados obtenidos es que el tercero es una medida de la accesibilidad de la red de espacio público, algo de lo que no había referencias hasta ahora. Pero, ¿cuál es la definición precisa y el peso relativo de cada uno en el modelo, es decir, en la variable independiente? El de mayor peso en la mayor parte de los análisis realizados es el índice de densidad total (n º residentes + n º puestos de trabajo + n º alumnos / Ha). Es decir, una densidad no sólo de población, sino que incluye algunas de las actividades más importantes que pueden darse una zona para generar movilidad a pie. El segundo que mayor peso adquiere, llegando a ser el primero en alguno de los análisis estadísticos efecturados, es el índice de accesibuilidad configuracional denominado integración de radio 5. Se trata de una medida de la accesibilidad de la zona, de su centralidad, a la escala de, más un menor, un distrito o comarca. En cuanto al tercero, obtiene una importancia bastante menor que los anteriores, y es que representa la mezcla de usos. En concreto es una medida del equilibrio entre los comercios especializados de venta al por menor y el número de residentes (n º de tiendas especializadas en alimentación, bebidas y tabaco / n º de habitantes). Por lo tanto, estos resultados confirman buena parte de los de estudios anteriores, especialmente los relativas a los usos del suelo, pero al mismo tiempo, apuntan a que la red de espacio público podría tener una influir mayor de la comprobada hasta ahora en la proporción de peatones sobre el resto de modos de transportes. Las razones de por qué esto puede ser así, se discuten ampliamente en las conclusiones. Finalmente se puede precisar que dicha conclusión principal se refiere a viajes de una sola etapa (no multimodales) que se dan en los barrios y zonas del área metropolitana de Madrid. Por supuesto, esta conclusión tiene en la actualidad, una validez limitada, ya que es el resultado de un solo caso — Abstract The research hypothesis for this Ph.D. Thesis is that some characteristics of the built environment, particularly those describing the accessibility of the public space network, could be associated with the proportion of pedestrians in all trips (modal split), found in the different parts of a city. The underlying idea is that walking trips are more sensitive to built environment than those by other transport modes, such as for example those by bicycle or by public transport, which could be more conditioned by, e.g. infrastructure availability or service frequency and quality. On the other hand, it has to be noted that the previously research on this field, in particular within Space Syntax’s where this study can be referred, have tested similar hypothesis using pedestrian volumes as the dependent variable, but never against modal split. According to such hypothesis, research methodology is based primarily on empirical quantitative analysis, and it is meant to be able to assess whether public space network, no matter other built environment and non-built environment variables, could have a relationship with the proportion of pedestrian trips in urban areas. Statistical techniques are used to check the association of independent variables with the percentage of walking in all trips, the dependent one. Broadly speaking this methodology is similar to that of previous studies in the field such as CERVERO&KOCKLEMAN (1997), CERVERO & DUNCAN (2003), or to those used mainly in the general review of T.R.B. (2005) or, more recently in ZEGRAS (2006) or CHATMAN (2009). Other methodological options such as stated choice methods (see LOUVIERE, HENSHER & SWAIT, 2000) or agent based analysis (PENN & TURNER, 2004), were discarded, due to a number of reasons, too long to be described here. The case study is not the entire Madrid’s metropolitan area, but almost (4.132.820 inhabitants, about 80% of region´s population). Main data sources are the Regional Mobility Home Based Survey 2004 (EDM04), which is the last available (sample: >35.000 families, > 95.000 individuals), and a spatial model of the metropolitan area, developed using Space Syntax and G.I.S. techniques. The analysis unit, in this case spatial units, are both transport zones (mean population = 7.063) and neighborhoods (mean population = 26.466). The variables of the built environment are clearly the core of the study. A total of 20 (out of 21) are selected from among those found in the literature while, at the same time, being accessible. Nine out of them are used to describe land use characteristics while another eleven describe the network of public spaces. Latter ones include configurational accessibility or Space Syntax variables. This is a particular sort of accessibility related with the concept of configuration, by HILLIER (1996), one of the main authors of Space Syntax, But it also include more customary variables used in mobility research to describe the urban design or spatial structure (here public space network), which here are called geometric characteristics of the such as its length, type of intersection, conectivity, density, etc. Finally a single socioeconomic variable was included in order to assess the influence non built environment factors that also may have an impact on walking (age, income, motorization rate, etc.). The association among variables is worked out using bi-variate correlation analysis and multivariate-analysis. Correlations are calculated among the 21 independent variables and the dependent one, the percentage of walking trips. Then, three types of multi-variate studies are run: general linear, curvilinear and discriminant multi-variate analysis. The latter are fully capable of generating complex association models among several variables, assessing quite precisely to what extent each model reproduces the behavior of the dependent variable, and also the weight or influence of each variable in the model. This study’s results show a consistent influence of three particular indexes in the two final alternative models of the multi-variate study (best, R2=0,6789, p<0,0000). Not surprisingly, two of them correspond to density and mix of land uses. But perhaps more interesting is that the third one is a measure of the accessibility of the public space network, a variable less important in the literature up to now. Additional precisions about them and their relative weight could also be of some interest. The density index is not only about population but includes most important activities in an area (nº residents + nº jobs+ nº students/Ha). The configurational index (radius 5 integration) is a measure of the accessibility of the area, i.e. centrality, at the scale of, more a less, a district. Regarding the mix of land uses index, this one is a measure of the balance between retail, in fact local basic retail, and the number of residents (nº of convenience shops / nº of residents). Referring to their weights, configurational index (radius 5 integration) gets the higher standardized coefficient of the final equation. However, in the final equations, there are a higher number of indexes coming from the density or land use mix categories than from public space network enter. Therefore, these findings seem to support part of the field’s knowledge, especially those concerning land uses, but at the same time they seem to bring in the idea that the configuration of the urban grid could have an influence in the proportion of walkers (as a part of total trips on any transport mode) that do single journey trips in the neighborhoods of Madrid, Spain. Of course this conclusion has, at present, a limited validity since it’s the result of a single case. The reasons of why this can be so, are discussed in the last part of the thesis.

Efectos dinámicos laterales en vehículos y puentes ferroviarios sometidos a la acción de vientos transversales

En las últimas décadas el aumento de la velocidad y la disminución del peso de los vehículos ferroviarios de alta velocidad ha provocado que aumente su riesgo de vuelco. Además, las exigencias de los trazados de las líneas exige en ocasiones la construcción de viaductos muy altos situados en zonas expuestas a fuertes vientos. Esta combinación puede poner en peligro la seguridad de la circulación. En esta tesis doctoral se estudian los efectos dinámicos que aparecen en los vehículos ferroviarios cuando circulan sobre viaductos en presencia de vientos transversales. Para ello se han desarrollado e implementado una serie de modelos numéricos que permiten estudiar estos efectos de una forma realista y general. Los modelos desarrollados permiten analizar la interacción dinámica tridimensional tren-estructura, formulada mediante coordenadas absolutas en un sistema de referencia inercial, en un contexto de elementos _nitos no lineales. Mediante estos modelos se pueden estudiar de forma realista casos extremos como el vuelco o descarrilamiento de los vehículos. Han sido implementados en Abaqus, utilizando sus capacidades para resolver sistemas multi-cuerpo para el vehículo y elementos finitos para la estructura. La interacción entre el vehículo y la estructura se establece a través del contacto entre rueda y carril. Para ello, se han desarrollado una restricción, que permite establecer la relación cinemática entre el eje ferroviario y la vía, teniendo en cuenta los posibles defectos geométricos de la vía; y un modelo de contacto rueda-carril para establecer la interacción entre el vehículo y la estructura. Las principales características del modelo de contacto son: considera la geometría real de ambos cuerpos de forma tridimensional; permite resolver situaciones en las que el contacto entre rueda y carril se da en más de una zona a la vez; y permite utilizar distintas formulaciones para el cálculo de la tensión tangencial entre ambos cuerpos. Además, se ha desarrollado una metodología para determinar, a partir de formulaciones estocásticas, las historias temporales de cargas aerodinámicas debidas al viento turbulento en estructuras grandes y con pilas altas y flexibles. Esta metodología tiene cuenta la variabilidad espacial de la velocidad de viento, considerando la correlación entre los distintos puntos; considera las componentes de la velocidad del viento en tres dimensiones; y permite el cálculo de la velocidad de viento incidente sobre los vehículos que atraviesan la estructura. La metodología desarrollada en este trabajo ha sido implementada, validada y se ha aplicado a un caso concreto en el que se ha estudiado la respuesta de un tren de alta velocidad, similar al Siemens Velaro, circulando sobre el viaducto del río Ulla en presencia viento cruzado. En este estudio se ha analizado la seguridad y el confort de la circulación y la respuesta dinámica de la estructura cuando el tren cruza el viaducto. During the last decades the increase of the speed and the reduction of the weight of high-speed railway vehicles has led to a rise of the overturn risk. In addition, the design requests of the railway lines require some times the construction of very tall viaducts in strong wind areas. This combination may endanger the traffic safety. In this doctoral thesis the dynamic effects that appear in the railway vehicles when crossing viaducts under strong winds are studied. For this purpose it has been developed and implemented numerical models for studying these effects in a realistic and general way. The developed models allow to analyze the train-structure three-dimensional dynamic interaction, that is formulated by using absolute coordinates in an inertial reference frame within a non-linear finite element framework. By means of these models it is possible to study in a realistic way extreme situations such vehicle overturn or derailment. They have been implemented for Abaqus, by using its capabilities for solving multi-body systems for the vehicle and finite elements for the structure. The interaction between the vehicle and the structure is established through the wheel-rail contact. For this purpose, a constraint has been developed. It allows to establish the kinematic relationship between the railway wheelset and the track, taking into account the track irregularities. In addition, a wheel-rail contact model for establishing the interaction of the vehicle and the structure has been developed. The main features of the contact model are: it considers the real geometry During the last decades the increase of the speed and the reduction of the weight of high-peed railway vehicles has led to a rise of the overturn risk. In addition, the design requests of the railway lines require some times the construction of very tall viaducts in strong wind areas. This combination may endanger the traffic safety. In this doctoral thesis the dynamic effects that appear in the railway vehicles when crossing viaducts under strong winds are studied. For this purpose it has been developed and implemented numerical models for studying these effects in a realistic and general way. The developed models allow to analyze the train-structure three-dimensional dynamic interaction, that is formulated by using absolute coordinates in an inertial reference frame within a non-linear finite element framework. By means of these models it is possible to study in a realistic way extreme situations such vehicle overturn or derailment. They have been implemented for Abaqus, by using its capabilities for solving multi-body systems for the vehicle and finite elements for the structure. The interaction between the vehicle and the structure is established through the wheel-rail contact. For this purpose, a constraint has been developed. It allows to establish the kinematic relationship between the railway wheelset and the track, taking into account the track irregularities. In addition, a wheel-rail contact model for establishing the interaction of the vehicle and the structure has been developed. The main features of the contact model are: it considers the real geometry

Intelligent automatic overtaking system using vision for vehicle detection

There is clear evidence that investment in intelligent transportation system technologies brings major social and economic benefits. Technological advances in the area of automatic systems in particular are becoming vital for the reduction of road deaths. We here describe our approach to automation of one the riskiest autonomous manœuvres involving vehicles – overtaking. The approach is based on a stereo vision system responsible for detecting any preceding vehicle and triggering the autonomous overtaking manœuvre. To this end, a fuzzy-logic based controller was developed to emulate how humans overtake. Its input is information from the vision system and from a positioning-based system consisting of a differential global positioning system (DGPS) and an inertial measurement unit (IMU). Its output is the generation of action on the vehicle’s actuators, i.e., the steering wheel and throttle and brake pedals. The system has been incorporated into a commercial Citroën car and tested on the private driving circuit at the facilities of our research center, CAR, with different preceding vehicles – a motorbike, car, and truck – with encouraging results.

Maximum likelihood estimation of new state space models for operational modal analysis

The modal analysis of a structural system consists on computing its vibrational modes. The experimental way to estimate these modes requires to excite the system with a measured or known input and then to measure the system output at different points using sensors. Finally, system inputs and outputs are used to compute the modes of vibration. When the system refers to large structures like buildings or bridges, the tests have to be performed in situ, so it is not possible to measure system inputs such as wind, traffic, . . .Even if a known input is applied, the procedure is usually difficult and expensive, and there are still uncontrolled disturbances acting at the time of the test. These facts led to the idea of computing the modes of vibration using only the measured vibrations and regardless of the inputs that originated them, whether they are ambient vibrations (wind, earthquakes, . . . ) or operational loads (traffic, human loading, . . . ). This procedure is usually called Operational Modal Analysis (OMA), and in general consists on to fit a mathematical model to the measured data assuming the unobserved excitations are realizations of a stationary stochastic process (usually white noise processes). Then, the modes of vibration are computed from the estimated model. The first issue investigated in this thesis is the performance of the Expectation- Maximization (EM) algorithm for the maximum likelihood estimation of the state space model in the field of OMA. The algorithm is described in detail and it is analysed how to apply it to vibration data. After that, it is compared to another well known method, the Stochastic Subspace Identification algorithm. The maximum likelihood estimate enjoys some optimal properties from a statistical point of view what makes it very attractive in practice, but the most remarkable property of the EM algorithm is that it can be used to address a wide range of situations in OMA. In this work, three additional state space models are proposed and estimated using the EM algorithm: • The first model is proposed to estimate the modes of vibration when several tests are performed in the same structural system. Instead of analyse record by record and then compute averages, the EM algorithm is extended for the joint estimation of the proposed state space model using all the available data. • The second state space model is used to estimate the modes of vibration when the number of available sensors is lower than the number of points to be tested. In these cases it is usual to perform several tests changing the position of the sensors from one test to the following (multiple setups of sensors). Here, the proposed state space model and the EM algorithm are used to estimate the modal parameters taking into account the data of all setups. • And last, a state space model is proposed to estimate the modes of vibration in the presence of unmeasured inputs that cannot be modelled as white noise processes. In these cases, the frequency components of the inputs cannot be separated from the eigenfrequencies of the system, and spurious modes are obtained in the identification process. The idea is to measure the response of the structure corresponding to different inputs; then, it is assumed that the parameters common to all the data correspond to the structure (modes of vibration), and the parameters found in a specific test correspond to the input in that test. The problem is solved using the proposed state space model and the EM algorithm. Resumen El análisis modal de un sistema estructural consiste en calcular sus modos de vibración. Para estimar estos modos experimentalmente es preciso excitar el sistema con entradas conocidas y registrar las salidas del sistema en diferentes puntos por medio de sensores. Finalmente, los modos de vibración se calculan utilizando las entradas y salidas registradas. Cuando el sistema es una gran estructura como un puente o un edificio, los experimentos tienen que realizarse in situ, por lo que no es posible registrar entradas al sistema tales como viento, tráfico, . . . Incluso si se aplica una entrada conocida, el procedimiento suele ser complicado y caro, y todavía están presentes perturbaciones no controladas que excitan el sistema durante el test. Estos hechos han llevado a la idea de calcular los modos de vibración utilizando sólo las vibraciones registradas en la estructura y sin tener en cuenta las cargas que las originan, ya sean cargas ambientales (viento, terremotos, . . . ) o cargas de explotación (tráfico, cargas humanas, . . . ). Este procedimiento se conoce en la literatura especializada como Análisis Modal Operacional, y en general consiste en ajustar un modelo matemático a los datos registrados adoptando la hipótesis de que las excitaciones no conocidas son realizaciones de un proceso estocástico estacionario (generalmente ruido blanco). Posteriormente, los modos de vibración se calculan a partir del modelo estimado. El primer problema que se ha investigado en esta tesis es la utilización de máxima verosimilitud y el algoritmo EM (Expectation-Maximization) para la estimación del modelo espacio de los estados en el ámbito del Análisis Modal Operacional. El algoritmo se describe en detalle y también se analiza como aplicarlo cuando se dispone de datos de vibraciones de una estructura. A continuación se compara con otro método muy conocido, el método de los Subespacios. Los estimadores máximo verosímiles presentan una serie de propiedades que los hacen óptimos desde un punto de vista estadístico, pero la propiedad más destacable del algoritmo EM es que puede utilizarse para resolver un amplio abanico de situaciones que se presentan en el Análisis Modal Operacional. En este trabajo se proponen y estiman tres modelos en el espacio de los estados: • El primer modelo se utiliza para estimar los modos de vibración cuando se dispone de datos correspondientes a varios experimentos realizados en la misma estructura. En lugar de analizar registro a registro y calcular promedios, se utiliza algoritmo EM para la estimación conjunta del modelo propuesto utilizando todos los datos disponibles. • El segundo modelo en el espacio de los estados propuesto se utiliza para estimar los modos de vibración cuando el número de sensores disponibles es menor que vi Resumen el número de puntos que se quieren analizar en la estructura. En estos casos es usual realizar varios ensayos cambiando la posición de los sensores de un ensayo a otro (múltiples configuraciones de sensores). En este trabajo se utiliza el algoritmo EM para estimar los parámetros modales teniendo en cuenta los datos de todas las configuraciones. • Por último, se propone otro modelo en el espacio de los estados para estimar los modos de vibración en la presencia de entradas al sistema que no pueden modelarse como procesos estocásticos de ruido blanco. En estos casos, las frecuencias de las entradas no se pueden separar de las frecuencias del sistema y se obtienen modos espurios en la fase de identificación. La idea es registrar la respuesta de la estructura correspondiente a diferentes entradas; entonces se adopta la hipótesis de que los parámetros comunes a todos los registros corresponden a la estructura (modos de vibración), y los parámetros encontrados en un registro específico corresponden a la entrada en dicho ensayo. El problema se resuelve utilizando el modelo propuesto y el algoritmo EM.

Domestic hot water consumption vs. solar thermal energy storage: the optimum size of the storage tank

Many efforts have been made in order to adequate the production of a solar thermal collector field to the consumption of domestic hot water of the inhabitants of a building. In that sense, much has been achieved in different domains: research agencies, government policies and manufacturers. However, most of the design rules of the solar plants are based on steady state models, whereas solar irradiance, consumption and thermal accumulation are inherently transient processes. As a result of this lack of physical accuracy, thermal storage tanks are sometimes left to be as large as the designer decides without any aforementioned precise recommendation. This can be a problem if solar thermal systems are meant to be implemented in nowadays buildings, where there is a shortage of space. In addition to that, an excessive storage volume could not result more efficient in many residential applications, but costly, extreme in space consumption and in some cases too heavy. A proprietary transient simulation program has been developed and validated with a detailed measurement campaign in an experimental facility. In situ environmental data have been obtained through a whole year of operation. They have been gathered at intervals of 10 min for a solar plant of 50 m2 with a storage tank of 3 m3, including the equipment for domestic hot water production of a typical apartment building. This program has been used to obtain the design and dimensioning criteria of DHW solar plants under daily transient conditions throughout a year and more specifically the size of the storage tank for a multi storey apartment building. Comparison of the simulation results with the current Spanish regulation applicable, “Código Técnico de la Edificación” (CTE 2006), offers fruitful details and establishes solar facilities dimensioning criteria.

Short tethers for electrodynamic thrust

The operational advantages of electrodynamic tethers of moderate length are becoming evident from studies of collision avoidance. Although long tethers (of order of 10 kilometers) provide high efficiency and good adaptability to varying plasma conditions, boosting tethers of moderate length (- 1 kilometer) and suitable design might still operate at acceptable efficiencies and adequate adaptability to a changing environment. In this paper we carry out a parametric analysis of the performance of 1-km long boosting tethers, to maximize their efficiency. We also discuss the possible use of multiple, parallel such tethers for keeping thrust high when length is decreased. We then estimate the survivability of short tethers to micrometeoroids and orbital debris. Finally, a few considerations are made on the dynamic stability of electrodynamic tether systems versus length.

Bare Tethers for Electrodynamic Spacecraft Propulsion

Electrodynamic tether thrusters can use the power provided by solar panels to drive a current in the tether and then the Lorentz force to push against the Earth's magnetic field, thereby achieving propulsion without the expenditure of onboard energy sources or propellant. Practical tether propulsion depends critically on being able to extract multiamp electron currents from the ionosphere with relatively short tethers (10 km or less) and reasonably low power. We describe a new anodic design that uses an uninsulated portion of the metallic tether itself to collect electrons. Because of the efficient collection of this type of anode, electrodynamic thrusters for reboost of the International Space Station and for an upper stage capable of orbit raising, lowering, and inclination changes appear to be feasible. Specifically, a 10-km-long bare tether, utilizing 10 kW of the space station power could save most of the propellant required for the station reboost over its 10-year lifetime. The propulsive small expendable deployer system experiment is planned to test the bare-tether design in space in the year 2000 by deploying a 5-km bare aluminum tether from a Delta II upper stage to achieve up to 0.5-N drag thrust, thus deorbiting the stage.

Predicción de la velocidad crítica de flameo mediante el uso de modelos aeroelásticos extrapolados en tiempo real con datos de vuelo

La Aeroelasticidad fue definida por Arthur Collar en 1947 como "el estudio de la interacción mutua entre fuerzas inerciales, elásticas y aerodinámicas actuando sobre elementos estructurales expuestos a una corriente de aire". Actualmente, esta definición se ha extendido hasta abarcar la influencia del control („Aeroservoelasticidad‟) e, incluso, de la temperatura („Aerotermoelasticidad‟). En el ámbito de la Ingeniería Aeronáutica, los fenómenos aeroelásticos, tanto estáticos (divergencia, inversión de mando) como dinámicos (flameo, bataneo) son bien conocidos desde los inicios de la Aviación. Las lecciones aprendidas a lo largo de la Historia Aeronáutica han permitido establecer criterios de diseño destinados a mitigar la probabilidad de sufrir fenómenos aeroelásticos adversos durante la vida operativa de una aeronave. Adicionalmente, el gran avance experimentado durante esta última década en el campo de la Aerodinámica Computacional y en la modelización aeroelástica ha permitido mejorar la fiabilidad en el cálculo de las condiciones de flameo de una aeronave en su fase de diseño. Sin embargo, aún hoy, los ensayos en vuelo siguen siendo necesarios para validar modelos aeroelásticos, verificar que la aeronave está libre de inestabilidades aeroelásticas y certificar sus distintas envolventes. En particular, durante el proceso de expansión de la envolvente de una aeronave en altitud/velocidad, se requiere predecir en tiempo real las condiciones de flameo y, en consecuencia, evitarlas. A tal efecto, en el ámbito de los ensayos en vuelo, se han desarrollado diversas metodologías que predicen, en tiempo real, las condiciones de flameo en función de condiciones de vuelo ya verificadas como libres de inestabilidades aeroelásticas. De entre todas ellas, aquella que relaciona el amortiguamiento y la velocidad con un parámetro específico definido como „Margen de Flameo‟ (Flutter Margin), permanece como la técnica más común para proceder con la expansión de Envolventes en altitud/velocidad. No obstante, a pesar de su popularidad y facilidad de aplicación, dicha técnica no es adecuada cuando en la aeronave a ensayar se hallan presentes no-linealidades mecánicas como, por ejemplo, holguras. En particular, en vuelos de ensayo dedicados específicamente a expandir la envolvente en altitud/velocidad, las condiciones de „Oscilaciones de Ciclo Límite‟ (Limit Cycle Oscillations, LCOs) no pueden ser diferenciadas de manera precisa de las condiciones de flameo, llevando a una determinación excesivamente conservativa de la misma. La presente Tesis desarrolla una metodología novedosa, basada en el concepto de „Margen de Flameo‟, que permite predecir en tiempo real las condiciones de „Ciclo Límite‟, siempre que existan, distinguiéndolas de las de flameo. En una primera parte, se realiza una revisión bibliográfica de la literatura acerca de los diversos métodos de ensayo existentes para efectuar la expansión de la envolvente de una aeronave en altitud/velocidad, el efecto de las no-linealidades mecánicas en el comportamiento aeroelástico de dicha aeronave, así como una revisión de las Normas de Certificación civiles y militares respecto a este tema. En una segunda parte, se propone una metodología de expansión de envolvente en tiempo real, basada en el concepto de „Margen de Flameo‟, que tiene en cuenta la presencia de no-linealidades del tipo holgura en el sistema aeroelástico objeto de estudio. Adicionalmente, la metodología propuesta se valida contra un modelo aeroelástico bidimensional paramétrico e interactivo programado en Matlab. Para ello, se plantean las ecuaciones aeroelásticas no-estacionarias de un perfil bidimensional en la formulación espacio-estado y se incorpora la metodología anterior a través de un módulo de análisis de señal y otro módulo de predicción. En una tercera parte, se comparan las conclusiones obtenidas con las expuestas en la literatura actual y se aplica la metodología propuesta a resultados experimentales de ensayos en vuelo reales. En resumen, los principales resultados de esta Tesis son: 1. Resumen del estado del arte en los métodos de ensayo aplicados a la expansión de envolvente en altitud/velocidad y la influencia de no-linealidades mecánicas en la determinación de la misma. 2. Revisión de la normas de Certificación Civiles y las normas Militares en relación a la verificación aeroelástica de aeronaves y los límites permitidos en presencia de no-linealidades. 3. Desarrollo de una metodología de expansión de envolvente basada en el Margen de Flameo. 4. Validación de la metodología anterior contra un modelo aeroelástico bidimensional paramétrico e interactivo programado en Matlab/Simulink. 5. Análisis de los resultados obtenidos y comparación con resultados experimentales. ABSTRACT Aeroelasticity was defined by Arthur Collar in 1947 as “the study of the mutual interaction among inertia, elastic and aerodynamic forces when acting on structural elements surrounded by airflow”. Today, this definition has been updated to take into account the Controls („Aeroservoelasticity‟) and even the temperature („Aerothermoelasticity‟). Within the Aeronautical Engineering, aeroelastic phenomena, either static (divergence, aileron reversal) or dynamic (flutter, buzz), are well known since the early beginning of the Aviation. Lessons learned along the History of the Aeronautics have provided several design criteria in order to mitigate the probability of encountering adverse aeroelastic phenomena along the operational life of an aircraft. Additionally, last decade improvements experienced by the Computational Aerodynamics and aeroelastic modelization have refined the flutter onset speed calculations during the design phase of an aircraft. However, still today, flight test remains as a key tool to validate aeroelastic models, to verify flutter-free conditions and to certify the different envelopes of an aircraft. Specifically, during the envelope expansion in altitude/speed, real time prediction of flutter conditions is required in order to avoid them in flight. In that sense, within the flight test community, several methodologies have been developed to predict in real time flutter conditions based on free-flutter flight conditions. Among them, the damping versus velocity technique combined with a Flutter Margin implementation remains as the most common technique used to proceed with the envelope expansion in altitude/airspeed. However, although its popularity and „easy to implement‟ characteristics, several shortcomings can adversely affect to the identification of unstable conditions when mechanical non-linearties, as freeplay, are present. Specially, during test flights devoted to envelope expansion in altitude/airspeed, Limits Cycle Oscillations (LCOs) conditions can not be accurately distinguished from those of flutter and, in consequence, it leads to an excessively conservative envelope determination. The present Thesis develops a new methodology, based on the Flutter Margin concept, that enables in real time the prediction of the „Limit Cycle‟ conditions, whenever they exist, without degrading the capability of predicting the flutter onset speed. The first part of this Thesis presents a review of the state of the art regarding the test methods available to proceed with the envelope expansion of an aircraft in altitude/airspeed and the effect of mechanical non-linearities on the aeroelastic behavior. Also, both civil and military regulations are reviewed with respect aeroelastic investigation of air vehicles. The second part of this Thesis proposes a new methodology to perform envelope expansion in real time based on the Flutter Margin concept when non-linearities, as freeplay, are present. Additionally, this methodology is validated against a Matlab/Slimulink bidimensional aeroelastic model. This model, parametric and interactive, is formulated within the state-space field and it implements the proposed methodology through two main real time modules: A signal processing module and a prediction module. The third part of this Thesis compares the final conclusions derived from the proposed methodology with those stated by the flight test community and experimental results. In summary, the main results provided by this Thesis are: 1. State of the Art review of the test methods applied to envelope expansion in altitude/airspeed and the influence of mechanical non-linearities in its identification. 2. Review of the main civil and military regulations regarding the aeroelastic verification of air vehicles and the limits set when non-linearities are present. 3. Development of a methodology for envelope expansion based on the Flutter Margin concept. 4. A Matlab/Simulink 2D-[aeroelastic model], parametric and interactive, used as a tool to validate the proposed methodology. 5. Conclusions driven from the present Thesis and comparison with experimental results.